壓氣機葉片尾緣增厚方法的分析與研究

鄭健生,丁 駿,2,,隋永楓,4,藍(lán)吉兵,辛小鵬,鄭 群

(1.杭州汽輪機股份有限公司，浙江 杭州 310022；2.杭州汽輪動力集團有限公司，浙江 杭州 310022；3.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；4.浙江燃創(chuàng)透平機械股份有限公司，浙江 杭州 311199)

0 引言

無論是在航空發(fā)動機，地面、船用燃?xì)廨啓C，還是風(fēng)力機等旋轉(zhuǎn)機械中，制造加工能力都限制了氣動設(shè)計的最終實現(xiàn)[1]。以旋轉(zhuǎn)機械的基本單元——葉片為例。當(dāng)葉片過小，尾緣厚度在制造過程中無法實現(xiàn)時，就需要在設(shè)計時對葉片尾緣予以加厚處理。馬林靜[2]和李仁年等[3]將尾緣對稱加厚和單側(cè)加厚的方法應(yīng)用于風(fēng)力機翼型，通過數(shù)值模擬對風(fēng)力機翼型的尾緣加厚方式進行了探討，給出了尾緣增厚方式和最佳厚度的建議。毛研偉等[4]單側(cè)加厚了渦輪動葉和靜葉的吸力面，通過數(shù)值模擬的方式證實了葉片尾緣加厚對載荷分布和尾跡損失的影響。

而在壓氣機中，關(guān)于尾緣厚度對壓氣機性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了一定的研究工作。Moses等[5]通過試驗的方式，研究了動葉尾緣厚度變化對壓氣機壓比和效率的影響，證實了NACA65系列葉型的尾緣厚度最大可以增加到葉片厚度的30%，而不會犧牲壓氣機的性能。祝華云等[6]系統(tǒng)的模擬了不同尾緣厚度對擴壓葉柵總壓損失和氣流折轉(zhuǎn)能力的影響。

目前，已經(jīng)開展的工作大多基于一列擴壓葉柵或單排壓氣機葉片，鮮有文獻在級環(huán)境下對葉片尾緣的加厚方法進行分析研究，深入探討尾緣加厚對級間匹配的影響。因此，本文針對這一問題開展數(shù)值研究工作。

1 尾緣增厚的方法

本文所采用的壓氣機葉片尾緣增厚方式有兩種，均建立在NACA葉型的造型方法基礎(chǔ)上，壓氣機葉片的吸/壓力面型線以中弧線貼厚度的方式獲得，中弧線以圓弧定義，前/尾緣以圓的形式與葉身型線相切。

如圖1所示，方法一保持了原有葉型的吸/壓力面型線，以移動尾緣圓心的方式獲得增厚葉型，相應(yīng)的，葉型的弦長縮短，最大厚度位置相對后移。方法二保持了原有葉型的弦長，但改變了葉型的型線：在最大內(nèi)切圓處將吸/壓力面型線分為兩部分，將后部的葉型對稱加厚[5,7,8]，并保證增大的尾緣圓弧與原有尾緣圓弧相切。研究所選取的靜葉采用NACA65葉型，尾緣厚度從基準(zhǔn)的約5%最大內(nèi)切圓直徑上升至約20%。

圖1 尾緣增厚方法

以本文所選取的靜葉片為例，采用不同的尾緣增厚方式將改變?nèi)~片的稠度和展弦比。如圖2所示，隨著尾緣的相對增厚，采用方法一的靜葉稠度明顯下降，在葉高不變的情況下，展弦比顯著增大；采用方法二的靜葉稠度和展弦比并不會發(fā)生改變。同時，由于方法一截短了葉身型線，葉片的出口幾何角被改變。如圖3所示，如若將葉片尾緣增厚一倍，葉片的出口幾何角將下降0.84°，幾何彎角同樣下降0.84°。方法二則不會帶來此影響。

