葉頂間隙和葉片表面粗糙度對離心壓氣機性能的影響

余繼華，張勇，崔世麒，王琳

（1.海軍駐株洲地區(qū)航空軍事代表室，湖南株洲412000；2.海軍航空工程學(xué)院a.飛行器工程系；b.科研部，山東煙臺264001）

葉頂間隙和葉片表面粗糙度對離心壓氣機性能的影響

余繼華1，張勇2a，崔世麒2b，王琳2a

（1.海軍駐株洲地區(qū)航空軍事代表室，湖南株洲412000；2.海軍航空工程學(xué)院a.飛行器工程系；b.科研部，山東煙臺264001）

為充分研究葉頂間隙和葉片表面粗糙度對某型離心壓氣機工作性能的影響，文章分別對不同間隙和粗糙度情況下壓氣機的工況仿真計算，得到不同的特性線。分析表明：葉頂間隙和粗糙度越大，增壓比和效率越低，粗糙度由0.03mm減小到0.01mm，增壓比大約提高了1.5%，工作效率大約提高了1%，葉頂間隙由0.6mm減小到0.1mm，增壓比大約提高了10%，工作效率提高了2.5%。該研究結(jié)果對下一步的改進設(shè)計具有重要的參考價值。

離心壓氣機；葉頂間隙；粗糙度

某型離心壓氣機正處于研仿階段，和軸流葉輪相比，離心葉輪的葉片高度要小很多，尤其是葉輪出口處，再加上粘性作用強，雷諾數(shù)小，附面層相對厚度更大。受加工、裝配誤差及葉輪結(jié)構(gòu)強度等因素影響，相對葉尖間隙尺寸和葉片相對厚度明顯增大，因而葉尖間隙泄漏流對葉輪性能的影響相比軸流葉輪更為顯著［1-6］。此外，該型壓氣機的實際工作環(huán)境非常惡劣，鹽霧腐蝕、油漬等積垢沉積現(xiàn)象比較嚴重，這都會導(dǎo)致葉片的表面粗糙度增大，影響流道的流通能力，甚至降低壓氣機的工作性能。以上2個因素在壓氣機研仿階段必須充分考慮，才能更加準(zhǔn)確地設(shè)計出所需要的壓氣機。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，利用CFD技術(shù)數(shù)值仿真壓氣機工作流場，不僅可以節(jié)省大量的人力物力，還能很大程度上縮短研制周期。因此，該研究手段在壓氣機設(shè)計中得到越來越廣泛的應(yīng)用。研究工作涵蓋了壓氣機葉輪設(shè)計、離心壓氣機性能分析等諸多方面［7-18］，但是國內(nèi)對級增壓比超過8一級的離心壓氣機進行的研究較少，對制造、使用過程中葉頂間隙、表面粗糙度的影響分析尚不多。

本文建立了該離心壓氣機CFD模型，采用CFX計算軟件計算了多種條件下的壓氣機流場，詳細分析了葉頂間隙、表面粗糙度對壓氣機特性的影響。

1　計算模型

該壓氣機主要由進氣道，單級離心葉輪，擴壓器組成，擴壓器包括徑向擴壓器和軸向擴壓器。CFD計算區(qū)域的幾何文件直接來源于壓氣機CAD數(shù)據(jù)。利用周期性邊界條件，計算針對一個氣流通道進行，壓氣機結(jié)構(gòu)和計算區(qū)域如圖1所示。本文采用和CFX軟件配套的Turbogrid軟件生成各級部件對應(yīng)的計算網(wǎng)格，該軟件可根據(jù)葉頂間隙快速調(diào)整網(wǎng)格。本文首先對網(wǎng)格進行了無關(guān)性檢驗，在57萬、83萬、95萬和105萬網(wǎng)格計算結(jié)果中，95萬和105萬網(wǎng)格計算結(jié)果基本不變，因而采用105萬網(wǎng)格作為最后的計算網(wǎng)格。

圖1　壓氣機整機結(jié)構(gòu)和計算區(qū)域Fig.1 Structure and calculation area of the compressor

流場計算的湍流模型采用k-ε模型并引入壁面函數(shù)法處理壁面低雷諾數(shù)流動。利用CFX軟件提供的混合平面法處理動靜區(qū)域交界面。計算中設(shè)置如下邊界條件：

1）進出口設(shè)置。本文選取“總壓進口-靜壓出口”的組合邊界條件。其中，進氣道進口總壓設(shè)定為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通過逐步改變出口靜壓以得到不同工況下的流場。

2）壁面設(shè)置。壁面分2類設(shè)置，對于進氣道，擴壓器等靜止壁面設(shè)置為無滑移的絕熱壁面；對于離心葉輪的機匣，設(shè)置為具有一定轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)的絕熱壁面。對于壁面粗糙度，根據(jù)計算工況設(shè)置。

2　葉頂間隙影響分析

本文以設(shè)計轉(zhuǎn)速為參照對象，對不同葉頂間隙下的工作流場進行了仿真計算，分別得到了0.6mm、0.3mm和0.1mm3個不同間隙下的性能參數(shù)，如圖2所示。

圖2　不同葉頂間隙對壓氣機性能影響Fig.2 Performance influences compressor of different blade tip clearance

