壓氣機(jī)動(dòng)葉CLOCKING效應(yīng)對(duì)葉片氣動(dòng)負(fù)荷的影響

姚宏偉，顏培剛，韓萬(wàn)金

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，150001哈爾濱，Hanwanjin@hit.edu.cn)

燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)對(duì)其性能參數(shù)具有重要的影響，研究非定常流動(dòng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響因素，準(zhǔn)確評(píng)估燃?xì)廨啓C(jī)的氣動(dòng)性能，具有重要的作用[1-2].燃?xì)廨啓C(jī)葉片的損壞絕大多數(shù)是由于葉片振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力過(guò)大所致，影響葉片應(yīng)力的主要因素是葉片振動(dòng)特性和非穩(wěn)態(tài)氣流激振力特性[3-4].有效地控制氣流激振力，可以降低葉片的事故率，延長(zhǎng)機(jī)組壽命，因此，保證葉片具有良好的振動(dòng)特性是降低葉片動(dòng)應(yīng)力的主要途徑[5-6].文獻(xiàn)[7-12]對(duì)壓氣機(jī)CLOCKING效應(yīng)對(duì)各列葉片附面層發(fā)展及損失產(chǎn)生的機(jī)理做了大量的研究，但研究主要集中在壓氣機(jī)的靜葉片CLOCKING效應(yīng)上，在數(shù)值模擬過(guò)程中通常采用具有小整數(shù)比的動(dòng)、靜葉片匹配數(shù)目，而對(duì)于實(shí)際機(jī)組中動(dòng)靜葉片數(shù)目不便約化的情況，以及動(dòng)葉片CLOCKING效應(yīng)的數(shù)值研究方面，文獻(xiàn)還不多見(jiàn).

本文對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)中間級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了研究，其中間級(jí)靜葉片在實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)根部嚴(yán)重?cái)嗔训默F(xiàn)象，這一故障可以通過(guò)改變其上、下游動(dòng)葉片的周向相對(duì)位置得到解決.本文以動(dòng)葉片CLOCKING效應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)葉柵流場(chǎng)進(jìn)行非定常計(jì)算，研究葉片非穩(wěn)態(tài)氣流激振力的性質(zhì).建立激振力計(jì)算模型，探索激振力特性隨轉(zhuǎn)子葉片不同相對(duì)位置的變化關(guān)系，探討各排葉片在非定常氣動(dòng)負(fù)荷條件下的動(dòng)力響應(yīng).對(duì)三級(jí)軸流壓氣機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬，研究中間級(jí)動(dòng)葉CLOCKING效應(yīng)對(duì)靜葉片氣動(dòng)負(fù)荷的影響.在保證三級(jí)壓氣機(jī)真實(shí)的葉片數(shù)目的條件下，采用基于harmonic的頻域變化方法對(duì)全三維NS方程進(jìn)行數(shù)值求解，分析流場(chǎng)熵輸運(yùn)特性以及各列葉片非定常氣動(dòng)負(fù)荷.

1 數(shù)值方法及驗(yàn)證

采用NUMECA公司推出的FINETM/Turbo軟件包的系列模塊.方程的空間離散采用二階精度中心差分格式，湍流模型采用SA模型.對(duì)時(shí)均方程組，進(jìn)口給定總溫、總壓和氣流角，出口給定背壓.交界面采用2D無(wú)反射邊界條件.

葉片約化方法是比較成熟的計(jì)算方法.在上、下游葉片數(shù)目得到合理約化的條件下，該方法的計(jì)算結(jié)果具有較高的可信度.為了進(jìn)一步驗(yàn)證harmonic非定常計(jì)算方法的可靠性，本文以某重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)中間三級(jí)葉型為研究對(duì)象(圖1)，對(duì)葉片數(shù)進(jìn)行約化(見(jiàn)表1).分別采用harmonic和Scaling(葉片約化)兩種方法對(duì)2D流場(chǎng)進(jìn)行非定常計(jì)算，比較分析結(jié)果的差異，圖2為計(jì)算網(wǎng)格.

圖1 壓氣機(jī)葉型

表1 三級(jí)壓氣機(jī)約化葉片數(shù)

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

在計(jì)算過(guò)程中，進(jìn)口邊界條件給定總溫657.18 K、總壓1 252 098 Pa，周向氣流角38.17°，出口邊界條件通過(guò)考慮徑向平衡方程，給定平均靜壓，靜壓從1 200 kPa提高至1 750 kPa，其中設(shè)計(jì)點(diǎn)靜壓為1 520 kPa，對(duì)應(yīng)質(zhì)量流量625 kg/s.動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)邊界給定轉(zhuǎn)速3 000 r/min.