圖2 不同尾緣增厚方法對靜葉稠度和展弦比的影響

圖3 不同尾緣增厚方法對葉片幾何角的影響

2 數(shù)值方法

三維CFD(Computational Fluid Dynamics)在葉輪機械領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[9-10]。為了盡可能營造出真實的級環(huán)境，本文在所選取的研究對象上下游各設(shè)計了一列動葉。網(wǎng)格劃分采用Numeca的AutoGrid5TM模塊。如圖4所示，動葉徑向網(wǎng)格點數(shù)89，葉頂間隙網(wǎng)格點數(shù)25；靜葉徑向網(wǎng)格點數(shù)57。動/靜葉均采用O4H的網(wǎng)格拓?fù)湫问?，葉頂間隙采用蝶形網(wǎng)格。三列葉片排的網(wǎng)格點數(shù)分別為1075855，591717和1222271。葉片表面和上/下端壁的第一層網(wǎng)格厚度在0.001 mm左右，以保證y+值不大于5。

圖4 計算網(wǎng)格與邊界條件

文本采用商業(yè)軟件Numeca的FineTM/Turbo模塊對三列葉柵的流場進行數(shù)值模擬。參考文獻[11]，湍流模型采用雷諾應(yīng)力模型EARSM，空間離散采用中心差分格式，并采用了多重網(wǎng)格等技術(shù)以加速收斂。動/靜交界面采用Full Non Matching Mixing plane的形式，進出口保留了一倍弦長以上的正交段。進口的邊界條件給定總溫、總壓和氣流角方向，出口通過調(diào)節(jié)靜壓獲取壓氣機的特性線。

3 結(jié)果分析

通過改變背壓，得到原型的基準(zhǔn)(BSL)特性線，和不同尾緣增厚方式下壓氣機的特性線，以數(shù)值發(fā)散前的最后一個收斂解作為喘振邊界。研究中僅增厚靜葉的尾緣，并未對動葉做任何改動。圖5所示為壓氣機的流量-壓比特性線和壓比-效率特性線，除了基準(zhǔn)BSL外，“① 型線不變”采用方法①對靜葉尾緣進行了加厚處理，“② 弦長不變”采用方法②對靜葉尾緣進行了加厚。

圖5中的靜葉尾緣較BSL加厚了100%，由圖中不難發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計點①和②的壓比均略有下降，①的壓比下降更為明顯；三者的喘振流量相仿，采用方法①的壓氣機喘振壓比略有下降；不論采用何種尾緣加厚方式，壓氣機的效率并沒有明顯的變化。相應(yīng)的，靜葉的損失也沒有明顯的變化，因此本文不做展示。

圖5 不同尾緣增厚方法對壓氣機特性的影響

改變靜葉的尾緣厚度，得到不同尾緣厚度下的壓氣機喘振壓比，如圖6所示?；鶞?zhǔn)BSL的尾緣相對厚度為1.0，上文圖5中的壓氣機靜葉尾緣相對厚度增加了100%，為2.0，在圖6中以箭頭標(biāo)識，后文中出現(xiàn)的尾緣增厚方法對比均采用了這一尾緣相對厚度。由圖6中不難發(fā)現(xiàn)，不同的尾緣加厚方式，對壓氣機喘振壓比的影響迥異：方法①造成了壓氣機喘振壓比的下降，而方法②非但沒有造成壓氣機性能的惡化，甚至于對喘振壓比產(chǎn)生了積極影響。

圖6 不同尾緣增厚方法對壓氣機喘振壓比的影響

級環(huán)境下逐列葉片排的靜壓升系數(shù)，可以在一定程度上反應(yīng)出率先逼近不穩(wěn)定運動狀態(tài)的葉片排[12]。如圖7所示，當(dāng)壓氣機的工作流量逼近喘振邊界時，中間靜葉的靜壓升系數(shù)不再隨著流量的降低而攀升，乃至略有下降，率先喪失了對流體進一步增壓的能力，首先進入不穩(wěn)定工作狀態(tài)的可能性最大。

圖7 不同葉片排的靜壓升系數(shù)特性線

采用不同的尾緣加厚方式對靜葉片進行加厚，靜葉的靜壓升系數(shù)略有改變，如圖8所示。在近不穩(wěn)定工況下，方法①造成靜葉的擴壓能力下降，方法②甚至于提高了靜葉的近喘點靜壓升。

