叶尖间隙流动对某微小型离心压气机性能的影响
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。
级环境下叶轮前缘倾角对离心压气机性能的影响
Ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｆ Ｌｅ ａ ｄ ｉ ｎｇ Ｅｄ ｇ ｅ Ａｎｇ ｌ ｅ ｏ ｆ Ｉ ｍｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｏ ｎ Ｃｅ ｎｔ ｒ ｉ ｆ ｕｇ ａ ｌ
Ｃｏ ｍｐｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ Ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｉ ｎ Ｍ ｕｌ ｔ ｉ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ Ｅｎｖ ｉ ｒ ｏ ｎｍｅ ｎ ｔ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ： Ｎｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ａ ｍａ ｉｎｅ ｒ ｃ ｅ ｎ ｔ ｉｆ ｒ ｕ ｇ ａ ｌ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ｉ ｎ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ｗａ ｓ ｃ ａ ｒ ｉｅ ｒ ｄ ｏ ｕ ｔ ． Ｔｈ ｅ
ｃ ｒ ｙ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ［ Ｒ］ ． Ｉ Ｍ ｅ ｅ ｈ Ｅ ， １ ９ ９ ８ ．
［ ４ ］ 杨策， 马朝 臣， 王航． 离心压气 机的初步设 计及其优 化 方 法［ Ｊ ］ ． 内燃机学报 ， ２ ０ ０ １ ， １ ９ （ ５ ） ： ４ ５ ４ — ４ ５ ８ ． ［ ５ ］ 卢 纪富 ， 魏新利 ， 李杨 ． 轴流前弯 叶轮 叶顶 流场特征分 析［ Ｊ ］ ． 流体机械 ， ２ ０ １ ０， ３ ８ （ ６ ） ： ６ — １ ０ ． ［ ６ ］ Ｚ Ａ Ｎ Ｇ Ｅ Ｎ Ｅ Ｈ Ｍ． Ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｃ ｒ ｉ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｆ ｏ ｒ Ｓ ｕ ｐ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ Ｆ ｌ ｏ ｗ ｉ ｎ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｉ ｒ ｆ ｕ ｇ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｍ ｉ ｘ ｅ ｄ Ｆ ｌ ｏ ｗ Ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ｓ ［ Ｒ ］ ．
叶顶间隙对离心压气机的多工况性能影响
叶顶间隙对离心压气机的多工况性能影响张晋东;赵永胜;魏学行;李维;姚旭运;赵文舒【摘要】In order to explore the influence of different tip clearance on the performance of the compressor ,the numerical simulation of the model of four kinds of semi open centrifugal com‐pressor with different tip clearance was carried out by using the Fluent software .The results show that with the increase of the tip clearance ,the pressure ratio and efficiency have different degrees of decline ,and with the increase of the speed ,the downward trend is more obvious ,but in a small clearance range ,the stable range and the stall flow point has been improved . At the same tip clearance ,with the decrease of mass flow ,there appears obvious flow separation phe‐nomenon arround the impller blades and obvious reflux in t he channel .At the same time ,the nu‐merical simulation and the experimental results are in good agreement ,w hich verifies the accura‐cy of the calculation method ,and provides a guiding significance for the engineering practice .%为研究多工况下不同叶顶间隙尺寸压气机的性能差异及规律，运用Fluent软件对4种不同间隙尺寸的半开式离心压气机模型进行了数值模拟计算和比较分析。
航空发动机叶片间隙对性能影响的数值模拟分析
航空发动机叶片间隙对性能影响的数值模拟分析航空发动机作为现代飞行器的核心动力装置，其性能的稳定和高效对于航空安全和经济发展至关重要。
在发动机的各个组件中，叶片是决定其性能的重要因素之一。
而叶片间隙作为影响叶片性能的关键参数，对发动机的工作效率和寿命有着重要影响。
本文将通过数值模拟的方法，对航空发动机叶片间隙对性能的影响进行分析。
首先，我们需要了解航空发动机叶片间隙的定义和作用。
叶片间隙是指叶片与相邻部件之间的距离，它的大小直接影响着叶片的工作状态和流体动力性能。
叶片间隙的存在可以保证叶片能够自由地旋转，并且在高温和高压的工作环境下，减少叶片与相邻部件之间的磨擦和热传导，提高叶片的工作效率和寿命。
接下来，我们将使用数值模拟的方法对叶片间隙对性能的影响进行分析。
数值模拟是通过建立数学模型，利用计算机进行求解的方法，可以快速准确地模拟流体动力学过程。
我们将选择一种常见的航空发动机叶片类型，建立其几何模型和流体动力学模型。
然后，在不同叶片间隙条件下，利用计算流体力学软件进行数值模拟，得到叶片的流场分布、叶片表面温度和压力变化等关键数据。
基于所获得的数值模拟结果，我们将进行性能分析。
首先，我们可以分析不同叶片间隙条件下的流动特性。
通过比较不同间隙条件下的叶片表面压力分布和流动轮廓，我们可以了解叶片间隙对流动分离、湍流和压力反转等现象的影响。
其次，我们还可以分析叶片间隙对发动机效率的影响。
通过计算不同间隙条件下的总压比、总温升和压缩机效率等指标，我们可以得出叶片间隙对发动机性能的具体影响。
最后，我们还可以分析叶片间隙对叶片表面温度的影响。
通过计算不同间隙条件下的叶片表面温度分布，我们可以了解叶片间隙对冷却效果的影响，进而得出叶片间隙对叶片寿命的影响。
基于以上分析，我们可以得出以下结论。
首先，适当的叶片间隙可以优化叶片的流动特性，减小流动分离和湍流等不利现象，提高叶片的工作效率。
其次，适当的叶片间隙可以降低叶片表面温度，提高叶片的寿命。
离心式压缩机效率降低的原因分析及防控策略
离心式压缩机效率降低的原因分析及防控策略摘要：离心式压缩机在实际工作过程中，其运行效率直接关系到生产的正常进行。
文章针对当前离心式压缩机出力下降的问题展开了分析，探讨了出现这种状况的原因，并结合实际工况提出了针对性的解决对策，旨在给行业工作人员提供一些有益参考。
关键词：离心式压缩机；叶轮磨损；叶顶间隙；进气品质；激光熔敷离心式压缩机是现代工业生产中非常关键的设备之一，在工业生产领域的运用非常广泛。
在离心式压缩机运行中，只有其运行状态稳定，才可以更好的保障生产正常进行与企业整体效益。
然而，离心式压缩机在实际使用过程中，经常会出现处理下降现象，对正常生产造成阻碍。
因此，相关工作人员必须要重视对离心式压缩机效率降低状况的关注。
1 机组效率降低的原因分析1.1 偏离设计的影响1.1.1 叶轮与扩压器的磨损离心机原理是空气从轴向进入，在叶轮里受到强大的离心力作用，从而获得很大的出口速度，出口速度可以达到大约350-400m/s，根据新设计的后弯三元流叶轮，其流量是由叶轮进口端尺寸决定的，进气端的磨损将直接影响机组出力效率，高则影响效率高达15%以上。
根据空压机设计理论，叶轮出口的气体高速进入扩压器后速度将降低，气体动能转化为压力能，所以叶轮出口直径和扩压器完好度将影响压力，严重时机组出力将达不到生产需求，导致机组喘振或被迫停机。
1.1.2 叶顶间隙的漏气损失压缩机的动叶顶端存在叶顶间隙，间隙内的流动十分复杂，作为叶片顶端的主要流动，它对压气机的工作效率、系统性能和稳定性存在巨大的影响，通过分析研究表明，随叶顶间隙的减少，压缩机的压比及效率均呈上升趋势。
主要原因为由于叶片压力侧和吸入侧存在压差，流体穿过叶顶间隙形成泄露流动，并在通道内形成漩涡流动，与主流流体相互影响从而导致熵的增加，进而影响压缩机的效率。
1.2 进气量的影响流量减小到某个数值时，运行工况也会发生变化并偏离了设计工况，这时进入到流道的气流运动方向就发生了改变，气流冲击叶片的工作面，在叶片非工作面的前缘部分，产生了较大的局部扩压度，于是在叶片非工作面上出现了气流边界层分离现象并形成漩涡区，并向叶轮出口处逐渐扩大，气量如果越小，则分离现象则会更严重，气流分离区域也就变得越大。
用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响.