兩種計(jì)算方法得到的葉片型面靜壓的時(shí)均值和非定常波動(dòng)的幅度見(jiàn)圖3，其中Max和Min分別表示脈動(dòng)值的最高值和最低值.由圖3可以看到，harmonic方法計(jì)算得到的各列葉片交接面位置的熵分布基本上都是連續(xù)的，說(shuō)明在非定常計(jì)算過(guò)程中的轉(zhuǎn)/靜交接面參數(shù)傳遞方面，harmonic具有較高的計(jì)算精度.同時(shí)，觀察S2葉片型面靜壓，與scaling方法計(jì)算的一個(gè)周期內(nèi)靜壓非定常波動(dòng)的最高值和最低值相比，盡管harmonic方法計(jì)算的非定常波動(dòng)幅度更大，但是差別并不明顯，且兩者的靜壓時(shí)均值曲線完全吻合，因此采用Harmonic方法計(jì)算的葉片氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩的結(jié)果是可信的.

圖3 兩種計(jì)算方法的葉片型面靜壓系數(shù)時(shí)均與脈動(dòng)值

2 計(jì)算模型

本文以燃?xì)廨啓C(jī)中間三級(jí)壓氣機(jī)為研究對(duì)象，在不改變各列葉片數(shù)的前提下，研究中間級(jí)動(dòng)葉片的CLOCKING效應(yīng)對(duì)靜葉片氣動(dòng)負(fù)荷的影響.各列葉片真實(shí)數(shù)目見(jiàn)表2.

表2 三級(jí)壓氣機(jī)真實(shí)葉片數(shù)

2.1 熵輸運(yùn)分析

圖4給出了R2在CLK0和CLK2位置上熵的輸運(yùn)過(guò)程，取某一瞬時(shí)流場(chǎng)進(jìn)行比較、分析.由圖4可以看到，當(dāng)R2在CLK0位置上時(shí)，R1的尾跡和勢(shì)流輸運(yùn)到S1流道，S1葉片吸力面附近氣流的加速過(guò)程使得尾跡被拉伸，靜葉邊界層的作用使得尾跡被扭曲，但是在流向逆壓梯度下并沒(méi)有發(fā)生耗散.R2在CLK0位置出現(xiàn)一個(gè)最重要的現(xiàn)象，就是R1的尾跡和S1的部分尾跡在S1尾緣發(fā)生摻混后恰好輸運(yùn)至R2的前緣，在一個(gè)周期內(nèi)始終被R2前緣切割，因此R1的尾跡主要在R2的邊界層中耗散.在R2吸力面一側(cè)，R1部分尾跡與S1尾跡摻混，形成R2的尾跡，并向下游繼續(xù)輸運(yùn)，因此S2中熵的輸運(yùn)主要表現(xiàn)為單個(gè)較強(qiáng)尾跡不斷被切割，并向下游積聚、耗散的過(guò)程.

圖4 兩個(gè)CLOCKING位置的熵輸運(yùn)云圖

當(dāng)R2在CLK2位置時(shí)，R1的部分尾跡和S1的尾跡摻混后進(jìn)入R2的流道中部，并輸運(yùn)至R2的出口，R2的前緣交替切割S1的尾跡和勢(shì)流.由于R2的出口既有R1和S1的尾跡，又有R2的尾跡，因此S2中熵的輸運(yùn)反映了多個(gè)尾跡的輸運(yùn)過(guò)程.與CLK0位置相比，被S2葉片切割并向下游積聚和耗散的多個(gè)尾跡強(qiáng)度明顯減小，尾跡輸運(yùn)過(guò)程中的扭曲和變形都有所減弱，因此R2的尾跡在經(jīng)過(guò)S2后，直接進(jìn)入R3流道的中部.

從以上分析可以看出，R2處于不同的CLOCKING位置對(duì)應(yīng)著截然不同的尾跡輸運(yùn)特點(diǎn)，導(dǎo)致勢(shì)流、尾跡和葉片邊界層發(fā)生相互作用的特點(diǎn)也明顯互不相同，因此由尾跡和勢(shì)流引起的壓力波動(dòng)必然會(huì)清晰地反映在葉片氣動(dòng)負(fù)荷的非定常波動(dòng)上.結(jié)合尾跡和勢(shì)流輸運(yùn)過(guò)程中的瞬態(tài)流場(chǎng)，深入分析作用在葉片上的非定常氣動(dòng)力和力矩，有助于清楚地了解該三級(jí)壓氣機(jī)葉片氣流激振力的作用機(jī)制.

