可調(diào)靜子葉片機(jī)匣間隙對(duì)軸流壓氣機(jī)性能的影響

蔣志軍，蘭發(fā)祥

可調(diào)靜子葉片機(jī)匣間隙對(duì)軸流壓氣機(jī)性能的影響

蔣志軍，蘭發(fā)祥

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

多級(jí)軸流壓氣機(jī)多采用可調(diào)靜子調(diào)節(jié)壓氣機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能。由于轉(zhuǎn)動(dòng)需要，靜子葉片與流道間必然存在徑向間隙，使得流場(chǎng)中額外引入端壁間隙流。利用CFD軟件，研究了可調(diào)靜子徑向間隙對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)性能的影響。相關(guān)三維粘性數(shù)值仿真結(jié)果表明：高精度的CFD分析中，間隙影響不可忽略；可調(diào)靜子轉(zhuǎn)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效減小間隙對(duì)壓氣機(jī)性能的影響。

軸流壓氣機(jī)；可調(diào)靜子；CFD；間隙；HPC

1 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)中使用可調(diào)靜子結(jié)構(gòu)，按適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律控制靜子的安裝角，可有效提高高壓壓氣機(jī)在中低轉(zhuǎn)速下的性能[1]。然而，可調(diào)靜子葉片的引入帶來了新的端壁間隙流。受流道曲率的影響，為保證靜子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，靜子葉片與流道壁面間必然存在一定量值的間隙，否則靜子葉片會(huì)因干涉而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。一般而言，流道曲率越大、直徑越小，預(yù)留間隙就越大。

常規(guī)軸流高壓壓氣機(jī)，一般都將進(jìn)口2或3級(jí)靜子設(shè)計(jì)為可調(diào)。從流道形式上可知，可調(diào)靜子葉片大曲率流道常出現(xiàn)在進(jìn)口導(dǎo)葉上，因?yàn)楝F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)為追求高推重比，中介機(jī)匣多采用大曲率設(shè)計(jì)，而進(jìn)口導(dǎo)葉多緊靠中介機(jī)匣，故其機(jī)匣曲率相對(duì)也較大。另一方面，氣流通過進(jìn)口導(dǎo)葉后直接作用在第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上，該葉片在整個(gè)壓氣機(jī)中葉尖切線速度最高、氣流相對(duì)馬赫數(shù)最大，上游流場(chǎng)變化對(duì)轉(zhuǎn)子工作的影響也最大。考慮到進(jìn)口導(dǎo)葉機(jī)匣間隙對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的影響，明顯大于其它可調(diào)靜子間隙，本文采用三維數(shù)值模擬方法，分析了幾種不同結(jié)構(gòu)形式可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉間隙對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上提出一種優(yōu)化可調(diào)靜子間隙的設(shè)計(jì)方法。

2 算例概述

以進(jìn)口導(dǎo)葉可調(diào)的某五級(jí)軸流壓氣機(jī)為例進(jìn)行分析研究。該壓氣機(jī)具有結(jié)構(gòu)尺寸小、葉片徑向間隙相對(duì)葉高比例大、葉片間隙對(duì)壓氣機(jī)性能影響大的特點(diǎn)。計(jì)算中考慮的間隙，包括轉(zhuǎn)子葉尖徑向間隙及進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉的根、尖間隙，其中轉(zhuǎn)子葉尖徑向間隙按相對(duì)葉高的0.75%給定。由于常規(guī)可調(diào)靜子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖1(a))，會(huì)在靜子根、尖部都形成徑向間隙，且考慮到算例壓氣機(jī)的流道徑向直徑小、葉片調(diào)節(jié)角度大等因素，為轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)留的間隙較大，計(jì)算中給定為0.5 mm。文中分析了兩種結(jié)構(gòu)形式的可調(diào)靜子葉片。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式下，靜子葉片的根尖區(qū)域工作時(shí)有4個(gè)間隙。圖1(b)為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)(轉(zhuǎn)軸)前移，使葉片前緣間隙消失，工作時(shí)只存在葉片尾緣的2個(gè)間隙。

