某压气机第一级转子叶片切角对气动性能的影响

高勇强 刘涛

摘 要： 本文对某压气机第一级转子叶片前缘切角、尾缘切角、前尾缘切角前后的气动性能进行了计算分析，结果表明：转子叶片切角后气动性能下降，前缘切角气动性能降低的最多，尾缘切角气动性能降低的最少;转子叶片气动性能降低的量与前缘切角叶片数正相关。

关键词：转子叶片;切角;气动性能;前缘;尾缘

航空发动机在装配、使用过程中，由于装运损坏、腐蚀、吞冰、异物击伤等原因，其压气机叶片难免会造成损伤[1，2，3]。对于叶尖出现卷边、缺口、撕裂等现象的转子叶片，通常进行切角处理。针对可能出现叶尖前缘损伤、尾缘损伤、前尾缘损伤的情况，分别需进行前缘切角、尾缘切角、前尾缘切角处理。例如：某转子叶片叶尖前缘被砂石击伤出现缺口后进行前缘切角处理，如下图1（左—出现缺口的叶片，右—前缘切角后的叶片）。某压气机第一级转子有20片叶片，叶片高度约50mm，展弦比1.5左右。本文以该转子为研究对象，斜切量暂定叶片高度的1/10，对其叶片前缘切角、尾缘切角、前尾缘切角前后的气动性能进行计算分析。

1 切角后的叶片造型

采用三次样条插值程序，对原始叶型叶尖附近截面进行插值。

输入叶片切角起始截面的轴线方向坐标X0，高度方向坐标Z0，切角与水平方向的夹角α，得到一条直线，该直线沿着±Y轴（Y轴由右手螺旋法则确定）方向拉伸形成切割面，切割面与等Z截面叶型相交求出切角后的叶型（切角处未加圆弧）。

叶片切角后为了防止出现应力集中、压气机气动性能急剧衰减的现象，一般由钳工将切角处抛修光滑。叶片建模时切角处采用加圆弧处理。

最终生成前缘切角、尾緣切角、前尾缘切角的叶片模型如图2（从左至右依次为原始叶型，前缘切角后的叶型，尾缘切角后的叶型，前尾缘切角后的叶型）。前缘切角叶型的斜切量为1/10叶高，切角方向与前缘线近似45°夹角;尾缘切角叶型的斜切量为1/10叶高，切角方向与尾缘线近似45°夹角;前尾缘切角叶型中：前缘斜切量为1/20叶高，前缘切角方向与前缘线近似45°夹角，尾缘斜切量为1/20叶高，尾缘切角方向与尾缘线近似45°夹角。

2 单通道计算

2.1 计算设置

单通道计算可以模拟全部叶片切角前后气动性能的变化。网格划分采用CFX中Turbogrid模块，网格拓扑结构采用H-C-J-L选项。第一级转子叶片数5万左右，其余叶片排每排网格数5万左右，总网格数约20万。转子叶尖间隙设置为0.25mm，静子叶根间隙设置为0.25mm。计算采用k-ε湍流模型，同时加入人工粘性项。

边界条件给定如下：进口边界条件给定总压101325Pa、总温288.15K、气流方向角（轴向进气）、第一、二级转子转速（设计转速）;出口边界条件给定平均静压;壁面边界条件设置为绝热无滑移条件;交接面设置为混合平面法。

判断计算收敛的准则：残差≤10-5;100个物理时间步内进出口流量相差≤0.1%进口流量。通过逐步增加出口被压，得到压气机从堵点到失速点的特性线。

2.2 计算结果及分析

采用相同的网格模板、计算设置得到全部叶片切角前后特性。全部叶片切角后转子气动性能下降：堵点流量降低0.02%～0.1%，最高压比降低0.3%～0.9%，最高效率降低0.1～0.2个百分点，流量裕度降低1.3～2.9个百分点。流量裕度的计算公式如下：SM=（1-GS/GC）×100%，式中GS喘点流量，GC堵点流量。

前缘切角气动性能降低的最多，尾缘切角气动性能降低的最少。

叶片切角后，尖部弦长变短，叶片做功能力下降，流量、压比降低;叶片尖部前尾缘半径变大，效率降低[4，5];切角处相对间隙增加，间隙泄漏加剧，流量裕度降低。与尾缘切角相比，前缘切角后叶尖马赫数更高，通道中低速区更大（如图3），气动性能降低的更多。

单通道计算结果表明：前缘切角、尾缘切角、前尾缘切角三种情况下，前缘切角对第一级转子气动性能影响最为显著。下文对该转子气动性能影响最为显著的前缘切角进行计算分析。

3 多通道计算

3.1 双通道计算

双通道计算可以模拟10片叶片切角情况下转子气动性能的变化。第一级转子采用双通道进行网格划分，网格数约10万，总网格数约25万，其余设置与第2.1节相同。

采用相同的网格模板、计算设置得到10片叶片前缘切角前后转子的特性。10片叶片前缘切角后转子气动性能下降，堵点流量降低0.02%，最高压比降低0.4%，最高效率降低0.1个百分点，流量裕度降低1.4个百分点。

3.2 四通道计算

四通道计算可以模拟第一级转子5片叶片切角情况下转子气动性能的变化。第一级转子选取4个通道进行网格划分，网格数约20万，总网格数约35万，其余设置与第2.1节相同。

采用相同的网格模板、计算设置得到5片叶片前缘切角前后转子的特性。5片叶片前缘切角后转子气动性能下降，堵点流量降低0.02%，最高压比降低0.3%，最高效率不变，流量裕度降低0.7个百分点。

3.3 十通道计算

十通道计算可以模拟第一级转子2片叶片切角情况下气动性能的变化。第一级转子选取10个通道进行网格划分，网格数约50万，总网格数约65万，其余设置与第2.1节相同。

采用相同的网格模板、计算设置得到2片叶片前缘切角前后转子的特性。2片叶片前缘切角后气动性能轻微下降，堵点流量降低0.02%，最高压比不变，最高效率不变，流量裕度不变。

3.4前缘切角叶片数对气动性能的影响

随着前缘切角叶片数的增加，压气机第一级转子气动性能的降低逐步加剧，第一级转子气动性能降低的量与切角叶片数正相关（如下图4）。

4 结论

本文对某压气机第一级转子叶片前缘切角1/10叶高、尾缘切角1/10叶高、前尾缘切角共1/10叶高前后的气动性能进行了计算分析，结果表明：

（1）全部叶片切角后第一级转子气动性能下降，前缘切角气动性能降低的最多，尾缘切角气动性能降低的最少。

（2）第一级转子气动性能降低的量与前缘切角叶片数正相关。

参考文献：

[1] 康继东，陈士煊等. 压气机叶片外物损伤及其维修性的研究进展[D].燃气涡轮试验与研究， 1998，11.

[2] 关玉璞，陈伟，高德平.航空发动机叶片外物损伤研究现状[J].航空学报， 2007（04）

[3] 潘辉，赵振华等. 航空发动机叶片外物损伤试验模拟方法[J].航空发动机， 2012（01）

[4] 彭泽琰，刘刚.航空燃气轮机原理（上册）[M].北京：国防工业出版社，2000.

[5] 楚武利，刘前智，胡春波.航空叶片机原理[M].西安：西北工业大学出版社，2009.

作者简介：

高勇强（1988—），男，汉族，河南漯河人，硕士，工程师，研究方向：压气机气动设计。