可調靜子葉片機匣間隙對軸流壓氣機性能的影響

蔣志軍，蘭發祥

可調靜子葉片機匣間隙對軸流壓氣機性能的影響

蔣志軍，蘭發祥

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

多級軸流壓氣機多采用可調靜子調節壓氣機中低轉速性能。由于轉動需要，靜子葉片與流道間必然存在徑向間隙，使得流場中額外引入端壁間隙流。利用CFD軟件，研究了可調靜子徑向間隙對多級軸流壓氣機性能的影響。相關三維粘性數值仿真結果表明：高精度的CFD分析中，間隙影響不可忽略；可調靜子轉軸的優化設計，可有效減小間隙對壓氣機性能的影響。

軸流壓氣機；可調靜子；CFD；間隙；HPC

1 引言

在航空發動機高壓壓氣機中使用可調靜子結構，按適當的控制規律控制靜子的安裝角，可有效提高高壓壓氣機在中低轉速下的性能[1]。然而，可調靜子葉片的引入帶來了新的端壁間隙流。受流道曲率的影響，為保證靜子葉片轉動，靜子葉片與流道壁面間必然存在一定量值的間隙，否則靜子葉片會因干涉而不能轉動。一般而言，流道曲率越大、直徑越小，預留間隙就越大。

常規軸流高壓壓氣機，一般都將進口2或3級靜子設計為可調。從流道形式上可知，可調靜子葉片大曲率流道常出現在進口導葉上，因為現代發動機為追求高推重比，中介機匣多采用大曲率設計，而進口導葉多緊靠中介機匣，故其機匣曲率相對也較大。另一方面，氣流通過進口導葉后直接作用在第一級轉子葉片上，該葉片在整個壓氣機中葉尖切線速度最高、氣流相對馬赫數最大，上游流場變化對轉子工作的影響也最大。考慮到進口導葉機匣間隙對壓氣機流場的影響，明顯大于其它可調靜子間隙，本文采用三維數值模擬方法，分析了幾種不同結構形式可調進口導葉間隙對壓氣機性能的影響，并在此基礎上提出一種優化可調靜子間隙的設計方法。

2 算例概述

以進口導葉可調的某五級軸流壓氣機為例進行分析研究。該壓氣機具有結構尺寸小、葉片徑向間隙相對葉高比例大、葉片間隙對壓氣機性能影響大的特點。計算中考慮的間隙，包括轉子葉尖徑向間隙及進口可調導葉的根、尖間隙，其中轉子葉尖徑向間隙按相對葉高的0.75%給定。由于常規可調靜子結構設計(如圖1(a))，會在靜子根、尖部都形成徑向間隙，且考慮到算例壓氣機的流道徑向直徑小、葉片調節角度大等因素，為轉動預留的間隙較大，計算中給定為0.5 mm。文中分析了兩種結構形式的可調靜子葉片。傳統結構形式下，靜子葉片的根尖區域工作時有4個間隙。圖1(b)為優化后的結構形式，這種結構通過旋轉凸臺(轉軸)前移，使葉片前緣間隙消失，工作時只存在葉片尾緣的2個間隙。

網格劃分選用Numeca的CFD軟件包IGG/Au?toGrid軟件。使用AutoGrid模塊對除可調導葉外的葉片排進行網格劃分，使用IGG模塊對可調導葉進行手動網格劃分。IGG劃分網格時，導葉的幾何模型和通道邊界從AutoGrid模塊中導入，由此保證葉片幾何的準確性及通道邊界與其它葉片通道邊界的匹配性。與轉子徑向間隙的網格劃分不同，可調靜子間隙的網格處理相對復雜。考慮到現有CFD軟件對細微結構求解多存在失真度高的問題，同時也為了降低網格劃分難度，在網格劃分中忽略葉片上的退刀槽結構。另一方面，由于葉片相對較薄，將旋轉凸臺與葉片的圓弧型相貫線處理成直線。葉片排的網格拓撲類型使用帶O網的H-O-H型[2]，參照其余葉片排網格的網格參數。根據流動雷諾數，為滿足網格求解的Yplus原則，所有葉片排網格近壁面的第一層網格的尺度為0.003 mm，并保證生成網格的質量滿足要求[3]。

