闭式叶轮叶型误差对某型燃气轮机离心压气机性能影响的CFD研究

2017-08-16黄赞迪黄谭喜彭碧涛

制造业自动化 2017年6期

关键词：叶型闭式压气机

黄赞迪，黄谭喜，彭碧涛

（中国航发南方工业有限公司产品设计所，株洲 412002）

闭式叶轮叶型误差对某型燃气轮机离心压气机性能影响的CFD研究

黄赞迪，黄谭喜，彭碧涛

（中国航发南方工业有限公司产品设计所，株洲 412002）

旨在使用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）方法对某型燃气轮机闭式离心压气机的叶轮叶型加工误差对性能的影响进行定量研究。CFD仿真结果显示叶型厚度增加0.1mm以上使压气机的性能降低明显。此外，闭式叶轮上叶片的周向分布位置度误差对性能影响较大。研究结果对零件验收具有指导意义。

铸造闭式叶轮；叶型误差；CFD；压气机性能

0 引言

叶片、叶盘和叶轮的叶型对燃气涡轮式发动机性能起决定性作用。在生产制造过程中应尽最大努力控制叶型误差，但是无法完全消除误差。

CFD方法是将研究的流场对象进行离散化处理，结合适当的边界条件设定，使用计算机按照选定的方法进行迭代运算，得到计算结果的一种研究方法。其计算结果的准确性与网格质量（离散处理结果），计算模型（方法）的选择有关。随着技术进步，目前CFD方法在叶轮机械的气动性能计算方面具有广泛运用。同时CFD方法为研究叶型误差对性能的影响提供了经济、有效的手段。朱家友[1]等人使用CFD方法对轮廓度公差在0.12mm的多种实际二维叶型的最小损失系数进行了统计分析，表明二维叶型的最小损失系数的变化与其前缘半径、最大厚度的误差近似正相关。李冬[2]等人通过CFD方法定量研究了叶片表面粗糙度对压气机性能的影响，发现当压气机叶片表面粗糙度增大时，压气机主要特性参数都不同程度的减小，使压气机总体性能下降。屠秋野[3]等使用数值方法研究了扩压器叶型上局部凸起的危害，结果表明局部凸起导致扩压器效率降低。

某型车用燃气轮机具有两级离心压气机，其闭式叶轮的流道面采用无余量熔模铸造成型。高/低压闭式叶轮结构如图1、图2所示。由于叶片顶端具有整体式外罩以及使用全新研制的高强度镍铬钼钢材料等原因，精铸叶型面的质量不佳，叶型误差较大。本文使用CFD方法对该闭式叶轮的叶型误差对压气机性能的影响进行定量研究，以期为零件的工程制造验收提供理论指导。主要工作包括研究当前闭式叶轮零件铸造过程中存在的叶型误差问题分析；使用UG软件对设计闭式叶轮模型进行更改，得到典型的误差模型；使用CFD软件对误差模型进行性能仿真；对仿真结果进行对比分析，为零件生产制造提供指导。

图1 低压闭式叶轮

图2 高压闭式叶轮

1 偏差分析

1.1 零件状态分析

使用高精度三坐标仪对多个现有铸造零件的叶型进行计量，得到了具有代表性的叶型偏差情况，详见表1。由于空间限制，只能以叶型前缘处为计量基准，计量不同高度（Z）的截面内的叶型。结果显示计量叶型（绿色线条）相对设计叶型（红色线条）的偏差在±0.23mm以内。此外，在叶型比对时进行了适当的坐标偏移，这意味着整圈叶片的周向分布位置存在误差。

表1 对齐前缘后计量叶型误差

1.2 典型误差建模

根据闭式离心叶轮铸造存在叶型误差的类型，可以建立误差模型，用于CFD计算。建模过程使用UG软件完成。建立叶片厚度变化模型时主要使用同步建模模块中的“偏置面”命令；而建立叶片旋转模型时主要使用“移动面”命令。由于本文研究的高/低压闭式叶轮结构相似度极高，因此计算以低压为主高压为辅。建立低压闭式叶轮（R9A13030）模型5个、高压闭式叶轮（R9A15001）模型3个。其中R9A13030-1、R9A15001-1为设计模型，其余模型存在不同程度的尺寸或特征变化，如表2所示。

表2 建模说明

2 模型分析

2.1 计算对象及过程

使用CFD方法对该发动机的双级离心压气机进行气动性能计算，计算对象包括低压级和高压级。图3为双级离心压气机三维模型与子午流道简图。计算网格在IGG/AutoGrid5中生成，低压级网格数约为131万（13030-7约为158万），高压级网格数约为162万（15001-4约为192万），其周向、展向和流向均满足多重网格要求。经对比验证，计算网格密度满足网格无关性要求。边界条件设定为进口给定总温、总压及进口气流方向，出口在低压比时给定平均静压，高压比时给定质量流量，如表3所示，其均为设计点工况参数值。计算模型采用Spalart-Allmaras模型。

