叶顶间隙大小对轴流压缩机气动性能的影响 陈鹃、舒信伟、 顾恒庆 上海电气鼓风机厂有限公司 出于制造成本和运行安全性等因素考虑，通常在轴流压缩机叶片顶部与机壳面之间留有一定的间隙，该间隙即常称为叶顶间隙。在轴流压缩机中，叶顶间隙的变化对其内部的流动结构、能量输运和掺混、做功能力和损失，以及噪声和稳定工况范围等都有重要的影响。叶顶间隙的存在使得叶片近机壳侧出现泄漏流、二次流和间隙涡等复杂流动现象，及其发展与主流的干涉掺混直接影响到整个压缩机内部流场结构和气动性能，特别是对压缩机的流量、压比、效率和喘振裕度等有至关重要的影响。充分认识叶顶间隙区的流动情况将有助于改善压缩机的性能，扩大压缩机稳定工作范围，降低机组气动噪音等。由于采用实验方法进行叶顶间隙大小对压缩机性能影响研究的实验成本很高且周期较长，本次计算采用数值求解时均Navier-Stokes方程的方法来研究叶顶间隙大小不同时轴流压缩机外特性曲线和内部流动结构情况，以期得到叶顶间隙大小对其气动性能和内部流场的影响规律。 1 研究对象 本次的研究对象是某动力系统中的压缩机。该压缩机为2级轴流型式，2排动叶+2排后导叶，考虑到结构的强度和刚度及对气动性能的影响等因素，在压缩机前后过渡段布置了机翼型撑筋。动叶叶片数为26片，后导叶分别为47片和51片，叶轮直径为5.24m。 考虑到该压缩机运行工况的温度范围很广（可能从90K变化到350K），转子和机壳在低温工况时将出现冷缩现象，因此动叶叶顶间隙大小的计算和选取是一个关系到压缩机运行安全性和气动性能的重要问题。以轮毂和机壳材质为九镍钢、叶片材质为碳纤维复合材料的条件进行了计算，同时结国外同类压缩机的实际使用间隙值，现初步设计阶段叶顶间隙比（叶顶间隙比定义为叶顶间隙大小与叶轮外径之比）取1.5‰。为研究不同叶顶间隙大小对其外特性曲线和内部流动结构的影响，分别对叶顶间隙比值为1.0‰和1.5‰两种情况、低温和常温两种工况进行了数值模拟和分析。图1给出了压缩机3D模型情况。
图1 压缩机3D模型图 2. 数值模拟方法、计算区域及边界条件 本次CFD计算介质选用实际气体模型，采用Spalart-Allmaras湍流模型封闭时均Navier-Stokes方程求解，全部采用结构化网格对计算区域进行空间离散，并采用多重网格、局部时间步长和残差光顺等技术以获得较快的收敛速度。计算收敛的标准为进出口质量相对误差下降到0.5%，总体残差降10-5，效率、压比和扭矩等曲线保持恒定。 本次CFD计算的计算区域包括2排动叶+2排后导叶及其前后延伸段等部分。为了生成质量较好的叶轮网格，将计算区域进行了分块处理。经过多次调整，计算网格的质量较好。考虑到计算精度和求解效率，采用结构化网格对整个流域进行划分，并对所有固体壁面附近的网格进行了加密处理。压缩机的网格节点数为3,802,532，图2给出了两级转子计算区域及各级计算网格情况。 进口边界条件为：给定总压、总温、绝对速度方向（轴向进气），出口边界条件为：给定静压，动静交界面采用混合平面法来处理数据传递。固体壁面条件的设置完全依照实际情况而定，即叶轮轮毂随叶片一起转动；后导叶和机壳部分为静止条件。此外，所有固体壁面均为无滑移、绝热壁面。
(a) 计算网格整体图
(b) 转子网格局部放大图 图2 压缩机转子计算网格图 3. 计算结果 针对本次设计的两级轴流压缩机，为研究不同叶顶间隙高度对压缩机气动性能的影响，分别对叶顶间隙比值为1.0‰和1.5‰两种情况、低温工况（总温为110K、总压为450kPa）和常温工况（总温为323K、总压为115kPa、）两种工况进行了数值模拟和分析，得到了该压缩机在两种不同叶顶间隙大小情况的气动性能。 图3-4分别对比了该轴流压缩机在低温工况和常温工况下，两种不同叶顶间隙情况的预期性能曲线。