閉式葉輪葉型誤差對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)離心壓氣機(jī)性能影響的CFD研究

黃贊迪，黃譚喜，彭碧濤

（中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)所，株洲 412002）

閉式葉輪葉型誤差對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)離心壓氣機(jī)性能影響的CFD研究

黃贊迪，黃譚喜，彭碧濤

（中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)所，株洲 412002）

旨在使用CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）方法對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)閉式離心壓氣機(jī)的葉輪葉型加工誤差對(duì)性能的影響進(jìn)行定量研究。CFD仿真結(jié)果顯示葉型厚度增加0.1mm以上使壓氣機(jī)的性能降低明顯。此外，閉式葉輪上葉片的周向分布位置度誤差對(duì)性能影響較大。研究結(jié)果對(duì)零件驗(yàn)收具有指導(dǎo)意義。

鑄造閉式葉輪；葉型誤差；CFD；壓氣機(jī)性能

0 引言

葉片、葉盤(pán)和葉輪的葉型對(duì)燃?xì)鉁u輪式發(fā)動(dòng)機(jī)性能起決定性作用。在生產(chǎn)制造過(guò)程中應(yīng)盡最大努力控制葉型誤差，但是無(wú)法完全消除誤差。

CFD方法是將研究的流場(chǎng)對(duì)象進(jìn)行離散化處理，結(jié)合適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件設(shè)定，使用計(jì)算機(jī)按照選定的方法進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到計(jì)算結(jié)果的一種研究方法。其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格質(zhì)量（離散處理結(jié)果），計(jì)算模型（方法）的選擇有關(guān)。隨著技術(shù)進(jìn)步，目前CFD方法在葉輪機(jī)械的氣動(dòng)性能計(jì)算方面具有廣泛運(yùn)用。同時(shí)CFD方法為研究葉型誤差對(duì)性能的影響提供了經(jīng)濟(jì)、有效的手段。朱家友[1]等人使用CFD方法對(duì)輪廓度公差在0.12mm的多種實(shí)際二維葉型的最小損失系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，表明二維葉型的最小損失系數(shù)的變化與其前緣半徑、最大厚度的誤差近似正相關(guān)。李冬[2]等人通過(guò)CFD方法定量研究了葉片表面粗糙度對(duì)壓氣機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓氣機(jī)葉片表面粗糙度增大時(shí)，壓氣機(jī)主要特性參數(shù)都不同程度的減小，使壓氣機(jī)總體性能下降。屠秋野[3]等使用數(shù)值方法研究了擴(kuò)壓器葉型上局部凸起的危害，結(jié)果表明局部凸起導(dǎo)致擴(kuò)壓器效率降低。

某型車(chē)用燃?xì)廨啓C(jī)具有兩級(jí)離心壓氣機(jī)，其閉式葉輪的流道面采用無(wú)余量熔模鑄造成型。高/低壓閉式葉輪結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。由于葉片頂端具有整體式外罩以及使用全新研制的高強(qiáng)度鎳鉻鉬鋼材料等原因，精鑄葉型面的質(zhì)量不佳，葉型誤差較大。本文使用CFD方法對(duì)該閉式葉輪的葉型誤差對(duì)壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行定量研究，以期為零件的工程制造驗(yàn)收提供理論指導(dǎo)。主要工作包括研究當(dāng)前閉式葉輪零件鑄造過(guò)程中存在的葉型誤差問(wèn)題分析；使用UG軟件對(duì)設(shè)計(jì)閉式葉輪模型進(jìn)行更改，得到典型的誤差模型；使用CFD軟件對(duì)誤差模型進(jìn)行性能仿真；對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為零件生產(chǎn)制造提供指導(dǎo)。

圖1 低壓閉式葉輪

圖2 高壓閉式葉輪

1 偏差分析

1.1 零件狀態(tài)分析

使用高精度三坐標(biāo)儀對(duì)多個(gè)現(xiàn)有鑄造零件的葉型進(jìn)行計(jì)量，得到了具有代表性的葉型偏差情況，詳見(jiàn)表1。由于空間限制，只能以葉型前緣處為計(jì)量基準(zhǔn)，計(jì)量不同高度（Z）的截面內(nèi)的葉型。結(jié)果顯示計(jì)量葉型（綠色線(xiàn)條）相對(duì)設(shè)計(jì)葉型（紅色線(xiàn)條）的偏差在±0.23mm以?xún)?nèi)。此外，在葉型比對(duì)時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)偏移，這意味著整圈葉片的周向分布位置存在誤差。

