基于环面叶栅的压气机clocking 效应数值模拟

周斌彬ZHOU Bin-bin；汪奕航WANG Yi-hang；徐站桂XU Zhan-gui

（①国网湖南电力有限公司技术技能培训中心，长沙410130；②长沙电力职业技术学院，长沙410130）

1 研究模型

本文计算模型为某厂用用2 级低速压气机，几何参数见表1，其中，第一级、二级静子（简称S1、S2），第一、二级动叶（简称R1、R2）。

表1 压气机几何及气动参数

1.1 时序位置定义

时序效应模型计算是针对第二级静叶（简称SON2）8个时序位置在一个栅距内的来进行的，通过改变第二级静叶周向位置，等栅距人为划分为8 个时序位置，并依次标为COk（1，2，3，4…8）。

1.2 环面网格

在50%叶高位置对整个周向的环面叶栅做网格划分，不对全部叶片数进行人为约化处理，保留了所有的叶栅通道。各通道之间删除周期性边界条件。轴向、展向网格数分别为219、5。每个时序位置的网格总数变化不大，总数保持在426万左右。

1.3 数值计算方法

本文计算采用商用软件，求解三维定常、非定常N-S方程组，空间差分采用中心差分格式，应用中心有限体积法，设置人工项。湍流模型采用S-A 模型。非定常计算采用Domain Scaling 方法。先以定常为条件，得到计算结果，并以此为初值，求解非定常方程组。在一个周期内设置120 个物理时间点，迭代25 个周期得到收敛结果。边界条件为：进口总压为101300Pa，进口总温为300K，轴向进气；出口平均静压102800Pa。

此外，为了验证不同的网格层数对计算是否有比较大的影响，选取了沿叶高方向2，3，5，9，13 层网格分别对1.5级透平模型在相同工况下进行了计算，计算结果如图1 所示。结果发现，随着网格数的增加，效率变化不大。综合考虑计算稳定性及后处理的方便性，对轴流压气机的数值计算选取5 层网格来进行，这样既可以保证计算的准确性，又尽可能的减少整个网格数。

图1 不同网格层数下计算效率分布

2 clocking 效应分析

对模拟计算每个时间点迭代出的进出口压力及温度引入以下公式

其中Tin、Tout分别表示进口和出口总温，pin、pout分别表示进口和出口压力。时均等熵均效率如图2 所示。

图2 中Δη 由以下公式确定：

图2 平面、环面Δηi 随S2 不同时序位置的变化

图2 中，随着静叶在不同clocking 位置，效率差出现了明显的变化，这表明压气机内部的非定常特性确实对压气机整机效率有影响，由于采用的是低速压气机，不同时序位置的效率变化较小。最高效率位置出现在CLK2 位置，最低效率出现在CLK5 位置。

计算结果中最高效率与最低效率相差不到1%，相关研究认为时序效应对气动性能的影响是由于叶片周向位置不同导致尾迹的分布不同，进而造成对下游叶片边界层的影响不同。为此，下面从流道中尾迹对下游叶片的作用来分析。

下面给出最高时序效率位置点的尾迹对下游叶片的作用过程。

图3 一个周期内不同时刻熵图分布

从图3 中2 个时刻的总熵图可以看到，静叶的尾迹强度要较动叶尾迹强度弱，宽度稍大。静叶的尾迹随气流运动，在动叶的剪切掺混作用下，静叶的尾迹被截断，部分静叶尾迹吸附在动叶附面层，不再在主流中发展，部分尾迹被分化为片段往下输运。静叶的尾迹形成过程是非定常的。在动叶的尾缘处可以看到，尾迹速度方向偏离势流方向。可以看出S1 的尾迹通过R1 作用后有部分跟R1 的尾迹掺混在一起并发展成了R1 的尾迹，剩余部分向R1 运动方向偏转并最终撞击在S2 的前缘，也证实了前人研究结论：静叶的尾迹打在下排静叶的前缘时，时序效率达到最大值。

从图3 还可以看出，S1、R1 尾迹的作用会对S2 的进口气流角产生影响，使得附面层流动状态表现明显的非定常性，同时附面层的厚度也会随时间变化，并导致附面层发展也随之变化。动叶尾迹与静叶尾迹相交区域，熵值增加。在动叶尾迹作用的下游静叶附面层处会出现三种不同情况：在尾迹作用处上游，边界层变厚；在尾迹作用处下游，熵值出现增加；在尾迹中心处，边界层变薄。

由于R1 尾迹强于S1 的尾迹，所以从熵图上看，R1 的尾迹对S2 附面层及叶栅通道施加的非定常作用要强，但是在绝对坐标系下R1 尾迹对S2 的时均作用是均匀的，不会随着S2 周向位置的改变而变化，所以出现在S2 前缘区域的时均不均匀作用主要来自S1 的尾迹。但是由于S1 是尾迹到达S2 前缘区域时，强度已经很弱，对S2 附面层的影响不强，导致随着时序位置变化的等熵效率变化不大。

在最低时序位置效率总熵云图中发现大部分尾迹没有输送到S2 的头部，而直接进入了S2 的通道并在通道中与主流区掺混，主流区熵值增加明显，导致大量能量损失。

由上面的分析可知，低速压气机由于转速及压气机逆压梯度的存在，导致S1 尾迹在没有到达S2 前沿之前大部分已经耗散消失，这也就能解释CLK1 位置比CLK5 位置效率只高出0.86%，当然，忽略了沿叶高的流动情况，此外加上数值计算本身的误差，导致计算结果与实际情况可能还是有不少的差别。

3 结论

本文采用环面网格的方法，对轴流压气机的时序效应进行了数值模拟。①与单通道二维计算相比，采用环面叶栅的数值计算更能真实反映叶排间的相互作用，更具有工程实际意义。②低速压气机由于其自身的流动特点决定了静叶clocking 效应影响较小，进行环面叶栅数值计算结果表明：不同的clocking 位置下，效率变化不到1%，较二维单通道计算结果效率波动幅度较小。