圖8 不同尾緣增厚方法對靜葉靜壓升的影響

由上文的分析可知，方法①改變了靜葉的出口幾何角。圖9～圖10給出了靜葉的進出口氣流角，不難理解，僅增厚靜葉的尾緣，并不會影響靜葉的進口氣流角；但出口幾何角度的減小，會導(dǎo)致靜葉出口的氣流角減小，氣流在靜葉流道內(nèi)實現(xiàn)的氣流折轉(zhuǎn)下降。同時，由圖10不難發(fā)現(xiàn)，方法①導(dǎo)致的靜葉出口氣流角的減小程度明顯大于方法②。

圖9 不同尾緣增厚方法對靜葉進口氣流角的影響

圖10 不同尾緣增厚方法對靜葉出口氣流角的影響

伴隨著靜葉出口氣流角的變化，下游動葉的來流角度也會相應(yīng)改變。如圖11所示，隨著上游靜葉出口氣流角的減小，下游動葉的來流氣流角減小，沖角相應(yīng)減小。

圖11 不同尾緣增厚方法對下游動葉進口氣流角的影響

但是，來流沖角的減小并未為壓氣機帶來更為寬廣的穩(wěn)定工作范圍，三者的喘振流量相仿。如圖12所示為沿徑向分布的靜葉出口氣流角和下游動葉來流沖角。尾緣厚度的變化主要改變的是流道中部較大范圍內(nèi)的氣流角度，對端區(qū)影響很小。而誘使壓氣機進入不穩(wěn)定工作狀態(tài)的流動分離大多起源于角區(qū)附面層或者葉頂泄漏流，受尾緣厚度影響較小。

圖12 不同尾緣增厚方法對氣流角徑向分布的影響(設(shè)計點)

如圖13所示為不同尾緣增厚方式下的靜葉靜壓升系數(shù)和擴壓因子沿徑向的分布，方法①所導(dǎo)致的靜葉負(fù)荷下降更為明顯。但這一負(fù)面影響主要作用于流道中部，對端區(qū)影響較小。

圖13 不同尾緣增厚方法對靜壓升系數(shù)和擴壓因子徑向分布的影響(設(shè)計點)

取靜葉出口與動葉進口的速度做速度三角形如圖14所示。當(dāng)壓氣機向不穩(wěn)定的工作狀態(tài)逼近時，如圖14上圖所示，壓氣機的軸向速度減小，靜葉和動葉的來流沖角增大。當(dāng)尾緣增厚后，尤其采用方法①改變了靜葉片的幾何參數(shù)，下游動葉的來流沖角減小，做功能力下降，一定流量狀態(tài)下的壓氣機壓比下降；此時，氣缸或輪轂端區(qū)的流動并未有發(fā)生明顯的變化，穩(wěn)定工作范圍并不會被拓寬。

圖14 不同尾緣增厚方法對速度三角形的影響

采用方法②對一臺多級軸流壓氣機的12列靜葉尾緣進行加厚，數(shù)值驗證結(jié)果顯示，壓氣機在設(shè)計轉(zhuǎn)速下的效率和壓比均略有下降，但下降幅度非常有限，可以忽略，與本文的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文采用兩種方法對靜葉的尾緣進行加厚處理，并通過數(shù)值模擬對比研究了不同方法的優(yōu)劣，結(jié)論如下：

(1)不同靜葉尾緣加厚方法的主要區(qū)別在于對靜葉出口氣流角的改變，進而左右壓氣機的級間匹配，造成壓氣機的氣動性能變化。

(2)在不改變?nèi)~身型線的前提下，采用移動尾緣圓弧的方式獲得尾緣加厚葉片時，葉片的稠度、展弦比，尤其是出口幾何角度會發(fā)生改變，進而導(dǎo)致壓氣機的做功能力和喘振壓比下降。

(3)當(dāng)采用增大葉身后部厚度的方法，保持葉片弦長和幾何角度不變時，所獲得的尾緣加厚葉片能夠更為完整的維持原始設(shè)計的氣動性能和工作范圍。建議采用該方法對過薄的葉片尾緣進行加厚處理。