叶顶间隙变化对压气机性能影响的研究

Internal Combustion Engine & Parts• 23 •叶顶间隙变化对压气机性能影响的研究刘瀚®;吴廉巍于;赵文强盂(①驻广州四二七厂军事代表室，广州510260;②驻武汉七0—所军事代表室，武汉430032;③海军装备部驻武汉地区军事代表局综合计划处，武汉430032)摘要:叶顶间隙变化会对压气机性能产生影响。

本文应用NUMECA软件建立了 1.5级轴流压气机模型，模拟盐雾腐蚀导致压气机叶顶间隙增大，提出平间隙、斜间隙两种间隙变化方案，通过改变间隙、转速和出口背压实现变工况，计算得到不同工况下压气机的 各项性能参数。

分析间隙变化前后压气机的总体性能变化以及流场变化情况。

总体性能里包括流量、效率、压比、轴向力、扭矩和喘振 裕度等，流场中性能参数的分布包括相对速度、熵、目对总压损失系数、目对马赫数、静压等。

通过本文较为详细的论述，得到间隙变化 对压气机各项性能的影响规律。

Abstract：Tip clearance changes can impact the compressor perfor^nance.This paper uses NUMECA software to establish a model of 1.5 stage axial compressor,simulating how the salt mist corrosion causes tip clearance of the air compressor increasing,and puts for^-ard two kinds of clearance variation scheme,that is flat tip clearance and oblique tip clearance.Through changing clearance,speed and outlet pressure to realize various conditions and to calculate perfor^mance parameters under different working conditions of the compressor.Analyze the overall performance and the flow field changes before and after the clearance change.Overall performance includes mass flow, efficiency,pressure ratio,axial thrust,torque,surge margin and so on,the distribution of performance parameters in the flow field includes the relative velocity,entropy,relative to the total pressure loss coefficient,relative Maher number,static pressure and so on.Through the specific analysis,influence of clearance change on compressor performance was obtained.关键词：轴流压气机;叶顶间隙；斜间隙；性能影响Key words:axial compressors;tip clearance;oblique tip clearance;the performance impact〇引言下可压缩的粘性流动，忽略质量力有压气机叶顶间隙，包括转子叶片的叶顶与机匣之间的 间隙，以及静子叶片的叶顶与轮毂之间的间隙。

在设计压 气机的过程中，叶顶间隙是必需存在的，如果没有间隙，压 气机转子是无法转动的，因此需要给定一个初始间隙值，一般以叶高或者弦长作比，约为1%大小[2]。

在之后的使用 过程中，间隙随着磨损、腐蚀而不断扩大。

燃气轮机在一些 特殊场合下使用一比如船舶燃气轮机，会吸入富含水分 和盐分的空气，空气中的盐分会附着在叶片上并腐蚀叶 片，导致叶片表面粗槌度变化以及叶顶间隙增大，影响压 气机性能。

叶顶间隙增加1%叶高，压气机流量减少约 1%，效率减小约1.3%[3]。

因此，研究叶顶间隙变化对压气 机性能的影响规律，在压气机的设计、优化、故障诊断及维 修过程中均具有重要的作用。

本文应用NUMECA系列软件对1.5级压气机进行数5 = cv I n—- + conste=c'T=b^守恒型的质量、动量和能量方程为^+ V-(/t v)=0-^-(pv)+v•(pvv)=v•(-/?/+ r)(1)(2)(3)(4)其中，I={5i}为单位张量;丐={子]为粘性应力张量，对于 牛顿流体有：(6)值模拟，提供平间隙、斜间隙两种间隙变化方案，通过改变 间隙、转速、背压值实现变工况，得到叶顶间隙变化前后压 气机的总体性能以及流场参数分布的不同模拟结果。

1数值模拟方法在数值模拟计算中，采用商用软件ANASYS FLUENT，利用分离式求解器和有限体积法对控制方程进 行求解。

压气机通道中的流动为湍流，采用带有标准壁面 函数的k-着模型。

利用SIMPLE算法，同时通过控制各变 量的收敛精度为10-6,以满足计算要求。

1.1控制方程根据压气机流场的气动特性，可以将其视为定常状态作者简介：刘瀚（1986-)男，湖北鄂州人，硕士，工程师，研究方向 为动力工程。

夺二&;/为热流矢量，假设流体遵从Fourier传热定律，则有：q= K V-T(7)而五=e+ 为单位质量流体的总能量，e为单位质量流量流体的内能。

这也即是忽略质量力的可压缩粘性气体的Navier- Stokes方程。

对于可压缩气体，联系密度与压力（静压力）的状态方程也应为控制方程的一个组成部分，于是有：(8)式中：p为密度；歹为速度矢量;P为压力；6为单位质 量的内能;K为热传导系数;T为温度；为动力粘性系数。