用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响张元兴楚武利/西北工业大学能源动力学院摘要：采用商用软件NUMECAL中FINE/TURBO模块对低速大尺度离心压缩机(LSCC)在不同间隙条件下的内部流场进行了数值模拟。
给出了压缩机叶轮出口处的通流速度分布以及不同截面二次流矢量、二次流流线等计算结果。
结果表明：叶顶间隙的大小与泄漏流动的强度和通道内的尾迹区位置分布密切相关，泄漏流动与通道涡的相互作用严重影响了通道内的流场分布。
关键词：离心式压缩机泄漏流动叶顶间隙中图分类号：TH452 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2007）02-0009-04Application of CFD Researching on the Influence of Top Blade Clearance on Inner Flow Field of Centrifugal CompressorAbstract: The Fine/Turbo module in NUMECAL commercial software is applicated to numerical simulate the inner flow field of Low-Speed Large-Scale centrifugal compressor with different clearance. The speed distribution of passage flow on the exit of compressor impeller and calculate results of quadric flow vector and quadric flow streamline with different sections are given. the results shows: The scale of top blade clearance is closely relative to the strength of leakage flow and distribution of tail trace position in passage, the leakage flow and passage vortex interaction has seriously affected the flow field distribution of inner passage.Key word: Centrifugal Compressor Leakage flow Top blade clearance0 引言在离心压缩机叶轮中，因为叶顶间隙的存在，叶顶间隙泄漏就不可避免。
离心压气机设计
离心压气机内损失特点
根据上面的分析得出的结论，在叶轮旋转速度和焓变相同情况 下，径流式叶轮机械相对速度的变化小于相应轴流式叶轮机械 相对速度的变化。
由这样的结论我们或许推断出径流式叶轮机械比相应的轴流式 叶轮机械的效率更高一些，而实际上径流式叶轮机械的效率更 低一些。
这种矛盾主要是由于径流式叶轮机械通道形状比较复杂造成的， 工质在径流式叶轮机械内部流动时要流过90 弯曲通道，其哥氏 力的方向近似沿周向方向(轴流式叶轮机械哥氏力方向近似沿径 向)，这就产生比轴流式叶轮机械中更加强烈的二次流动。
各种损失模型 离心压气机内主要损失：叶型损失、端壁损失、泄漏损失 在很多情况下，这三种损失大小基本相当，每一种损失大约占总损失的三分之一。
叶片表面摩擦损失 叶片载荷损失
叶片尾迹混合损失 轮盘摩擦损失
有叶扩压器内损失 扩压器出口损失 泄漏损失
初步设计中的性能分析
初步设计最开始是以设计点进行的，必须要使用分析模式对非 设计点的性能进行预测。因此需要使用分析程序获得压气机的 性能。
叶片剖面的设计
使用Bezier曲线可以对叶片形状进行描述，这种方法非常灵活。 通过端点的相邻点就可以对端点处的斜率进行控制。在一个交 互性较好的系统上可以非常容易地确定轮缘和轮毂形状以及叶 片形状。
叶片中线上环量rC 分布方式分析
rC 沿s分布规律可以有多种形式，它可以是线性变化，也可以 是非线性变化；可以是单段曲线，也可以是分段曲线。对于非 线性变化，可以为二次曲线分布，也可以为三次曲线分布。
叶片设计
叶轮叶片设计过程中包含一系列气动上的选择和避免出现一些问 题，包括：
• 对叶片角在子午面上的分布进行选择 • 对叶片通道内平均相对马赫数的分布进行选择 • 设计的叶轮要满足轮毂轮缘处所要求的气动载荷 • 避免叶片槽道内出现局部气动分离，尤其要尽量避免轮缘处出
微量叶尖喷气对压气机稳定性的影响
扩 稳效果 ［ ］ ０ ７年 ， 黎世 叶 轮机 械实 验 室 的 ３ 。２ ０ 苏 Ｃ ｓｉａ等人 ［对 一 台单 级低 速轴 流压气 机上 转 子 ａｓ ｎ ３ 上 游叶尖 喷射进 行 了全三维 的数值模 拟 ， 发现 相对 于 完全 的环 向喷射 ， 散 的喷射所 带来 的扩稳效 果 分 更 好 ， 且存 在 一个 最 优 的 喷嘴 尺 寸和 喷射 角 度 ； 并 ２０ ０ ８年 ， 度 Ｒ ｙ等人 ［ 在一 台低 速轴 流 风 扇 转 印 ｏ ４ 子 上游 和转 子 叶 弦 中部处 叶尖喷 射 进行 了实验 研 究， 同样 发 现在 风扇 进 口进 行 分 散 喷 射 的 效 果 更 好 ， 在 转子 上 游 进 行 喷射 的效 果 更好 ； ０ ９年 ， 且 ２０
稳 定性 ，近年来 最 常用 的两种 提高 风扇 ／ 压气机 稳
定 裕度 的方法 是机 匣处理 和微 射 流 。 匣处理 是对 机 机 匣进 行永久 性处理 ， 因而 它会在 压气机 任意 工况 下使机 匣处理 中流 体和 主流 区产 生相互 干扰 ； 而空 气 喷射 装置 只在机 匣壁 面处布置 少量 的喷 嘴 ， 不使
为 １ 。 ０Ｓ
游 静 压用 于计 算 流量 系 数 ； Ｂ Ｂ截 面 ， 对半 径 在 — 相 Ｒ一０ ９ 沿周 向均 布 了 ５个高 频响 的动 态总 压探 ．处
ｔ ｒ ｉｌ ａ ｒｅ ｕ ｈ ｏｒ ｅ ａ ｉ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｗｏ－ ｔ ｇ Ｏ ｓ ｅ ｄ ａ ａ ｏ ｈｅ ａ ｔｃ ｅｃ ｒ ｉｓ ｏ ｔｔ ｅ ｃ ｒ ｌ ｔｖ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈｅｔ ｓ ａ ｅ １ Ｗ ｐ ｅ ｘｉｌｃ ｍｐｒ ｓ ｏ ．Ｔｈｅｒ ｓ ｌ ｓ ｅｓｒ ｅ ｕ ｔｉ
释为将 叶尖泄漏 涡 向叶片下 游推 移 ， 而推 迟 了尖 从
叶顶间隙对压气机气动性能影响的数值研究
叶顶间隙对压气机气动性能影响的数值研究罗响午;余又红;李钰洁【摘要】叶顶间隙影响着轴流式压气机性能的提高,通过三维定常数值模拟计算研究了压气机动叶顶部间隙尺寸对其总体性能、间隙流场参数以及流场损失分布的影响.研究发现:间隙尺寸增大对压气机总体性能影响显著,间隙尺寸的增大改变了动叶叶栅通道上部的流场结构,并影响该区域熵增分布,随着间隙增大该区域熵增变大,间隙较大时,该区域熵增速度加快,同时间隙尺寸的增大导致下一排静叶的进气条件恶化,使得压气机整级做功能力下降.所得结论可为压气机叶顶间隙高度控制提供理论参考.【期刊名称】《热力透平》【年(卷),期】2015(044)001【总页数】5页(P62-66)【关键词】轴流压气机;数值模拟;间隙涡;熵增【作者】罗响午;余又红;李钰洁【作者单位】海军工程大学动力工程学院,武汉430033;海军工程大学动力工程学院,武汉430033;海军工程大学动力工程学院,武汉430033【正文语种】中文【中图分类】TH45压气机转子内部间隙流动和主流相比，承受着更为强烈的逆向压力，主流与泄漏流以及二次流之间的相互作用共同导致了压气机内部流动呈现出复杂的三维非定常特性［1］。
目前，国内外学者通过实验和数值模拟的方法开展了一系列针对压气机转子间隙的研究。
Inoue等［2］以低速轴流压气机孤立转子为研究对象，通过实验结合数值模拟的方法研究发现，叶顶间隙涡的形成区域对应机匣内壁面低压区，间隙涡运行轨迹对应机匣内壁面静压斜槽，随着叶顶间隙的增大，叶顶间隙涡强度增大，其形成位置向下游移动。