表1 對(duì)齊前緣后計(jì)量葉型誤差

1.2 典型誤差建模

根據(jù)閉式離心葉輪鑄造存在葉型誤差的類(lèi)型，可以建立誤差模型，用于CFD計(jì)算。建模過(guò)程使用UG軟件完成。建立葉片厚度變化模型時(shí)主要使用同步建模模塊中的“偏置面”命令；而建立葉片旋轉(zhuǎn)模型時(shí)主要使用“移動(dòng)面”命令。由于本文研究的高/低壓閉式葉輪結(jié)構(gòu)相似度極高，因此計(jì)算以低壓為主高壓為輔。建立低壓閉式葉輪（R9A13030）模型5個(gè)、高壓閉式葉輪（R9A15001）模型3個(gè)。其中R9A13030-1、R9A15001-1為設(shè)計(jì)模型，其余模型存在不同程度的尺寸或特征變化，如表2所示。

表2 建模說(shuō)明

2 模型分析

2.1 計(jì)算對(duì)象及過(guò)程

使用CFD方法對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的雙級(jí)離心壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算，計(jì)算對(duì)象包括低壓級(jí)和高壓級(jí)。圖3為雙級(jí)離心壓氣機(jī)三維模型與子午流道簡(jiǎn)圖。計(jì)算網(wǎng)格在IGG/AutoGrid5中生成，低壓級(jí)網(wǎng)格數(shù)約為131萬(wàn)（13030-7約為158萬(wàn)），高壓級(jí)網(wǎng)格數(shù)約為162萬(wàn)（15001-4約為192萬(wàn)），其周向、展向和流向均滿(mǎn)足多重網(wǎng)格要求。經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算網(wǎng)格密度滿(mǎn)足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。邊界條件設(shè)定為進(jìn)口給定總溫、總壓及進(jìn)口氣流方向，出口在低壓比時(shí)給定平均靜壓，高壓比時(shí)給定質(zhì)量流量，如表3所示，其均為設(shè)計(jì)點(diǎn)工況參數(shù)值。計(jì)算模型采用Spalart-Allmaras模型。

表3 壓氣機(jī)計(jì)算進(jìn)口設(shè)定

圖3 雙級(jí)離心壓氣機(jī)三維模型與子午流道簡(jiǎn)圖

2.2 計(jì)算結(jié)果

1）低壓設(shè)計(jì)模型（R9A13030-1）

圖4為使用低壓閉式葉輪設(shè)計(jì)模型時(shí)低壓壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)，從圖中可以看出，低壓壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下工況性能較為平緩，效率較高，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率約79%，總壓比為4左右。

圖4 使用R9A13030-1時(shí)低壓壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)

2）葉型厚度變化

圖5為使用葉型厚度不同的閉式葉輪時(shí)低壓壓氣機(jī)特性對(duì)比。從圖中可以看出，隨著葉片減薄，其特性曲線(xiàn)整體向右上方移動(dòng)，即效率與壓比均呈上升趨勢(shì)，而且堵塞流量提高尤為明顯。這正對(duì)應(yīng)了跨音速葉輪設(shè)計(jì)中對(duì)葉片前緣半徑在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下盡可能小以減輕葉片吸力面的氣流加速來(lái)降低損失的要求，這在大流量工況時(shí)尤為明顯。葉片減薄降低二次流的同時(shí)也增加了流量，另外葉片減薄也使得氣流通道面積變大，進(jìn)一步提升了葉輪的通流能力。

圖5 葉型厚度變化時(shí)低壓壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)對(duì)比

3）R9A13030-7

圖6為使用R9A13030-7與使用設(shè)計(jì)模型時(shí)低壓壓氣機(jī)特性對(duì)比。從圖中可以看出，葉片周向分布存在2°誤差時(shí)低壓壓氣機(jī)效率有所降低，壓比下降明顯。葉片繞Z軸旋轉(zhuǎn)使得葉輪內(nèi)相鄰流道出口面積不同，破壞了流場(chǎng)出口的均勻度，導(dǎo)致后排的徑向擴(kuò)壓器匹配困難，降低了壓氣機(jī)的喘振裕度。

圖6 使用R9A13030-7時(shí)低壓壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)對(duì)比

4）R9A15001-1

圖7為使用高壓閉式葉輪原始設(shè)計(jì)模型時(shí)高壓壓氣機(jī)的特性曲線(xiàn)，從圖中可以看出，高壓壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下工況性能較為平緩，最高效率點(diǎn)接近80%。

圖7 使用R9A15001-1時(shí)高壓壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)

