劉海旭，馮永志，任利

(1.哈電發(fā)電設(shè)備工程研究中心有限公司，哈爾濱150046；2.中國聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司，北京100000）

0 引言

現(xiàn)代壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)趨向于較高的壓比和效率、更少的級數(shù)和更寬廣的工作范圍，這對葉片內(nèi)部氣體流動過程提出了更高的要求。葉尖間隙是影響壓氣機(jī)性能的關(guān)鍵因素，葉尖區(qū)域的流動非常復(fù)雜，尤其是跨音速壓氣機(jī)中還存在激波與附面層相互干擾現(xiàn)象[1]。

國內(nèi)外學(xué)者針對葉尖間隙對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行了多年的研究與探索。1996 年Foley 等[2]針對一個多級軸流壓氣機(jī)中的一級進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明葉尖間隙的變化改變了葉尖載荷的分布，同時(shí)還觀察到葉尖泄漏渦在轉(zhuǎn)子下游與尾跡相互摻混。王子登等[3]對某六級高壓壓氣機(jī)進(jìn)行全三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)葉尖間隙的增大造成壓比下降的主要原因是由于間隙流的影響，削弱了通道激波的強(qiáng)度，使得葉片的擴(kuò)壓能力下降。Schlechtriem[4]通過對跨音速軸流壓氣機(jī)的研究，發(fā)現(xiàn)葉尖泄漏渦在通過通道激波時(shí)發(fā)生破碎，進(jìn)而引起壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的失速。Furukawa[5]對一臺低速軸流壓氣機(jī)研究同樣發(fā)現(xiàn)，在近失速工況下葉尖泄漏渦也發(fā)生了破碎。葉尖泄漏渦的破碎使葉片通道中產(chǎn)生了大范圍的堵塞而引發(fā)失速。

本文以某軸流壓氣機(jī)的跨音級為研究對象，首先分析了轉(zhuǎn)子葉尖間隙為1.5 mm 條件下設(shè)計(jì)點(diǎn)、近失速點(diǎn)葉尖泄漏渦的產(chǎn)生、發(fā)展及激波與葉尖泄漏渦相互干擾現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上探討了不同的間隙值對葉尖間隙流場的影響，為高性能壓氣機(jī)氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 研究對象與數(shù)值方法

選取某壓氣機(jī)進(jìn)口跨音級共3 排葉片，進(jìn)口導(dǎo)流葉片（IGV）、一級動葉（R1）、一級靜葉（S1），計(jì)算模型如圖1所示，動葉葉尖間隙范圍為0～ 2.9 mm，涵蓋了典型葉尖間隙值。計(jì)算主流網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用O4H 形，葉尖間隙采用O-H 蝶形網(wǎng)格，根據(jù)氣流流動情況在葉片表面、輪轂、機(jī)匣面皆進(jìn)行局部加密，確保固壁的無量綱網(wǎng)格y+小于10。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，本文計(jì)算選取的網(wǎng)格量為380 W。

數(shù)值模擬采用CFD 軟件NUMECA，求解三維定常雷諾平均N-S 方程，湍流模型選用一方程Spalart-Allmaras模型?？臻g離散選用二階精度迎風(fēng)差分格式，時(shí)間推進(jìn)采用四階Runge-Kutta 法，同時(shí)采用多重網(wǎng)格技術(shù)和隱式殘差均化加速收斂。進(jìn)口給定總溫、總壓，出口給定背壓，周向采用周期性邊界條件，固壁采用絕熱無滑移邊界條件，轉(zhuǎn)/靜葉交界面采用混合平面法進(jìn)行處理。

2 轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場分析

圖1 計(jì)算模型

間隙流動是由葉盆和葉背的壓力差引起的，圖2 給出了設(shè)計(jì)點(diǎn)和近失速點(diǎn)工況下98%葉高靜壓的分布，圖中深色線分別標(biāo)示了間隙泄漏渦的軌跡和激波的位置。在強(qiáng)大的壓差作用下，流體從葉頂前緣間隙中流出，與主流相互作用卷吸形成葉尖泄漏渦，這條泄漏渦以直線形式存在。對比兩個工況，在激波上游，間隙泄漏渦在葉尖流場中的位置及與弦長的夾角基本不變，Hoeger 等[6]研究跨音速壓氣機(jī)葉頂間隙的流動也得到了同樣的結(jié)論，這是跨音速壓氣機(jī)葉尖泄漏渦的一個顯著特征。但近失速點(diǎn)的激波位置更靠近上游，且泄漏渦強(qiáng)度明顯高于設(shè)計(jì)點(diǎn)工況。間隙泄漏渦向下游的運(yùn)動過程中會與激波相互作用，迫使激波發(fā)生彎曲，由于近失速點(diǎn)泄漏渦的強(qiáng)度更大，激波彎曲的程度也更大。

圖3 為葉頂附近流動損失沿通道的發(fā)展，采用熵值表示流場的損失，圖中標(biāo)示了間隙泄漏渦的運(yùn)行軌跡。泄漏渦在向下游輸運(yùn)的過程中，沿著直線方向向下游運(yùn)動的同時(shí)，會逐漸向周向遷移，這與圖4 的結(jié)果一致。由于激波與泄漏渦的相互作用，泄漏渦經(jīng)過激波后，其運(yùn)行軌跡不再沿著直線，而是向葉片的弦向偏轉(zhuǎn)。對比發(fā)現(xiàn)，近失速點(diǎn)高熵流體的影響范圍更廣，說明間隙泄漏渦的強(qiáng)度比設(shè)計(jì)點(diǎn)大。