Lakshimirayana等［3］对某单级轴流压气机叶顶间隙进行的实验研究发现，叶顶间隙涡的形成不仅仅是由叶顶间隙流和主流的掺混造成的，而且受到进口湍流度、环壁边界层厚度、转速、安装角、间隙高度、雷诺数、马赫数、叶片载荷和厚度等因素的影响。
Howard等［4］研究了多级环境下叶顶间隙变化对压气机整级性能的影响，结果显示上游叶顶间隙流的强弱直接影响着下游静叶的压力损失分布和变化趋势。
压气机性影响因素研究
k −1
η∗
=
π∗ k T∗
outlet
T∗ inlet
−1 −1
级总压比为
（1）
喘阵裕度为
π∗
p ∗
outlet
=∗
p inlet
（2）
SM =（ π 喘点 × m设计点 −1）*100% （3） π 设计点 m喘点
采用设计转速下计算得出的压气机特 性数值与给定试验数值对比的方法验证所 建的模型的精度。采用的单级轴流式压气机 基本数据如下：
设计工作点为：转速为 16000(r/min),流 量为 20.05（kg/s）,效率为 0.828，压比为 2.04。 压气机特性曲线对比如图 1 所示。
2.05
2
1.95
0.85
效率
0.8
80%
90%
0.75
叶片洁净 叶片粗糙度增大
100%
0.7
16
17
18
19
20
21
流量（kg/s)
图 3 粗糙度对压气机效率的影响 Fig.3 The effect of roughness on the
compressor efficiency 从仿真结果可知，叶片表面粗糙度增大
0.5372 0.1288 0.4732
效率衰退量 0.0057 0.0209 0.0859
压比衰退量 0.0773 0.0572 0.0553
喘振裕度衰退
量
1.2250 2.8642 2.8905
3.2 叶顶间隙增大
叶顶间隙形态对离心压缩机整级气动性能的影响
漏流动研究 工作 的报 道 相对 较 少且 大部 分 集 中在
种不 同 叶顶 间隙形态 时 离心压 缩机 级全 工况 范 围 的气 动性 能 ， 与 假设 叶顶 无 间 隙时 的 级 气 动性 并 能进行 比较 ， 同时 对计 算 所 得 的流 动 场进 行相 关
分析 。
航 空和涡轮增 压领域 。实际上 ， 由于离 心式 叶轮机 械内部流动 的几何边界 和动力学 条件更 为复 杂 ， 在
ＦＬ Ｄ ＵＩ ＭＡＣＨＩ ＮＥＲＹ
Ｖｏ． ９， ． ２ １ １ ３ Ｎｏ ５， ０１
文章 编 号 ： １０ ０ ２ （ ０ １ ０ ０ ２ ｏ ０５— ３ ９ ２ １ ）５— ０ ０一 ６
叶顶 间隙 形态 对 离 心压 缩机 整级 气动 性 能的影 响
贺 利生 ， 宝军 。 刘 雷明洋
号转 子 内间隙 流动 的研 究 表 明 ， 然 泄 漏 流 动 的 虽 特 征 主要是无 粘 的 ， 机 匣 附近 的泄 漏 流 场仍 旧 但 是受 粘性 影 响 的 ｊ 。 文献 ［ ９ 对 ２ ０ ７～ ］ ０ ０年 以前世界上 叶轮机械 叶
的限制 ， 以及 现代 计算 机和 计算技 术 的发 展 ， 值 数
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ： Ｔｈ ｅ ３Ｄ ｉｃ ｕｓｆｏ ｉ ｉ ｉｆｒ ｎ ｉ ｌａ ａ ｃ ｈ ｐ ｓ ｏ ｅ ｔ ｆ ｇ ｌｃ ｍｐ ｅ ｓ ｒｓａ ｅ ｗａ ｔ ｄ ｅ ｙ ｎ ｍ ｅｉａ ｖｓ ｏ ｌ ｗ ｎ ｓｘ ｄｆｅ ｅ ｔｔ ｃｅ ｒ ｎ ｅ ｓ ａ ｅ ｆａ ｃ ｎｒ ｕ ａ ｏ ｒ ｓ ｏ ｔｇ ｓｓｕ ｉｄ ｂ ｕ ｒｃ ｐ ｉ ｌ ｓｍｕｌｔｏ ． Ｔｈｅ ｉｆｕｅ ｃ ｆｔｐ ｃｅ ｒ ｎｃ ｈａ ｅ ｎ ａ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｅ ｆｒ ｎｃ ｅ ｔ ｆ ａ ｏ ｉ ａｉ ｎ ｎ ｌ ｎ ｅ ｏ ｉ ｌ ａａ ｅ ｓ ｐ ｓｏ ｅ ｏ ｙ ａ ｃ ｐ ｒｏｍａ ｅｏ ｃ ｎ ｒ ｕｇ ｌｃ ｍｐｒｓ ｏ ｔｇ ｓａ ａｙ ｅ ｈ ｅ ｆ ｉ ｅ ｓ ｒｓａ ｅｗａ ｎ ｚ ｄ．Ｔ ｌ ｒ ｓ ｔ ｈｏ ｔ ａ ｎ ｃ ｍｐ ｒｓ ｎｗｉｈ ｎ ｉ ｌａ ａ ｅ，ｔ ｅ ｓａ ｅ ｐ ｅ ｓ ｅ ｒ ｔ ｅ ｕｌｓｓ ｗ ｈ ｔｉ ｏ ａ ｏ ｔ ｏ ｔｐ ｃｅ ｒ ｎｃ ｉ ｈ ｔｇ ｒ ｓｕｒ ａｉ ｏ，ｐ ｌ ｔｏ ｉ ｆ ｃｅ ｃ ｎｄ ｈ ａ ｏ ｆ ｃｅ ｔｈ ｖ ｅ ｏｙｒ ｐ ｃｅｆ ｉｎ ｙ ａ ｅ ｄ ｃ ｅ ｉｎ ａ ｅ ｄ — ｉ ｉ
转子叶尖间隙对高负荷压气机性能影响的数值计算和试验验证
收稿日期：2021-08-21基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：魏崃（1989），男，硕士，工程师。
引用格式：魏崃，尹松，郭海宁，等.转子叶尖间隙对高负荷压气机性能影响的数值计算和试验验证[J].航空发动机，2023，49（6）：14-18.WEI Lai ，YIN Song ，GUO Haining ，et al.Numerical calculation and experimental verification of rotor-tip-clearance effects on high-load compressor performance [J].Aeroengine ，2023，49（6）：14-18.航空发动机Aeroengine转子叶尖间隙对高负荷压气机性能影响的数值计算和试验验证魏崃，尹松，郭海宁，高山（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）摘要：为了研究高负荷压气机转子叶尖间隙对压气机性能的影响，采用数值模拟软件NUMECA 对某4级压气机和其中的1个典型级进行了不同间隙的计算。
计算结果表明：当间隙超过叶高的0.52%后，叶尖流场出现堵塞，喘点压比衰减速度开始加剧，直至5.24%性能衰减速度逐渐减弱；在多级环境中，4级压气机间隙增大叶高的0.5%，喘点压比降低了约0.6%～4.3%，间隙增大的叶排作功能力降低是压气机喘点总压比降低的主要原因，其中前2级间隙增大对总性能影响较大。
同时，通过4级压气机试验验证了间隙对性能的影响，验证结果表明：间隙增大叶高的0.78%后，4级压气机喘点压比和峰值效率分别降低了1.4%和0.4%，在65%～88%叶高时的压比和效率的性能衰减较为明显。
关键词：转子叶尖间隙；高负荷压气机；泄漏流；数值计算；试验验证；航空发动机中图分类号：V231.3文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2023.06.003Numerical Calculation and Experimental Verification of Rotor-tip-clearance Effectson High-Load Compressor PerformanceWEI Lai ，YIN Song ，GUO Hai-ning ，GAO Shan（AECC Shenyang Engine Research Institute ，Shenyang 110015，China ）Abstract ：In order to analyze the effect of rotor-tip-clearance on the performance of high-load compressors,simulations of a four-stage compressors and one typical stage with different clearance were calculated by NUMECA.The calculation results show that when clear⁃ance exceeds 0.52%span,tip flow blockage emerges,and the attenuation rate of the surge-point pressure ratio begins to intensify