網(wǎng)格劃分選用Numeca的CFD軟件包IGG/Au?toGrid軟件。使用AutoGrid模塊對(duì)除可調(diào)導(dǎo)葉外的葉片排進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用IGG模塊對(duì)可調(diào)導(dǎo)葉進(jìn)行手動(dòng)網(wǎng)格劃分。IGG劃分網(wǎng)格時(shí)，導(dǎo)葉的幾何模型和通道邊界從AutoGrid模塊中導(dǎo)入，由此保證葉片幾何的準(zhǔn)確性及通道邊界與其它葉片通道邊界的匹配性。與轉(zhuǎn)子徑向間隙的網(wǎng)格劃分不同，可調(diào)靜子間隙的網(wǎng)格處理相對(duì)復(fù)雜。考慮到現(xiàn)有CFD軟件對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)求解多存在失真度高的問題，同時(shí)也為了降低網(wǎng)格劃分難度，在網(wǎng)格劃分中忽略葉片上的退刀槽結(jié)構(gòu)。另一方面，由于葉片相對(duì)較薄，將旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)與葉片的圓弧型相貫線處理成直線。葉片排的網(wǎng)格拓?fù)漕愋褪褂脦網(wǎng)的H-O-H型[2]，參照其余葉片排網(wǎng)格的網(wǎng)格參數(shù)。根據(jù)流動(dòng)雷諾數(shù)，為滿足網(wǎng)格求解的Yplus原則，所有葉片排網(wǎng)格近壁面的第一層網(wǎng)格的尺度為0.003 mm，并保證生成網(wǎng)格的質(zhì)量滿足要求[3]。

圖1 可調(diào)靜子葉片F(xiàn)ig.1 Variable stator vane

為校準(zhǔn)CFD軟件的計(jì)算精度，同時(shí)分析、比較不同調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)性能的影響，共進(jìn)行了4種導(dǎo)葉間隙方案(如圖2所示)的計(jì)算分析。方案1不考慮進(jìn)口導(dǎo)葉間隙；方案2考慮小旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)設(shè)計(jì)間隙(該尺寸為試驗(yàn)壓氣機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)尺寸)，該旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)前后間隙的弦向長度都比較大；方案3考慮大旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)間隙，由于旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)直徑變大，凸臺(tái)前后間隙的弦向長度都有明顯的減小；方案4是在大旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)的基礎(chǔ)上將葉片轉(zhuǎn)軸適當(dāng)前移，使得旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)正好包覆葉片前緣，該設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是凸臺(tái)前間隙消除，凸臺(tái)后間隙弦向長度有所增加。其中，方案1、2著眼于比較不同間隙計(jì)算處理對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，以及通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比來校準(zhǔn)計(jì)算的精度；方案3分析凸臺(tái)大小對(duì)壓氣機(jī)性能的影響；方案4著眼于驗(yàn)證優(yōu)化間隙設(shè)計(jì)的實(shí)際效果。

3 三維仿真計(jì)算

三維計(jì)算采用Numeca的CFD軟件包FINE/Tur?bo。計(jì)算模式選用定常模式，利用Spalart-Allmaras湍流模型下的三維粘性湍流Navier-Stokes方程求解。轉(zhuǎn)、靜子交接面邊界設(shè)定使用基于線性歐拉方程特性分析的一維無反射邊界條件。

網(wǎng)格規(guī)模約為580萬，3層多重網(wǎng)格，Yplus值約為8，滿足湍流模型要求。計(jì)算邊界條件采用進(jìn)口為總溫、總壓，出口為靜壓的設(shè)定方法。計(jì)算收斂判定標(biāo)準(zhǔn)：進(jìn)出口界面流量保持恒定或進(jìn)出口流量差在1%以內(nèi)，且計(jì)算殘差水平保持穩(wěn)定。在非設(shè)計(jì)點(diǎn)特性計(jì)算中，近喘點(diǎn)進(jìn)出口流量差最大達(dá)到1.9%。喘點(diǎn)判定方法：按每次500 Pa的增量增加出口靜壓，直到計(jì)算發(fā)散，將發(fā)散前的一點(diǎn)作為喘點(diǎn)[4，5]。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

圖2 間隙方案示意圖Fig.2 Clearance configurations

方案1與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比(見圖3)表明，該方案的數(shù)值分析具有較高的計(jì)算精度。方案1的計(jì)算流量較試驗(yàn)值約大1.8%，最高效率和試驗(yàn)值大致相當(dāng)，堵點(diǎn)和喘點(diǎn)的效率比試驗(yàn)值誤差略大，其中堵點(diǎn)高1.7%，喘點(diǎn)高1.3%。計(jì)算壓比裕度為21.5%，試驗(yàn)壓比裕度24.2%。總體上看，利用CFD軟件，可較為準(zhǔn)確地模擬該壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的性能，滿足工程計(jì)算分析的精度要求。

方案2的計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果間的差異進(jìn)一步縮小，計(jì)算流量與試驗(yàn)流量差縮小到約1.0%，計(jì)算最高效率同試驗(yàn)最高效率更為接近，堵點(diǎn)、喘點(diǎn)效率差分別縮小到1.2%和0.6%。