圖2 99%葉高靜壓分布

圖3 熵的發(fā)展與遷移

3 間隙大小對轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場的影響

為了分析間隙大小對轉(zhuǎn)子葉高范圍的影響，選取了3 種間隙0 mm（無葉尖間隙）、1.5 mm、2.9 mm下轉(zhuǎn)子出口相對總壓沿葉高的分布。如圖4所示，葉頂附近相對總壓隨著間隙的增大而減小，間隙為1.5 mm 時(shí)，95%葉高以下的部分沒有受到影響，當(dāng)間隙達(dá)到2.9 mm 時(shí)，影響范圍擴(kuò)展到了葉高的10%。90%葉高以下部分相對總壓幾乎不變，說明間隙流對葉根和葉中的影響較小。

圖4 轉(zhuǎn)子出口相對總壓沿葉高的分布

圖5 給出了無葉尖間隙（0 mm）和有葉尖間隙（2.9 mm）時(shí)，98%葉高的靜壓分布。無葉尖間隙時(shí)，通道內(nèi)形成一道很強(qiáng)的正激波，一直延伸到相鄰葉片吸力面70%弦長位置。葉頂間隙為2.9 mm 時(shí)，葉尖泄漏渦穿過激波，使激波發(fā)生彎曲。對比二者可發(fā)現(xiàn)有葉尖間隙時(shí)的靜壓值明顯比無葉尖間隙時(shí)低，恰好說明了間隙渦的存在削弱了激波的強(qiáng)度，降低了葉片的擴(kuò)壓能力。因此，在跨音級壓氣機(jī)中，激波與葉尖泄漏流相互作用，對葉柵通道主流區(qū)的流場有很大的影響，同時(shí)也會嚴(yán)重影響激波的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。

圖5 99%葉高轉(zhuǎn)子靜壓分布

圖6 轉(zhuǎn)子60%弦長位置S3 流面速度分布

圖6 為轉(zhuǎn)子不同葉尖間隙(1.5、2.9 mm)在60%弦長位置S3 流面的速度分布。葉尖間隙1.5 mm 時(shí)，轉(zhuǎn)子葉尖會產(chǎn)生由葉盆流向葉背的間隙流，隨著間隙的增加，間隙流的能量也會逐漸增大，進(jìn)而發(fā)展成葉尖泄漏渦。如圖6（b）所示，間隙流的橫向速度非常大，葉頂附近的橫向氣流與主流發(fā)生摻混，增大了氣動損失的同時(shí)，對氣流的流動也造成了堵塞，可以發(fā)現(xiàn)2.9 mm 間隙時(shí)橫向氣流對主流區(qū)域的影響范圍更大。

由以上分析可知，當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙逐漸增大時(shí)，間隙泄漏流能量增加，同時(shí)可能形成葉尖泄漏渦。那么是否葉尖間隙的存在一定會產(chǎn)生間隙泄漏渦？Lakshminarayana[7]認(rèn)為影響泄漏渦產(chǎn)生的因素有很多，如入口湍流度、端壁附面層厚度、葉尖線速度大小、葉尖載荷大小、葉尖間隙大小、主流與泄漏流間的速度差等都會對葉頂間隙的流動產(chǎn)生影響。

圖7 為轉(zhuǎn)子不同葉尖間隙下（0.3 mm、1.5 mm、2.9 mm）15%弦長擬S3 流面靜壓和速度矢量分布。如圖7（a）所示，0.3 mm 間隙時(shí)，在壓差的驅(qū)動下，葉尖射流流過葉尖后并沒有形成泄漏渦，而是與主流迅速摻混，產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切流。間隙增加至1.5 mm 時(shí)，泄漏流的能量也逐漸增大，在葉頂附近形成一個低壓區(qū)，此低壓區(qū)即為泄漏渦的渦核中心。當(dāng)間隙達(dá)到2.9 mm 時(shí)（如圖7（c）），低壓區(qū)向主流發(fā)展的同時(shí)沿周向擴(kuò)展，說明隨著間隙的增大泄漏渦的尺寸和影響范圍逐漸擴(kuò)大，強(qiáng)度也越來越大。

綜上分析，小的葉尖間隙（0.3 mm）不一定能形成葉尖泄漏渦，當(dāng)葉尖間隙增大到一定值時(shí)才會形成，且隨著葉尖間隙的增大泄漏渦的強(qiáng)度、尺寸和影響范圍也是逐漸增加的。

4 結(jié)語

本文以某軸流壓氣機(jī)跨音級為研究對象，對比分析了設(shè)計(jì)點(diǎn)和近失速工況下葉尖泄漏渦的發(fā)展規(guī)律，探討了不同的葉尖間隙值對轉(zhuǎn)子間隙流場的影響，結(jié)論如下：

圖7 15%弦長擬S3 流面靜壓和速度矢量分布

1）對比設(shè)計(jì)點(diǎn)和近失速工況，激波上游間隙泄漏渦在流場中的位置及其與葉片弦長的夾角基本不變，間隙泄漏渦向下游的運(yùn)動過程中與激波相互作用，迫使激波發(fā)生彎曲，且近失速工況下激波彎曲的程度更大。

2）泄漏渦穿過激波后，其運(yùn)行軌跡不再沿著直線，而是向葉片的弦向偏轉(zhuǎn)，近失速工況下間隙泄漏渦的強(qiáng)度比設(shè)計(jì)工況大。

3）當(dāng)葉尖間隙增加時(shí)，葉尖泄漏渦的強(qiáng)度也逐漸增大，會影響激波的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，降低了葉片的擴(kuò)壓能力。

4）葉尖間隙較小時(shí)，泄漏流不會發(fā)展成泄漏渦，當(dāng)間隙大到一定值時(shí)才會發(fā)展成葉尖泄漏渦，且隨著葉尖間隙的增大，泄漏渦的強(qiáng)度、尺寸和影響范圍也是逐漸增加的。