until the tip clearance reaches 5.24%span,the performance attenuation rate gradually weakens;In the multi-stage environment,with a 0.5%span tip clearance increase,the total pressure ratio reduces about 0.6%to 4.3%.The working capacity decrease of the blade row with increased clearance is the main reason for the decrease of the surge-point total pressure ratio,with the clearance increases of the first two stages hav⁃ing more significant impact on the overall performance.Meanwhile,the influence of the clearance on performance was verified by the four-stage compressor experiments.The verification results show that if the clearance increases 0.78%span,the surge-point total pressure ratio and peak efficiency of the four-stage compressor are reduced by 1.4%，0.4%respectively,with the performance degradation of the pressure ratio and efficiency more significant at 65%to 88%spanwise position of the blade.Key words ：rotor-tip-clearance;high-load compressor;leakage flow;numerical calculation;experimental verification;aeroengine0引言叶尖泄漏流通过与主流、端壁附面层、叶尖激波等相互作用，对压气机性能有较大影响。
转子叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能影响机理分析
收稿日期：2021-05-14作者简介：张成烽（1996），男，硕士。
引用格式：张成烽，张国臣，徐志晖，等.转子叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能影响机理分析[J].航空发动机，2023，49（3）：66-74.ZHANG Chengfeng ，ZHANG Guochen ，XU Zhihui ，et al.Analysis of effect mechanism of rotor tip clearance shapes on transonic axial compressor[J].Aeroengine ，2023，49（3）：66-74.转子叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能影响机理分析张成烽，张国臣，徐志晖，孙丹，刘鹏程（沈阳航空航天大学航空发动机学院，沈阳110136）摘要：为研究转子不同叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能的影响机理，分别对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化，并利用商业软件NUMECA 进行数值模拟。
结果表明：对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化后，压气机性能有较大提高，改型后0.204-0.408的各类间隙压气机性能优于0.408-0.204间隙的。
相比较平行间隙PTC 0.204-0.204，渐变式TTC 0.204-0.408和阶梯式STC 0.204-0.408的失速裕度分别提高1.12%和1.61%，峰值效率基本不变，同时近失速工况下的总压比和效率也略有提高。
叶尖泄漏涡得到抑制，间隙处的流体低速区明显减小，流动损失减小，流场得到较大改善。
转子通道的总压比在85%叶高处明显提高，分别提高了1.01%和3.13%。
阶梯式叶尖间隙压气机的静子通道40%叶高处总压损失系数减小达75.4%。
对平行式叶尖间隙进行改型处理能够有效提高压气机性能，且阶梯式叶尖间隙比渐变式的对压气机性能提高的效果更加显著。
关键词：叶尖间隙；叶尖泄漏流；转子；失速裕度；间隙形状；总压比；总压损失系数；跨声速轴流压气机中图分类号：V231.1文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.009Analysis of Effect Mechanism of Rotor Tip Clearance Shapes on Transonic Axial CompressorZHANG Cheng-feng ，ZHANG Guo-chen ，XU Zhi-hui ，SUN Dan ，LIU Peng-cheng （School of Aero Engine ，Shenyang Aerospace University ，Shenyang 110136，China ）Abstract ：In order to study the effects of different rotor tip clearance shapes on the performance of a transonic axial compressor,the Parallel Tip Clearances (PTC)were modified by Tapered Tip Clearances (TTC)or Stepped Tip Clearances (STC),and the commercial soft⁃ware NUMECA was used for numerical simulation.The results show that the performance of the modified compressor is significantly im⁃proved.After the modifications,the performance of the modified compressor with 0.204-0.408tip clearances is better than that with 0.408-0.204tip pared with the compressors with PTC 0.204-0.204,stall margins of the compressors with TTC 0.204-0.408and STC 0.204-0.408is increased by 1.12%and 1.61%,respectively,while the peak efficiencies remain essentially unchanged.In addition,the total pressure ratios and efficiencies also increase slightly under near-stall conditions.The tip leakage vortices are suppressed,and the tip low-speed flow areas are significantly reduced,resulting in reduced flow loss and greatly improved flow fields.The total pressure ratios at 