圖1 可調靜子葉片Fig.1 Variable stator vane

為校準CFD軟件的計算精度，同時分析、比較不同調節結構設計對性能的影響，共進行了4種導葉間隙方案(如圖2所示)的計算分析。方案1不考慮進口導葉間隙；方案2考慮小旋轉凸臺設計間隙(該尺寸為試驗壓氣機實際旋轉凸臺尺寸)，該旋轉凸臺前后間隙的弦向長度都比較大；方案3考慮大旋轉凸臺間隙，由于旋轉凸臺直徑變大，凸臺前后間隙的弦向長度都有明顯的減小；方案4是在大旋轉凸臺的基礎上將葉片轉軸適當前移，使得旋轉凸臺正好包覆葉片前緣，該設計的最大特點是凸臺前間隙消除，凸臺后間隙弦向長度有所增加。其中，方案1、2著眼于比較不同間隙計算處理對計算結果的影響，以及通過與試驗結果的對比來校準計算的精度；方案3分析凸臺大小對壓氣機性能的影響；方案4著眼于驗證優化間隙設計的實際效果。

3 三維仿真計算

三維計算采用Numeca的CFD軟件包FINE/Tur?bo。計算模式選用定常模式，利用Spalart-Allmaras湍流模型下的三維粘性湍流Navier-Stokes方程求解。轉、靜子交接面邊界設定使用基于線性歐拉方程特性分析的一維無反射邊界條件。

網格規模約為580萬，3層多重網格，Yplus值約為8，滿足湍流模型要求。計算邊界條件采用進口為總溫、總壓，出口為靜壓的設定方法。計算收斂判定標準：進出口界面流量保持恒定或進出口流量差在1%以內，且計算殘差水平保持穩定。在非設計點特性計算中，近喘點進出口流量差最大達到1.9%。喘點判定方法：按每次500 Pa的增量增加出口靜壓，直到計算發散，將發散前的一點作為喘點[4，5]。

4 計算結果及分析

圖2 間隙方案示意圖Fig.2 Clearance configurations

方案1與試驗結果的對比(見圖3)表明，該方案的數值分析具有較高的計算精度。方案1的計算流量較試驗值約大1.8%，最高效率和試驗值大致相當，堵點和喘點的效率比試驗值誤差略大，其中堵點高1.7%，喘點高1.3%。計算壓比裕度為21.5%，試驗壓比裕度24.2%。總體上看，利用CFD軟件，可較為準確地模擬該壓氣機設計轉速下的性能，滿足工程計算分析的精度要求。

方案2的計算結果表明，計算結果和試驗結果間的差異進一步縮小，計算流量與試驗流量差縮小到約1.0%，計算最高效率同試驗最高效率更為接近，堵點、喘點效率差分別縮小到1.2%和0.6%。