圖3 各方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of CFD result

方案2和方案1計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明：考慮靜子根尖間隙后，由于間隙的存在使得間隙附近的流動(dòng)分離加劇。本例中，在相關(guān)位置出現(xiàn)了脫離葉片表面的分離泡(圖4)，間隙的引入對(duì)整機(jī)性能影響明顯，計(jì)算流量減小0.8%，除最高效率基本保持不變外，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速特性線上的效率最大降低0.7%，喘點(diǎn)壓比略有提高。對(duì)于以上計(jì)算結(jié)果，可從以下兩方面進(jìn)行分析，一方面，不考慮靜葉間隙，使得導(dǎo)向葉片的葉型損失偏小，從而在一定程度上造成方案1的計(jì)算效率比方案2的高；另一方面，不考慮靜葉間隙，使得葉片根、尖端壁區(qū)沒有由間隙形成的堵塞效應(yīng)，第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的當(dāng)?shù)亓髁肯禂?shù)減小。同時(shí)，由于導(dǎo)葉間隙的存在，使得氣流在葉片尾緣間隙出口形成額外的耗散渦(圖4)，導(dǎo)致第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)口氣流預(yù)旋減小。第一級(jí)轉(zhuǎn)子根部區(qū)域，由于粘性的影響，近內(nèi)流道壁面氣流軸向流速很小，從而造成氣流實(shí)際工作攻角很大。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉的預(yù)旋減小時(shí)，第一級(jí)轉(zhuǎn)子攻角會(huì)進(jìn)一步增大。轉(zhuǎn)子攻角增大的直接后果就是轉(zhuǎn)子分離加劇，槽道實(shí)際流通面積減少，即流量減少。方案2的喘點(diǎn)壓比點(diǎn)略高于方案1及方案2的流量比方案1的小都印證了這一判斷。

方案3的結(jié)果表明，由于大旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)的使用，靜

圖4 導(dǎo)葉0.5%葉高馬赫數(shù)等值線圖Fig.4 Mach number isolines at 0.5%span of guide vane

葉根尖間隙渦的產(chǎn)生和剝離都要早于方案2，間隙流的發(fā)展和影響范圍明顯大于方案2，使得壓氣機(jī)的性能進(jìn)一步衰減。具體表現(xiàn)為，設(shè)計(jì)點(diǎn)性能和原始大小旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能相比，計(jì)算流量減小0.6%，效率降低0.3%。特性裕度方面，計(jì)算壓比裕度減小到18.5%，最高效率、壓比也略有降低。

方案4的計(jì)算性能明顯優(yōu)于方案2、3的性能，但與方案1相比，差異很小，只是計(jì)算流量略小了0.1%，計(jì)算效率、計(jì)算壓比裕度和計(jì)算最高效率幾乎都一樣。該方案葉片根、尖在凸臺(tái)前沒有間隙，旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)后有比試驗(yàn)壓氣機(jī)略長的間隙，但計(jì)算結(jié)果卻與不考慮靜子葉片間隙的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，這表明可調(diào)靜子葉片徑向間隙對(duì)壓氣機(jī)性能的影響主要由其旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)前的間隙造成，旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)后的間隙對(duì)性能的影響相對(duì)較小。方案3的低計(jì)算性能進(jìn)一步說明，凸臺(tái)前緣間隙的弦向長度(即凸臺(tái)弦向前緣距葉片前緣的距離)對(duì)性能的影響起主要作用。使用傳統(tǒng)的可調(diào)靜子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)的位置和大小存在一個(gè)優(yōu)化選取的問題。使用旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)遮蓋葉片消除靜子前緣間隙的設(shè)計(jì)，可有效控制甚至消除靜子間隙對(duì)壓氣機(jī)性能的影響。

5 結(jié)論

(1)可調(diào)靜子根尖徑向間隙的存在會(huì)使壓氣機(jī)性能發(fā)生一定的衰減，高精度的CFD模擬分析中應(yīng)考慮該間隙結(jié)構(gòu)，以提高CFD分析的精度。

(2)傳統(tǒng)可調(diào)靜子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)的位置及大小存在優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，調(diào)整旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)設(shè)計(jì)，可有效控制靜子間隙對(duì)壓氣機(jī)性能的衰減。

(3)使用旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)遮蓋葉片前緣的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效控制甚至消除靜子間隙對(duì)壓氣機(jī)性能的衰減，具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。

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Effects of Clearance between Casing and Variable Stator Vane on Axial Compressor Performance

JIANG Zhi-jun，LAN Fa-xiang
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Variable stator vanes are used for regulating the characters of multi-stage axial compressor.It should have additional clearance flows between vane and casing for rotating requirements.The effects of clear?ance between casing and variable stator vane on multi-stage axial compressor performance are investigated by employing the CFD software.The relevant 3D viscous flow calculations show that the influence of clearance be?tween casing and variable stator vane can’t be neglected in precise CFD analysis.And the influence can be weakened by optimum design of stator rotating shafts.

axial compressor；variable stator；CFD；clearance；HPC

V231.3

A

1672-2620(2012)02-0021-03

2011-05-18；

2012-02-23

蔣志軍(1980-)，男，四川安岳人，高級(jí)工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作。