85%span-height of the rotor passage increase significantly,and they increase by 1.01%and 3.13%respectively.The total pressure losscoefficient at 40%span-height of the stator passage with stepped blade tip clearances decreases by 75.4%.It can be seen that the modifica⁃tion of the parallel tip clearance can effectively improve the performance of the compressor,and the stepped shape has a more prominent ef⁃fect on the compressor performance than the tapered shape.Key words ：tip clearance;tip leakage flow;rotor;stall margin;clearance shapes;total pressure ratio;total pressure loss coefficient;transonic axial compressor航空发动机Aeroengine0引言压气机的内部流场复杂多变，尤其在转子叶尖间隙区域流动更为复杂，存在端壁附面层分离、叶片表面附面层分离、间隙泄漏涡、二次流和多次泄漏流等[1-2]。
离心压气机分流叶片长度对压气机性能影响数值研究
Vol. 38 No. 2Apr. 2 0 2 1第38卷第2期202 1年4月沈阳航空航天大学学报Journal of Shenyang Aerospace University文章编号：2095 - 1248(2021)02 -0019 -09离心压气机分流叶片长度对压气机性能影响数值研究张成烽"，,张国臣，徐志晖"，，皋天一"，,刘鹏程"，(沈阳航空航天大学"航空发动机学院,b.辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳120126)摘要：为了探究不同分流叶片长度对离心压气机的性能影响，利用商用计算流体力学软件NUMECA 对分别带有不同长度分流叶片的离心压气机流场进行数值模拟,得到了不同长度 的分流叶片对压气机性能及流场的影响。
结果表明：不同长度分流叶片的离心压气机的压 比、效率和质量流量的变化规律不同。
分流叶片能够延迟附面层分离,减少通道内低速区面积，降低叶轮尾缘压力载荷,提高流通能力，缓解通道内的堵塞，改善离心压气机的内部流场结构。
随着分流叶片长度的增加，压比曲线总体呈上升趋势。
但是分流叶片也不是越长越 好，较长分流叶片会引起严重的摩擦损失和流动损失,效率曲线总体呈下降趋势。
在所研究范围内，综合分析认为分流叶片长度为主流叶片0 4倍时，离心压气机通道内部流场结构最优越。
关键词：离心压气机;数值模拟;流场结构;分流叶片;叶片长度中图分类号：V461. 4文献标志码：Adoi : 12. 3665/j. issn. 2295 - 1228. 2041.04. 006Numerical analysis on the effects of splitter blade length on theperformance of cectrifugai campressprZHANG Cheng-feng"，,ZHANG Guo-chen"，,XU Zhi-hui"，,GAO Tian-yS ，,LIU Peng-cheng"，(a. College of Aero-cngine ,Shenyang Aerospace University ,Shenyang 119136,Chinn ；b. Liaoning KeyLaboratory of Advencen Measnoment and Test Techgology fos Aircraft Populsioo System ,Shenyang Aerospace University ,Shenyang 110136,Chinn)Abstrrct : In orOes to explore the effect oO differenO splittes bOd lengtOt co the performance oO centOf-uu "S ccmpressort , the 8X111^0)0 ccmputatiop"i fluif dyaamict snftwaro NUMECA wcs used to mimes-icallo simulate the flow fielf ot cenhifugci ccmpressort with splittes blabet ot differenS lengtho to oftaiv the effect of diffeont lenghi splittes bUne co ccmpressos performance and flow field. The resnlts stowO ic S the presspre ratit , efficiency ang mass flow rate of centrifuu"i ccmpossoo with differed Unyths of splittes bUdcs are different. The splittee blane can delny he senaratiog of the boundare layee , renuce thearee of the vertep low-speen zooc ,educe the loan op O c Oailing eSge of the impellea ,iycreaso the flow capacity beUevc the blochaye f the chanyei, bny improve the interoai flow fielO structure of he centOf-ucai compTessoe . As the Ongth of the splittee bOne iycreases, the pressure o O o curve —Brailo showp an upware Oend. But the splittef bOne f got as O po as possible. Longee splittefwilisertf收稿日期：2222 -12 -08基金项目：辽宁省教育厅基金一般项目(项目编号:JYT2022068)作者简介：张成烽(1996 -)，男，辽宁海城人，硕士研究生，主要研究方向：叶轮机械流动控制,E-maii ：l 125366653@ qq. cum ；徐志晖(1970 -)女，江苏南京人，副教授,主要研究方向：推进系统的流动与传热,E-mait : syiaexpzhalui@ qq. cum 。
不同叶尖间隙处理对轴流压气机性能的影响