• 24 •内燃机与配件以上参数中的粘性系数滋是随温度T的变化而变化的，其取值利用工程上常用的苏式兰公式来得到：m(t)(T^2{T^T s)"0u(r+7；)(9)式中：T〇=293.m K;Ts为Sutherland常数，对空气取TS=110.555K;滋。

是温度为T。

条件下的空气粘性系数，取1.716e-5Pa*s〇1.2湍流模型采用加强型壁面函数的k-着模型。

其中k为湍动能，为湍动耗散率。

在文献[28]中可知，表示湍动耗散率的着被定义为湍动粘度1^可表示成k和e的函数，即:(10)(11)其中，C滋为经验常数，稍后给出。

在标准k-着方程中，k和e是两个基本未知量，与之相对应的输运方程为：图1压气机单通道三维视图(12)(13)其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产 生项，U是由于浮力引起的湍动能k的产生项，Y m代表可 压湍流中脉动扩张的贡献，Ck、C2着和C&为经验常数，d k 和滓着分别是与湍动能k和耗散率着对应的Prandtl数，S k 和Se是用户定义的源项。

根据Launder等的推荐值及后来 的实验验证，模型常数C&C2着、C滋、滓14、滓着的取值为：C1着=1.44,C2着=1.92,C滋=0.09,dk=1.0,滓着=1.3在使用各种k-着模型对湍流进行计算时，需要给定进 □边界上k和着的估算值。

目前没有理论上的精确计算这 两个参数的公式，下面给定近似公式来估算[28]：式中，Urf是进□处的平均速度，特征长度L可按等效 管径计算，本文中取水力直径代替。

Tt为湍动强度，取湍流 充分发展时的对应值0.05。

2前处理2.1模型建立及网格划分本文研究的是1.5级压气机，包括进□导叶、动叶、静叶三组叶片，模型选取单通道或者全通道对于不同叶顶间 隙条件下的数值模拟结果没有影响，况且选择单通道模型 可以画更多的网格提高计算精度，总体的网格数量还会小 于全通道模型，考虑到计算量以及对计算精度的要求，本文选取单通道模型。

图1和图2分别为压气机单通道的三 维视图和子午面视图。

在AutoGrid软件中依次导入导叶、动叶、静叶的数据文件，进行网格划分，图3为划分后的压气机hub面网格 截图，图4为动叶前缘网格局部放大图。

图3 1.5级压气机hub面网图4动叶hub面叶片前缘网格2.2 边界条件进出□及固壁面边界条件给定如下：进□:轴向进气，给定总温、总压，进□总温为303K，进□总压为100825Pa，进□湍动能k取59.74m2/s2,湍流耗 散率e=2320.945m2/s3。

出□:平均压力出□，通过改变出口 背压来获得不同工况。

固壁面：粗糙壁面，给定动叶表面等 效粗糙度k0=ks/30=10-7。

转速：静叶与机匣转速取为。

，轮毂和动叶转速取9515rpm。

2.3模型验证Internal Combustion Engine & Parts• 25 •在FineTurho软件中导入网格文件并输入设计工况下各参数，进行一次完整的数值计算，计算结果如表1所示。

表1设计值与模拟值的比较效率压比设计值0.87 1.1738模拟值0.8728 1.195误差0.32%' 1.8%由表1可以看出，模拟值和设计值相比，效率和压比的误差分别为0.32%和1.8%，在误差允许范围内，表明所建立的模型是正确的。

3数值模拟结果及分析3.1平间隙变化对压气机总体性能的影响3.1.1平间隙变化对流量的影响平间隙是指叶片由前缘到后缘的间隙值相等，叶顶间隙平面平行于周向的间隙形式，在设计工况下的初始间隙为1%的动叶弦长(0.36mm)，即为平间隙。

字母c表示动叶弦长。

图5质量流量平均衰退量变化曲线观察表2以及图5可以发现，同一间隙不同转速下，压气机流量衰退量变化曲线基本平稳，低转速下衰退量相对更大；而在同一转速下，等差分布的间隙值对应的衰退量也大致呈等差分布，计算出各行公差，列于表中。

即叶顶间隙每增大1%弦长，100%转速下流量减小约0.33%，0%转速下减少约0.37%，80%转速下减少约0.40%，70%转速下减少约0.46%，程度递增。

3.1.2平间隙变化对效率和压比的影响观察图14~图15可以发现，效率衰退曲线基本平稳，而压比衰退曲线有上升趋势。

在同一转速下，效率、压比衰 退值近似呈等差排列，叶顶间隙每增大1%弦长，100%转速下效率减少约0.46%，90%转速下减少约0.51%，80%转速下减少约0.53%，70%转速下减少约0.57%，程度递增。