表3 压气机计算进口设定

图3 双级离心压气机三维模型与子午流道简图

2.2 计算结果

1）低压设计模型（R9A13030-1）

图4为使用低压闭式叶轮设计模型时低压压气机特性曲线，从图中可以看出，低压压气机在设计转速下工况性能较为平缓，效率较高，设计点效率约79%，总压比为4左右。

图4 使用R9A13030-1时低压压气机特性曲线

2）叶型厚度变化

图5为使用叶型厚度不同的闭式叶轮时低压压气机特性对比。从图中可以看出，随着叶片减薄，其特性曲线整体向右上方移动，即效率与压比均呈上升趋势，而且堵塞流量提高尤为明显。这正对应了跨音速叶轮设计中对叶片前缘半径在满足强度要求的前提下尽可能小以减轻叶片吸力面的气流加速来降低损失的要求，这在大流量工况时尤为明显。叶片减薄降低二次流的同时也增加了流量，另外叶片减薄也使得气流通道面积变大，进一步提升了叶轮的通流能力。

图5 叶型厚度变化时低压压气机特性曲线对比

3）R9A13030-7

图6为使用R9A13030-7与使用设计模型时低压压气机特性对比。从图中可以看出，叶片周向分布存在2°误差时低压压气机效率有所降低，压比下降明显。叶片绕Z轴旋转使得叶轮内相邻流道出口面积不同，破坏了流场出口的均匀度，导致后排的径向扩压器匹配困难，降低了压气机的喘振裕度。

图6 使用R9A13030-7时低压压气机特性曲线对比

4）R9A15001-1

图7为使用高压闭式叶轮原始设计模型时高压压气机的特性曲线，从图中可以看出，高压压气机在设计转速下工况性能较为平缓，最高效率点接近80%。

图7 使用R9A15001-1时高压压气机特性曲线

5）R9A15001-4

图8为使用R9A15001-4与使用原始设计模型时高压压气机特性对比。与低压闭式叶轮相似，叶片周向分布存在2°误差时低压压气机效率与压比均有降低。

图8 使用R9A15001-4时高压压气机特性曲线对比

6）R9A15001-3

图9为使用R9A15001-3与使用原始设计模型时高压压气机特性对比。从图中可以看出，叶片增厚使得压气机效率与压比略有下降，但基本与原始叶轮相当。喘振裕度、工况特性改变在可接受范围内。

图9 使用R9A15001-3时高压压气机特性曲线对比

2.3 计算结果分析

低压闭式叶轮设计模型的效率约79%，压比约4。高压闭式叶轮设计模型分别为：80%以及2.6。随着叶片厚度的增加，压气机的性能持续降低，主要表现在效率及堵塞流量减小，压比能力也略有降低。虽然效率降低变化较小，但是堵塞流量的降低十分明显。综合分析各个叶片厚度的性能结果，叶片厚度增加0.1mm后的效率相对于设计模型基本不变，堵塞流量降低了约0.5%，整体性能小幅下降，在可接受的范围内。而当叶片厚度增加0.2mm后的效率相对于设计模型降低了约2.6%，堵塞流量降低了约2%，整体性能下降。为保证整机的性能，在闭式叶轮的实际加工过程中应该避免叶片厚度增加超过0.1mm。

低压闭式叶轮的叶片旋转2°，也即叶片均布误差增大后，叶轮内相邻流道出口面积不同，加剧了出口流场的不均匀性。这导致后排的径向扩压器匹配困难，降低了压气机的喘振裕度。此外，由于扩压器流场损失加大压气机的压比下降。最终，压气机的压比能力相对于设计模型下降约1.5%，效率降低约1%，堵塞流量下降约0.3%。因此，在闭式离心叶轮的零件制造过程中应该降低叶片的周向位置度误差值。

具有偏差的高压闭式叶轮模型的计算结果具有与低压闭式叶轮相似的结果，即随着闭式叶轮叶片厚度的增加，压气机的整体性能降低；同时叶片周向位置度对压气机的整体性能影响较大。

鉴于上述计算结果，对闭式离心叶轮的叶型公差控制可以提出如下更改建议：

2）原图纸对闭式叶轮进、出口处（M、N段）的表面粗超度要求

3）在原图纸标注“22叶片EQS”处增加位置度要求，公差大小为0.1mm（M、N段）；

4）流道的轮廓度公差参照叶型公差进行更改。