5）R9A15001-4

圖8為使用R9A15001-4與使用原始設(shè)計(jì)模型時(shí)高壓壓氣機(jī)特性對(duì)比。與低壓閉式葉輪相似，葉片周向分布存在2°誤差時(shí)低壓壓氣機(jī)效率與壓比均有降低。

圖8 使用R9A15001-4時(shí)高壓壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)對(duì)比

6）R9A15001-3

圖9為使用R9A15001-3與使用原始設(shè)計(jì)模型時(shí)高壓壓氣機(jī)特性對(duì)比。從圖中可以看出，葉片增厚使得壓氣機(jī)效率與壓比略有下降，但基本與原始葉輪相當(dāng)。喘振裕度、工況特性改變?cè)诳山邮芊秶鷥?nèi)。

圖9 使用R9A15001-3時(shí)高壓壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)對(duì)比

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

低壓閉式葉輪設(shè)計(jì)模型的效率約79%，壓比約4。高壓閉式葉輪設(shè)計(jì)模型分別為：80%以及2.6。隨著葉片厚度的增加，壓氣機(jī)的性能持續(xù)降低，主要表現(xiàn)在效率及堵塞流量減小，壓比能力也略有降低。雖然效率降低變化較小，但是堵塞流量的降低十分明顯。綜合分析各個(gè)葉片厚度的性能結(jié)果，葉片厚度增加0.1mm后的效率相對(duì)于設(shè)計(jì)模型基本不變，堵塞流量降低了約0.5%，整體性能小幅下降，在可接受的范圍內(nèi)。而當(dāng)葉片厚度增加0.2mm后的效率相對(duì)于設(shè)計(jì)模型降低了約2.6%，堵塞流量降低了約2%，整體性能下降。為保證整機(jī)的性能，在閉式葉輪的實(shí)際加工過(guò)程中應(yīng)該避免葉片厚度增加超過(guò)0.1mm。

低壓閉式葉輪的葉片旋轉(zhuǎn)2°，也即葉片均布誤差增大后，葉輪內(nèi)相鄰流道出口面積不同，加劇了出口流場(chǎng)的不均勻性。這導(dǎo)致后排的徑向擴(kuò)壓器匹配困難，降低了壓氣機(jī)的喘振裕度。此外，由于擴(kuò)壓器流場(chǎng)損失加大壓氣機(jī)的壓比下降。最終，壓氣機(jī)的壓比能力相對(duì)于設(shè)計(jì)模型下降約1.5%，效率降低約1%，堵塞流量下降約0.3%。因此，在閉式離心葉輪的零件制造過(guò)程中應(yīng)該降低葉片的周向位置度誤差值。

具有偏差的高壓閉式葉輪模型的計(jì)算結(jié)果具有與低壓閉式葉輪相似的結(jié)果，即隨著閉式葉輪葉片厚度的增加，壓氣機(jī)的整體性能降低；同時(shí)葉片周向位置度對(duì)壓氣機(jī)的整體性能影響較大。

鑒于上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)閉式離心葉輪的葉型公差控制可以提出如下更改建議：

2）原圖紙對(duì)閉式葉輪進(jìn)、出口處（M、N段）的表面粗超度要求

3）在原圖紙標(biāo)注“22葉片EQS”處增加位置度要求，公差大小為0.1mm（M、N段）；

4）流道的輪廓度公差參照葉型公差進(jìn)行更改。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文使用CFD方法研究了葉型誤差對(duì)閉式離心壓氣機(jī)性能的影響，并初步提出了對(duì)現(xiàn)有圖紙的更改建議。今后，在試驗(yàn)條件滿(mǎn)足的條件下，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行閉式離心壓氣機(jī)部件的性能試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證CFD仿真的結(jié)果。

[1] 朱家友,寧方飛.加工誤差對(duì)葉片氣動(dòng)性能影響的數(shù)值模擬研究[D].北京:北京航空航天大學(xué),2015.

[2] 李冬,樊照遠(yuǎn),等.壓氣機(jī)葉片粗糙度對(duì)其性能衰退的影響研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2009(5).

[3] 屠秋野,周莉,等.葉型上局部凸起對(duì)擴(kuò)壓器性能影響的數(shù)值研究[J].航空計(jì)算技術(shù),2010(5).

CFD study of performance variations caused by rotor blade profle deviations of centrifugal compressors of a certain gas-turbine engine

HUANG Zan-di, HUANG Tan-xi, PENG Bi-tao

TK212

：A

1009-0134(2017)06-0069-05

2017-04-22

黃贊迪（1976 -），男，湖南邵陽(yáng)人，高級(jí)工程師，本科，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)總體設(shè)計(jì)與試驗(yàn)工作。