從特性線的分布可見，葉頂間隙的改變對壓氣機的工作特性有很大的影響。具體表現(xiàn)為：葉頂間隙增大，特性線位置整體向左下方移動，增壓比和工作效率都會降低，流量堵塞點也會提前達到，這也就減小了壓氣機穩(wěn)定工作的流量范圍。具體數(shù)值方面，葉頂間隙由0.6mm減小到0.1mm，增壓比大約提高了10%，工作效率提高了2.5%，這在工程應(yīng)用中意義非常重大。

為進一步直觀地研究葉頂間隙的改變對壓氣機工作性能的影響，對其工作流場進行分析，見圖3～6。

圖3　0.6mm葉頂間隙葉輪流線分布Fig.3 Circle flow distribution in the condition of0.6mmblade tip clearance

圖4　0.3mm葉頂間隙葉輪流線分布Fig.4 Circle flow distribution in the condition of0.3mmblade tip clearance

圖5　0.1mm葉頂間隙葉輪流線分布Fig.5 Circle flow distribution in the condition of0.1mmtip clearance

圖6　不同葉頂間隙93%葉高葉片前緣速度矢量分布Fig.6 Velocity vecor distribution of the leading edge at93%blade heightin with different tip clearances

由圖3～6可知，葉頂間隙越大流場越惡劣，間隙流繞過葉肩，流入主流道并主流摻混，在分流葉片前緣形成一個很大的葉頂渦，致使后段氣流的流動進一步惡化，出現(xiàn)嚴重的氣流分離現(xiàn)象，降低了壓氣機工作效率和增壓性能。

3　葉片表面粗糙度影響分析

以設(shè)計轉(zhuǎn)速為參照對象，分別對葉輪表面粗糙度0.01mm、0.03mm以及光滑情況下的工作流場進行了仿真計算，分別得到壓比-流量特性和效率-流量特性線，如圖7所示。

根據(jù)圖7可見，隨著粗糙度的不斷增大，壓氣機工作特性線整體向左下方移動，增壓能力和工作效率均有所減小，流量堵塞點也提前到達，這也就減小了壓氣機穩(wěn)定了工作的流量范圍。具體數(shù)值方面，粗糙度由0.03mm減小到0.01mm，增壓比大約提高了1.5%，工作效率大約提高了1%。因此，在實際工作中，對壓氣機適當(dāng)進行水洗等防腐防積垢措施是很有必要的。

圖7　不同葉片表面粗糙度對壓氣機性能影響Fig.7 Performance influences compressor of different blade surface roughness

為進一步直觀地研究葉片表面粗糙度的改變對壓氣機工作性能的影響，下面對不同粗糙度對應(yīng)的工作流場進行分析。圖8為不同粗糙度對應(yīng)的熵分布圖，由圖8可見，粗糙度的變化基本不會影響熵的整體分布趨勢。但在近壁面處，粗糙度越大，熵的變化越大，意味著能量損失越多，因而整機的工作效率和增壓能量也會有所降低。

圖8　不同粗糙度對應(yīng)的熵分布Fig.8 Entropy distribution of different roughness

4　總結(jié)

對壓氣機不同葉輪葉頂間隙、不同粗糙度的工況進行仿真，對比分析發(fā)現(xiàn)，葉頂間隙和粗糙度均會影響壓氣機的工作性能。具體表現(xiàn)為：整機壓比特性線和效率特性線整體向左下方平移，葉頂間隙和粗糙度越大，壓比和效率越低。主要原因是：葉頂間隙過大時，在小葉片前緣出現(xiàn)了葉頂渦，帶來一定的流動損失；而粗糙度增大時，由于葉片壁面粘性增強，摩擦損失也隨之增大。粗糙度由0.03mm減小到0.01mm，增壓比大約提高了1.5%，工作效率大約提高了1%，葉頂間隙由0.6mm減小到0.1mm，增壓比大約了提高了10%，工作效率提高了2.5%。因此，采取一定的措施盡量減小葉頂間隙和防腐蝕積垢具有很大的工程意義。

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Roughness of the Blades and Tip Clearance Effect on Centrifugal Compressor Performance

YU Jihua1，ZHANG Yong2a，CUI Shiqi2b，WANG Lin2a
（1.Aviation Military Representatives Office of Navy in Zhuzhou，Zhuzhou Hunan 412000，China；2.Naval Aeronautical and Astronautical University a.Department of Airborne Vehicle Engineering；b.Department of Scientific Research，Yantai Shandong 264001，China）

In order to study the roughness of the blades and tip clearance effect on centrifugal compressor performance，the conditions of different roughness and different tip clearance were simulated.The analysis results showed that the bigger the lip clearance or the larger the roughness，the less the pressure ratio and efficiency.That was to say when the roughness is reduced from 0.03 mm to 0.01 mm，the pressure ratio was increased of 1.5%，the efficiency was increased of 1%；when the tip clearance was reduced from 0.6mm to 0.1mm，the pressure ratio was increased of 10%，the efficiency was increased of 2.5%.The study results were important to improve the design.

centrifugal compressor；blade tip clearance；blade roughness

V235.11

A

1673-1522（2016）03-0307-05DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2016.03.002

2016-02-06；

2016-04-05

余繼華（1978-），男，工程師，碩士。