不同叶尖间隙处理对轴流压气机性能的影响王立;朱铭敏;卢少鹏;滕金芳【摘要】Different tip clearance treatments were studied on a typical axial compressor by means of CFD simu-lation to improve efficiency and stability. An innovated slope trench tip gap was designed and implemented besides traditional trench and stepped tip gap. The results showed that there existed backflow regions near the head of both trench and stepped tip gap as well as in the midstream of rotor tip,in addition,higher entropy increment was wit-nessed upstream from the tail of stepped tip gap. The newly designed slope trench tip gap was able to eliminate the backflow regions near the head of the trench and stepped tip gap;optimum peak position of the slope trench dimin-ished the backflow region in the midstream of rotor tip and further reduced loss. Design efficiency improved by 0.12% and stall margin improved by 8.3% when the slope trench was implemented, whose depth was 0.2 mm, penetration depth of the rotor tip was 0,and peak position was 6% axial chord length downstream from the leading edge of rotor tip.%采用数值模拟方法,对一台典型轴流压气机级进行提升压气机效率和喘振裕度的叶尖间隙处理研究,除了采用斜沟槽和梯状间隙处理外,还设计了一种新颖的斜坡槽结构.研究表明:斜沟槽和梯状间隙在叶尖前端凸台附近和叶尖中部均分别存在一个回流区,其中梯状间隙对应的后台阶上游出现额外的高熵增区域;斜坡槽可以消除叶尖前端凸台处的回流区,对斜坡槽最高点轴向位置优化后可以减小叶尖中部回流区,进一步降低损失.当斜坡槽前端径向高度为0.2 mm,叶尖前缘与斜坡槽起点高度齐平,斜坡最高点后移至叶尖前缘下游6%叶尖轴向弦长位置时,压气机设计点效率较光壁原型上升了0.12%,喘振裕度提高了8.3%.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)005【总页数】4页(P319-322)【关键词】轴流压气机;叶尖间隙处理;效率;喘振裕度;流场【作者】王立;朱铭敏;卢少鹏;滕金芳【作者单位】上海交通大学航空航天学院,上海200240;上海交通大学航空航天学院,上海200240;上海交通大学航空航天学院,上海200240;上海交通大学航空航天学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】V231.3*通信作者简介：滕金芳( 1968—)，女，辽宁丹东人，研究员。
叶顶间隙和叶片表面粗糙度对离心压气机性能的影响
叶顶间隙和叶片表面粗糙度对离心压气机性能的影响
叶顶间隙和叶片表面粗糙度对离心压气机性能的影响
余继华1，张勇2a，崔世麒2b，王琳2a
【摘要】摘要：为充分研究叶顶间隙和叶片表面粗糙度对某型离心压气机工作性能的影响，文章分别对不同间隙和粗糙度情况下压气机的工况仿真计算，得到不同的特性线。
分析表明：叶顶间隙和粗糙度越大，增压比和效率越低，粗糙度由0.03mm减小到0.01mm，增压比大约提高了1.5%，工作效率大约提高了1%，叶顶间隙由0.6mm 减小到0.1mm，增压比大约提高了10%，工作效率提高了2.5%。
该研究结果对下一步的改进设计具有重要的参考价值。
【期刊名称】海军航空工程学院学报
【年(卷),期】2016(031)003
【总页数】5
【关键词】离心压气机；叶顶间隙；粗糙度
某型离心压气机正处于研仿阶段，和轴流叶轮相比，离心叶轮的叶片高度要小很多，尤其是叶轮出口处，再加上粘性作用强，雷诺数小，附面层相对厚度更大。
受加工、装配误差及叶轮结构强度等因素影响，相对叶尖间隙尺寸和叶片相对厚度明显增大，因而叶尖间隙泄漏流对叶轮性能的影响相比轴流叶轮更为显著［1-6］。
此外，该型压气机的实际工作环境非常恶劣，盐雾腐蚀、油渍等积垢沉积现象比较严重，这都会导致叶片的表面粗糙度增大，影响流道的流通能力，甚至降低压气机的工作性能。
以上2个因素在压气机研仿阶段必须充分考虑，才能更加准确地设计出所需要的压气机。
随着计算机技术的快速发展，利用CFD技术数值仿真压气机工作流场，不仅可以节省大量的人力物力，还能很大程度上缩短研制周期。
因此，该研究手段在压气机设计中得到越来越广泛。
叶尖射流对压气机稳定性影响研究
叶尖射流对压气机稳定性影响研究风扇/压气机内部气流流动的强增压过程决定了其具有气动失稳的特性，而作为发动机中的增压部件，其稳定性决定了发动机的稳定性。
为了满足当代飞机非常规机动、超声速巡航等指标，就需要增加发动机的推重比和降低其燃油率，这就要求风扇/压气机朝着更高的压比和更高的级负荷方向发展。
但这使要想保证其气动稳定性将显得更加困难。
因此，发展提高风扇/压气机稳定裕度的方法显得十分迫切，在这些方法中，喷射气流以其较强的扩稳能力、在需要时才施加到流场等特点越来越受到研究者的青睐。
如果要想使该方法得到有效地实施，就必须对压气机内部流场以及动态失速过程有着深入的了解。
为了探索轴流压气机内部流动失稳机理，为叶尖射流对压气机稳定性影响的实验研究做好准备，为喷射系统的整体布局提供必要的依据，本文以一台双级低速轴流压气机为实验对象，从压气机整体特性和级特性出现拐头现象出发，分析了第1级静子和第2级静子出口和通道内流场的流动现象和第1级转子叶尖泄漏流的变化发展，发现压气机失速与静子叶片吸力面附面层分离有着密切关系；并着重分析了该压气机的动态失速过程，发现它是由模态波扰动引起的失速，并且该扰动信号和随后出现的失速团都首先出现在第1级压气机的叶尖处。
综合以上因素，喷射系统应该布置在该压气机进口上游的外机匣上。
为了研究定常叶尖微射流对压气机稳定性的影响及其扩稳机理，本文加工了满足不同射流要求的喷嘴，搭建了一套定常喷射系统，在该双级低速压气机上验证了均匀进气条件下定常叶尖射流的有效性，为实际应用中喷射系统的布置以及射流参数设计提供指导性建议；在参数化研究结果的指导下，探索了叶尖射流提高压气机稳定裕度的机理，发现叶尖射流扩大压气机的稳定裕度是因为叶尖射流从频率、幅值和轴向结构三个方面抑制了模态波向失速团的发展，并在此基础上总结出了在叶尖射流作用下模态波沿压气机周向发展的物理模型，该模型能合理地解释叶尖射流扩稳的原因；另外，还分析了叶尖射流对第1级转子的叶尖流场、叶尖负荷以及叶尖处模态波轴向结构的影响，进一步揭示了叶尖射流提高压气机稳定性的原因。
压气机叶顶间隙变化规律及对气动性能的影响
压气机叶顶间隙变化规律及对气动性能的影响
高国荣;曾瑞慧;陈美宁
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2024(24)6
【摘要】以大涵道比涡扇发动机系列的十级高压压气机为研究对象,在压气机部件、核心机及整机平台上详细开展了压气机叶顶间隙变化规律及其对气动性能影响的试验研究,同时结合叶顶间隙对跨音级、高亚音级和低亚音级的仿真验证,得到了压气
机不同级对叶顶间隙的性能敏感区,进而揭示了叶顶间隙影响多级压气机整机性能
的机理。
结果表明:不同尺寸的压气机叶顶间隙变化规律具有一致性,经验证主要和
离心力及温度场相关。
间隙增大后压气机设计转速下的流量压比特性和流量效率特性均整体下降,尤其后面级间隙对气动性能有显著影响。
随着叶顶间隙的增大,压气
机的跨音级因叶片较长使得相对叶顶间隙较小,未出现效率突降的情况,但是后面亚
音级做功能力明显降低,间隙影响主要集中在后面级即亚音级,使得压气机典型工况
的效率和裕度均有所下降。
【总页数】8页(P2573-2580)
【作者】高国荣;曾瑞慧;陈美宁
【作者单位】中国航发商用航空发动机有限责任公司;上海市航空发动机数字孪生
重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】V211.6
【相关文献】
1.叶顶间隙对多级轴流式压气机气动性能影响研究
2.叶顶间隙对某型压气机典型级气动性能的影响
3.叶顶间隙对压气机气动性能影响的数值研究
4.叶顶间隙对跨音速离心压气机气动性能影响分析