2.2 葉片非定常氣動(dòng)力時(shí)域分析

為進(jìn)一步研究三級(jí)壓氣機(jī)中動(dòng)葉CLOCKING效應(yīng)對(duì)葉片氣動(dòng)負(fù)荷的影響，對(duì)各列葉片非定常氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩進(jìn)行時(shí)域分析，比較轉(zhuǎn)子葉片在不同CLOCKING位置時(shí)各列葉片氣動(dòng)力系數(shù)、氣動(dòng)力矩系數(shù)以及氣動(dòng)力的作用角度非定常波動(dòng)幅度及變化次數(shù).以壓氣機(jī)的軸向和動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)的反方向?yàn)閰⒖甲鴺?biāo)系的正方向，對(duì)葉片進(jìn)行受力分析，如圖5所示.

圖5 葉片受力分析

其中，F(xiàn)→為氣動(dòng)力，M→為氣動(dòng)力矩，p為當(dāng)?shù)仂o壓，p0為葉柵進(jìn)口的平均靜壓，p*0為葉柵進(jìn)口的平均總壓.

圖6給出了靜葉S2的氣動(dòng)負(fù)荷隨時(shí)間的變化.F(t)/ˉF和M(t)/ˉM分別表示氣動(dòng)力系數(shù)和力矩系數(shù).從圖6可以看出，在 CLK0位置上，0～0.3T時(shí)間內(nèi)，氣動(dòng)力的兩個(gè)分量為負(fù)值，表示與規(guī)定的正方向相反，此時(shí)氣動(dòng)力方向角也處于第四象限.這表明在該時(shí)間段內(nèi)，葉片吸力面的壓力高于壓力面的壓力，葉片的受力與常規(guī)的壓力面指向吸力面的方向相反.類似的現(xiàn)象同樣發(fā)生在CLK1和CLK3兩個(gè)位置上.

在CLK2位置上，靜葉S2的氣動(dòng)力始終為正值，且波動(dòng)幅值明顯的比其他3個(gè)位置的小，氣動(dòng)力方向角的波動(dòng)范圍也較小，表明在CLK2位置上，靜葉S2具有更穩(wěn)定氣動(dòng)的氣動(dòng)負(fù)荷，其氣動(dòng)負(fù)荷受尾跡和勢(shì)流非定常干擾的影響較小，這有利于延長(zhǎng)S2的疲勞壽命.

在非定常條件下，葉片排之間存在顯著的非定常干擾，上游葉片尾跡和勢(shì)流不僅會(huì)對(duì)相鄰下游葉片造成影響，甚至對(duì)更遠(yuǎn)的下游葉片造成干擾，因此第三列轉(zhuǎn)子葉片R3與前兩列轉(zhuǎn)子葉片之間也會(huì)存在Clocking效應(yīng).本文僅僅針對(duì)實(shí)際工程中出現(xiàn)問(wèn)題的S2葉片進(jìn)行計(jì)算，沒(méi)有考慮其他各列.

圖6 中間級(jí)靜葉片S2非定常氣動(dòng)負(fù)荷

3 結(jié)論

1)轉(zhuǎn)子葉片不同CLOCKING位置對(duì)應(yīng)截然不同的熵輸運(yùn)特點(diǎn).在CLK0位置，R1的尾跡和S1的部分尾跡摻混后恰好輸運(yùn)至R2的前緣，S2中熵的輸運(yùn)主要表現(xiàn)為單個(gè)較強(qiáng)的R2尾跡的輸運(yùn)過(guò)程.在CLK2位置，R1的尾跡和S1的部分尾跡摻混后進(jìn)入R2的流道中部并輸運(yùn)至R2的出口，R2的前緣交替切割S1的尾跡和勢(shì)流，S2靜葉片中熵的輸運(yùn)反映了多個(gè)尾跡的輸運(yùn)過(guò)程，從而對(duì)應(yīng)不同的氣流激振力.

2)動(dòng)葉片R2處于不同的CLOCKING位置時(shí)，會(huì)引起R2下游S2靜葉片氣流激振力顯著的變化.其中在CLK2位置上，靜葉S2的氣動(dòng)力始終為正值，與其他位置相比波動(dòng)幅值明顯減小，氣動(dòng)力方向角的波動(dòng)范圍也較小，因此具有最穩(wěn)定的氣動(dòng)負(fù)荷，這有利于減少對(duì)葉片S2的不利因素.

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