圖3 各方案計算結果對比Fig.3 Comparison of CFD result

方案2和方案1計算結果對比表明：考慮靜子根尖間隙后，由于間隙的存在使得間隙附近的流動分離加劇。本例中，在相關位置出現了脫離葉片表面的分離泡(圖4)，間隙的引入對整機性能影響明顯，計算流量減小0.8%，除最高效率基本保持不變外，設計轉速特性線上的效率最大降低0.7%，喘點壓比略有提高。對于以上計算結果，可從以下兩方面進行分析，一方面，不考慮靜葉間隙，使得導向葉片的葉型損失偏小，從而在一定程度上造成方案1的計算效率比方案2的高；另一方面，不考慮靜葉間隙，使得葉片根、尖端壁區沒有由間隙形成的堵塞效應，第一級轉子葉片的當地流量系數減小。同時，由于導葉間隙的存在，使得氣流在葉片尾緣間隙出口形成額外的耗散渦(圖4)，導致第一級轉子葉片的進口氣流預旋減小。第一級轉子根部區域，由于粘性的影響，近內流道壁面氣流軸向流速很小，從而造成氣流實際工作攻角很大。當進口導葉的預旋減小時，第一級轉子攻角會進一步增大。轉子攻角增大的直接后果就是轉子分離加劇，槽道實際流通面積減少，即流量減少。方案2的喘點壓比點略高于方案1及方案2的流量比方案1的小都印證了這一判斷。

方案3的結果表明，由于大旋轉凸臺的使用，靜

圖4 導葉0.5%葉高馬赫數等值線圖Fig.4 Mach number isolines at 0.5%span of guide vane

葉根尖間隙渦的產生和剝離都要早于方案2，間隙流的發展和影響范圍明顯大于方案2，使得壓氣機的性能進一步衰減。具體表現為，設計點性能和原始大小旋轉凸臺結構設計點性能相比，計算流量減小0.6%，效率降低0.3%。特性裕度方面，計算壓比裕度減小到18.5%，最高效率、壓比也略有降低。

方案4的計算性能明顯優于方案2、3的性能，但與方案1相比，差異很小，只是計算流量略小了0.1%，計算效率、計算壓比裕度和計算最高效率幾乎都一樣。該方案葉片根、尖在凸臺前沒有間隙，旋轉凸臺后有比試驗壓氣機略長的間隙，但計算結果卻與不考慮靜子葉片間隙的計算結果相當，這表明可調靜子葉片徑向間隙對壓氣機性能的影響主要由其旋轉凸臺前的間隙造成，旋轉凸臺后的間隙對性能的影響相對較小。方案3的低計算性能進一步說明，凸臺前緣間隙的弦向長度(即凸臺弦向前緣距葉片前緣的距離)對性能的影響起主要作用。使用傳統的可調靜子結構設計，旋轉凸臺的位置和大小存在一個優化選取的問題。使用旋轉凸臺遮蓋葉片消除靜子前緣間隙的設計，可有效控制甚至消除靜子間隙對壓氣機性能的影響。

5 結論

(1)可調靜子根尖徑向間隙的存在會使壓氣機性能發生一定的衰減，高精度的CFD模擬分析中應考慮該間隙結構，以提高CFD分析的精度。

(2)傳統可調靜子結構設計中，旋轉凸臺的位置及大小存在優化設計問題，調整旋轉凸臺設計，可有效控制靜子間隙對壓氣機性能的衰減。

(3)使用旋轉凸臺遮蓋葉片前緣的優化結構設計，可有效控制甚至消除靜子間隙對壓氣機性能的衰減，具有較大的工程實用價值。

[1]彭澤琰，杜聲同，郭秉衡.航空燃氣輪機原理[M].北京：國防工業出版社，2008.

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Effects of Clearance between Casing and Variable Stator Vane on Axial Compressor Performance

JIANG Zhi-jun，LAN Fa-xiang
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Variable stator vanes are used for regulating the characters of multi-stage axial compressor.It should have additional clearance flows between vane and casing for rotating requirements.The effects of clear?ance between casing and variable stator vane on multi-stage axial compressor performance are investigated by employing the CFD software.The relevant 3D viscous flow calculations show that the influence of clearance be?tween casing and variable stator vane can’t be neglected in precise CFD analysis.And the influence can be weakened by optimum design of stator rotating shafts.

axial compressor；variable stator；CFD；clearance；HPC

V231.3

A

1672-2620(2012)02-0021-03

2011-05-18；

2012-02-23

蔣志軍(1980-)，男，四川安岳人，高級工程師，主要從事航空發動機壓氣機氣動設計工作。