5.叶顶间隙对压气机非设计转速气动性能影响的试验研究
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分流叶片长短与位置对离心压气机性能的影响分析
分流叶片长短与位置对离心压气机性能的影响分析摘要：文章首先对离心压气机性能受分流叶片长短和位置的影响课题研究的目的、意义和课题研究的方法作了介绍；然后利用数值模拟程序OTMB/CFD分析了分流叶片不同长短及不同轴向位置对离心压气机模拟级内三维粘性流场及级性能的影响，得出随分流叶片长度的增加叶轮内部平均泄漏损失逐渐减小和对叶轮内部低速区具有一定的抑制作用的规律。
关键词：离心压气机；数值仿真；分流叶片；性能随着工业技术的发展，离心压气机得到了越来越广泛的应用。
因此离心压气机的发展受到了越来越多的关注。
为提高离心压气机的性能，一些专家学者对离心压气机进行了研究，采用了许多办法。
目前国内外的一些高性能的离心式压气机广泛采用了带分流叶片的形式。
实践证明分流叶片的使用可以有效控制附面层，改善流场，提高压气机性能。
李良明根据自己提出的任定准正交面法对带分流叶片的离心压气机叶轮进行了三元流场计算，得出了与实验一致的结果。
1981年H.Krain对带分流叶片的离心叶轮进行了研究，为后来的数值模拟工作提供了有用的实验数据；1988年屠仁涌对一带分流叶片的离心叶轮进行了研究，文中给出了带分流叶片的离心叶轮流场的解题思路，并通过对一具有详细几何参数的离心压气机B型叶轮进行了数值模拟，得出了分流叶片结构对叶轮内部流场的影响。
1992年，Hiroyuki MIYAMOTO等人用五孔探针分别对带有分流叶片的闭式离心叶轮内部流场进行了详细测量，并将测量得到的速度场及压力场分布同无分流叶片的闭式及半开式离心叶轮进行了比较，得出了一些有益结论。
文章在以上工作的基础上，利用数值模拟程序OTMB/CFD分析了分流叶片不同长短及不同轴向位置对离心压气机模拟级内三维粘性流场及级性能的影响规律。
为便于说明，将长叶片吸力面与分流叶片压力面间的通道称为通道1，将长叶片压力面与分流叶片吸力面的通道称为通道2。
1算例简介1.1数值计算方法文章采用任意曲线坐标系下三维可压缩Navier-stokes方程，代数紊流模型，H型网格。
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第25卷第3期2010年3月航空动力学报Journal of Aerospace Pow erVol.25No.3Mar.2010文章编号:100028055(2010)0320565206叶尖间隙流动对某微小型离心压气机性能的影响殷明霞,冀国锋,桂幸民(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191)摘 要:为研究微小型离心压气机在不同叶尖间隙下的性能变化,对某高速跨声离心压气机进行了带间隙的三维黏性流场数值模拟,详细分析了在不同的间隙情况下压气机内部流场特征和性能变化趋势.结果表明,随着叶尖间隙增大,叶轮流道内泄漏流动的强度明显增强,导致叶轮的增压能力下降,效率降低,以至于压气机整级压比、效率和流量都有所下降,压气机的稳定裕度也受到了明显的影响.关 键 词:离心压气机;叶尖间隙流动;稳定裕度;数值模拟中图分类号:V23113 文献标识码:A收稿日期:2009202217;修订日期:2009205204作者简介:殷明霞(1974-),女,山东五莲人,博士生,主要从事叶轮机方面的研究.Influence of tip clearance flow on performance ofone micro centrif ugal compressorYIN Ming 2xia ,J I Guo 2feng ,GU I Xing 2min(School of J et Prop ulsion ,Beijing U niversity of Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100191,China )Abstract :In order to research t he effect s of different clearance widt hs of small cent rif u 2gal compressor ,a high speed cent rif ugal compressor was investigated by numerical simula 2tion.The result s show t hat ,t he leakage flow is st rengt hened wit h t he increase of gap widt h ,leading to decrease of impeller ’pressurizatio n capacity and efficiency.Thereafter ,t he stage pressure ratio ,efficiency and flow rate decrease correspondingly ,and t he stable margin of compressor is affected significantly.K ey w ords :cent rif ugal comp ressor ;tip clearance flow ;stable margin ;numerical simulation 随着离心压气机在微小型动力装置上的广泛应用,对于离心压气机的研究工作也逐渐深入.由于开式、半开式离心压气机具有较高叶尖切线速度、较好的强度性能,以及较强的做功能力,于是被较多采用.但是,叶尖间隙的存在,间隙泄漏流动对离心叶轮内部的流动结构、能量输运与掺混,做功能力,以及稳定工作裕度都有着重要的影响[1].这些影响,在高速、跨声的微小型压气机中,表现的更为突出.在更高效率和更宽工作裕度的应用需求下,对叶尖间隙流动的深入研究就更加重要了.国内外的研究人员对压气机叶尖间隙复杂流动进行了较多的研究工作[227],对于半开式离心叶轮内的流动现象,也积累宝贵的实验研究成果[829],对于微小型离心压气机,结构尺寸的缩小,叶尖间隙流动的复杂性,增加了实验研究的难度和局限性,在计算流体动力学和计算机仿真技术的不断发展和成熟的现阶段,数值模拟已经成为研究叶轮机械内部复杂流动的主要手段和有效的工具,被越来越多的工程设计人员所认识并接受.本文以一个应用在微小型涡轮发动机上的高速离心压气机级为研究对象,采用数值模拟方法,考察叶尖间隙泄漏流动对主流区的流场结构以及压气机性能的影响,进一步加深对跨声离心压气机内部流动结构以及间隙效应的认识.航 空 动 力 学 报第25卷1 研究对象及数值方法本文研究的高速微小型离心压气机,由离心叶轮、径向扩压器和轴向扩压器组成,其中离心叶轮(IM )带分流叶片为7+7片,径向扩压器(DR )叶片为15片,轴向扩压器(DA )叶片为30片.离心叶轮的基本参数是:叶轮转速为108000r/min ,进口直径为63mm ,出口直径为8714mm ,叶轮出口宽度为615mm.使用IGG/Auto Grid 网格生成器生成计算网格,通道内均采用H 型网格,叶轮的网格数目为41×(25+25)×161(径向×周向×轴向),对叶尖间隙的处理采用分块网格方法,间隙部分采用蝶形网格,沿展向设定网格数为9,任何间隙情况均采用相同的网格密度,计算过程中,保持叶轮的几何不变,仅仅改变叶尖间隙的尺寸.另外,径向扩压器网格数目为33×41×133(H 型网格);轴向扩压器网格数目为33×41×129(H 型网格).离心压气机的示意图、计算流道以及计算网格如图1～图4所示.图1 离心压气机示意图Fig 11 Sketch of thecompressor图2 离心压气机计算流道Fig 12 Sketch of the flow path数值模拟使用FIN E TM /TU RBO 软件,求解三维定常雷诺平均的Navier 2Stokes (N 2S )方程,空间离散格式为中心差分格式,湍流模型选择Spalart 2Allmaras 一方程模型,进口给定总温总图3 离心压气机级计算网格Fig 13 Sketch of the computedmesh图4 叶尖间隙蝶形网格示意图Fig 14 Sketch of the gap mesh压、轴向进气,出口给定机匣处的静压,其他径向位置处静压由径向平衡方程得到,固壁边界条件为绝热、无滑移边界条件.