从图可以看出，随着叶顶间隙的减小，压缩机的总压比、气体功率和等熵效率的曲线在整个工况范围内总体呈向右上方移动的规律（在低温工况大流量区域出现性能曲线呈向左下方移动的现象），说明随着叶顶间隙的变小，总压比和效率总体呈增大的趋势；在小流量区域总压比和效率的差异要大于大流量区域，说明叶顶间隙大小对小流量区域的性能曲线影响较大，这可能是由于在小流量工况时叶顶间隙引起的泄漏流对主流的干涉程度相对较大引起的；另外，两种工况下压缩机叶顶间隙比值为1.0‰时其最小稳定流量都要小于常温工况，说明叶顶间隙的减小有利于增大压缩机的喘振裕度，拓展稳定运行工况范围。从数据来看，叶顶间隙比值为1.0‰时低温工况在中流量区域总压比、效率和功率比叶顶间隙比值为1.5‰时分别增大约0.27%、0.95和0.63%，常温工况分别增大约0.06%、0.12%和0.85%。 (a) 流量－总压比曲线 (b) 流量－气体功率曲线
(c) 流量－效率曲线 图3 低温工况不同叶顶间隙大小的压缩机气动性能比较 (a) 流量－总压比曲线 (b) 流量－气体功率曲线
(c) 流量－效率曲线 图4 常温工况不同叶顶间隙大小的压缩机气动性能比较 为了探究不同叶顶间隙时压缩机内部流动的差异，分别提取了上述两种叶顶间隙大小情况时中等流量工况点上50%叶高、90%叶高、95%叶高和98%叶高等四个不同叶高跨叶片截面上的流动情况。图5-12给出了该压缩机在低温工况下上述两种不同叶顶间隙大小情况时四个不同叶高截面上的相对Ma数和熵的分布情况。通过对比可以看出，叶顶间隙对压缩机内部流动的影响随着叶高位置的上升逐渐明显，如在90%叶高截面上影响不明显，在95%叶高截面上影响已经显现，而在98%叶高截面上影响显著，由叶顶间隙引起的泄漏流和主流的掺混使叶顶附近流动区域变得非常复杂，对流场结构的干涉强烈，导致该处的流场结构恶化和流动损失增大。另外，不同叶顶间隙比大小对于压缩机流道中相同叶高处流场结构影响的差异也呈随着叶高位置的上升而增大的趋势。如在50%叶高截面上，两种不同大小叶顶间隙方案的相对Ma分布和熵分布的差异较小，在90%叶高截面上影响已经较为明显，而在98%叶高截面上，叶顶间隙泄漏流和主流的掺混强烈，叶顶附近流动区域变得非常复杂，叶顶间隙涡轨迹沿着流向更靠近相邻叶片的压力面，这是因为泄漏涡增强和影响范围明显增大所致，从而导致流动损失增大，同时由于动叶流道中流场的的扭曲导致后后导叶中流场结构的非均匀性也变大，这些变化从相对Ma数分布和熵分布云图中可以明显可以看出（叶顶间隙比为1.5‰方案的熵值明显大于叶顶间隙比为1.5‰方案对应值）。常温工况的叶顶间隙大小对压缩机性能的影响与低温工况类似，限于篇幅未列出。 综合考虑运行安全性、气动性能方面和拆装要求等因素，应当适当降低动叶叶顶间隙比值，以期提高压缩机的气动性能。 (a) 相对Ma数分布 (b) 熵分布 图5 叶顶间隙比为1.0‰时50%叶高处跨叶片截面上相对Ma数和熵分布情况 (a) 相对Ma数分布 (b) 熵分布 图6 叶顶间隙比为1.0‰时90%叶高处跨叶片截面上相对Ma数和熵分布情况 (a) 相对Ma数分布 (b) 熵分布 图7 叶顶间隙比为1.0‰时95%叶高处跨叶片截面上相对Ma数和熵分布情况
(a) 相对Ma数分布
(b) 熵分布 图8 叶顶间隙比为1.0‰时98%叶高处跨叶片截面上相对Ma数和熵分布情况 (a) 相对Ma数分布 (b) 熵分布 图9 叶顶间隙比为1.5‰时50%叶高处跨叶片截面上相对Ma数和熵分布情况 (a) 相对Ma数分布 (b) 熵分布 图10 叶顶间隙比为1.5‰时90%叶高处跨叶片截面上相对Ma数和熵分布情况 (a) 相对Ma数分布
(b) 熵分布 图11 叶顶间隙比为1.5‰时95%叶高处跨叶片截面上相对Ma数和熵分布情况 (a) 相对Ma数分布 (b) 熵分布 图12 叶顶间隙比为1.5‰时98%叶高处跨叶片截面上相对Ma数和熵分布情况 4 结论 (1) 压缩机低温工况和常温工况的压比和效率随着叶顶间隙的增大整体呈下降趋势，且对小流量工况性能的影响大于其他工况； (2) 随着间隙的增加，叶顶间隙泄漏涡增强和影响范围明显增大，泄漏流对主流的干涉使流道中流场结构恶化和流动损失增大； (3) 综合考虑压缩机气动性能要求、运行安全性和拆装要求等，应当适当降低叶顶间隙比值，以提高压缩机的气动性能。 |