所有间隙的数值模拟,都采用了相同的边界条件以及相同的转速.2 数值模拟结果及分析211 叶尖均匀间隙计算结果分析设置叶轮进口与出口为均匀间隙,选取间隙值分别为011,012mm 和013mm.通过改变出口背压,模拟压气机的运行状态,得到压气机的工作特性线.图5为不同间隙情况下得到的压气机叶轮的整级特性,图6为对应的压气机整级特性.图中曲线说明的意思是进口间隙值2出口间隙值.由图5可以看出,随着叶轮间隙的增大,叶轮内的增压能力受其影响而降低,总压比随之下降,绝热效率明显降低,导致整级性能下降,同时,压气机的工作裕度也有了一定程度的减小.另外,压气机的流通能力随着间隙的增加也有所减弱,特性线向坐标轴的左下方移动.这充分说明,叶尖间隙泄漏流动,影响了离心叶轮的性能,进而影响到压气机的整级性能.665 第3期殷明霞等:叶尖间隙流动对某微小型离心压气机性能的影响图5 均匀间隙下离心叶轮特性Fig 15 Impeller performances with different clearancewidths图6 均匀间隙下离心压气机特性Fig 16 Compressor stage performances with different clearance widths 表1列出了所有算例在相同出口背压330kPa 的典型工况下,压气机的性能参数.总体变化规律是,当相对间隙由1154%增加至3108%,压气机的总压比下降了115%,级效率下降了0178%;当相对间隙由3108%增加到4162%,总压比下降了0126%,级效率下降了0196%.另外,流量也有不同程度的减小,压气机整级的工作裕度减小了11%.通过参数对比可以充分说明,叶尖间隙对压气机性能的影响作用是很显著的,在结构允许的条件下,尽可能地缩小叶尖间隙也是压气机设计人员的目标.接下来将对这一典型工况下,各个算例的流动特点进行分析.212 不同间隙情况下叶轮内流动分析在图7给出的均匀间隙情况下叶轮子午流面相对马赫数分布图中可以看到,由于叶尖间隙潜流的影响,在叶轮流道里近机匣区存在着一个明显的低马赫数区域,而且随着叶尖间隙的增加,该区域范围明显扩大,大范围的低马赫数区将带来较大的流动损失,并且影响叶轮的做功能力.表1 不同间隙相同背压工况点的压气机性能参数T able 1 Performance parameters under the same outlet pressure with different clearance widths间隙设置/mm 间隙/叶轮出口宽度/%进口流量/(kg/s )级压比级效率011201111540153083152000169350012201231080151323146710168810013201341620149093145800168150图8是三种间隙情况下98%叶高S 1流面的相对马赫数分布.从中可以清晰地观察到,一道斜激波自主叶片吸力面发出,受到间隙泄漏流动的高速冲击干扰,激波结构向下游凹曲,激波弯曲变形.随着叶尖间隙的增加,泄漏流动的强度也随之增强,并削弱了前缘激波的强度,同时激波的位置略有前移.气流通过激波之后在主叶片吸力面与分流叶片压力面之间,形成一个低速区,其主要是激波与泄漏流动相互作用的结果,随着间隙由765航 空 动 力 学 报第25卷011mm增加至013mm ,泄漏流动更加加强,与激波的相互作用也更加强烈,使得该低速区的范围逐渐向远离主叶片吸力面的方向扩展,影响范围明显扩大,而泄漏流与激波的相互干涉则是造成叶尖高损失的主要原因.当气流流动至叶轮近出口位置,流道内充满低速区,造成较大的总压损失,这很可能是间隙泄漏流动与叶轮下游的回流共同造成的[5],而随着间隙的增加,气流分离区域有所扩大,说明气流的分离状况更加严重.图7 不同间隙下叶轮子午面相对马赫数分布对比Fig 17 Relative Mach number distribution of impeller onmeridional plane with different clearance widths在叶轮流道内,沿流动方向定义了A ,B ,C 三个S 3分析截面,每个截面都是取自三维计算网格的网格面,基本与流道内主流方向垂直,其在流道中的几何位置是:A 截面位于分流叶片的前缘,也是主叶片40%弦长位置处;B 截面位于主叶片60%弦长位置处;C 截面位于主叶片90%弦长位置处.图9给出了三种间隙情况下三个截面的相对马赫数等值线分布图.图中各截面的左侧为主叶片的压力面,右侧是主叶片的吸力面,中间是分流叶片.图8 不同间隙下98%叶高S 1流面相对马赫数分布Fig 18 Relative Mach number distribution of impellertip region with different clearance widths865 第3期殷明霞等:叶尖间隙流动对某微小型离心压气机性能的影响由图9可见:A截面,011mm间隙时流场没有明显的分流区,随着间隙增加到012mm和013mm时,主叶片吸力面与分流叶片压力面之间,近机匣位置已经出现了较小的分离区,但是间隙泄漏流动还没有影响到叶轮通道内的主流.B截面,叶尖间隙潜流对流场的作用已经表现出来.泄漏涡主要是由叶片间隙附近吸、压力面以及机匣边界层中的低能流体形成的,在马赫数等值线分布中,将有一个低马赫数区域与之相对应.从图示可以看到,各个间隙情况下,分流叶片吸力面一侧都出现了很明显的泄漏涡,造成很大图9 不同间隙下叶轮各截面相对马赫数分布Fig19 Relative Mach number distribution on differentchord sections of impeller withdifferent clearance widths965航 空 动 力 学 报第25卷的流动损失;而随着间隙的增加,泄漏流动的影响区也有所扩大,已经占据了叶轮流道近1/3的区域.C截面,接近叶轮出口,间隙泄漏流动对主流的影响作用更加增强,表现为在主叶片吸力面一侧和分流叶片吸力面一侧都出现了很明显的泄漏涡,同时泄漏流动沿周向向主叶片的压力面方向移动,形成大面积的高损失区域.随着间隙的增加,泄漏流的强度也随之增强,表现为分流叶片吸力面一侧的分离区域明显扩大,同时泄漏流动影响范围沿径向已经扩展到了叶轮流道一半以上的区域,对主流流动产生了强烈的恶化作用,严重影响了叶轮的做功能力和增压能力.以上流动现象的分析说明,泄漏涡在流动过程中逐渐向远离吸力面的方向移动,泄漏流动的影响范围随着叶尖间隙的增加而扩大.3 结 论为了研究离心压气机叶尖间隙流动的流动特点,本文采用数值模拟的方法,研究了在三种均匀间隙情况下,离心压气机性能的变化,以及叶轮内部间隙流动特点,得到以下结论:1)叶轮流道内泄漏流动的强度与造成的流动损失,与间隙的大小相关,间隙越大,泄漏流动的强度越大,带来的损失也越大,导致叶轮的增压能力下降,绝热效率降低,进而使得压气机整级性能下降,稳定工作裕度变窄;2)随着间隙的增大,泄漏流动的强度增加,激波与泄漏流动相互作用也随之增强,激波更加扭曲变形,并向前缘方向移动;3)叶尖相对间隙由1154%增加至4162%,压气机总压比下降了1176%,级效率下降了1174%,压气机工作裕度缩小了11%,所以,在结构条件允许的情况下,应该尽可能减小叶尖间隙.参考文献:[1] Dring R P,Johslyn H D,Hardin L.An investigation of axi2al compressor rotor aerodynamics[J].ASME Journal ofEngineering for Power,1982,104(1):84296.[2] Dring R P,Johslyn H D.An investigation of axial compres2sor rotor aerodynamics[J].ASME Journal of Engineeringfor 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