高反力度渦輪轉子葉尖間隙對渦輪性能的影響

黃鐵洋，張元輝

(沈陽發動機設計研究所，遼寧沈陽110015)

高反力度渦輪轉子葉尖間隙對渦輪性能的影響

黃鐵洋，張元輝

(沈陽發動機設計研究所，遼寧沈陽110015)

采用中溫模擬級性能試驗器，試驗研究了高反力度渦輪轉子葉尖間隙對渦輪級性能的影響，獲得了轉子葉尖間隙對渦輪級性能的影響規律。通過對試驗方案進行數值計算分析，并與試驗結果進行對比，驗證了數值計算分析方法的合理性。研究結果表明，當渦輪級反力度較高時，隨著相對葉尖間隙的減小，其對渦輪性能的影響越來越明顯；轉子葉尖間隙變化對導向器喉部流通能力也會產生一定影響。

航空發動機；反力度；葉尖間隙；級性能試驗；渦輪效率；數值計算

1 引言

隨著航空發動機推重比的增加，渦輪部件的氣動負荷也越來越高，單級渦輪葉尖截面的渦輪級反力度接近0.5，甚至更高。在如此高的渦輪級反力度條件下，如何控制轉子葉尖的間隙泄漏損失[1～5]，對提高渦輪效率有重要意義。

研究表明，單級渦輪中三分之一以上的流動損失由轉子葉尖間隙泄漏引起，渦輪葉尖間隙每減小相對葉高的1%，渦輪效率可提高1.5%，發動機排氣溫度降低20℃，燃油消耗率降低約1%，發動機排放大大降低。因此，合理控制轉子葉尖間隙，對提高渦輪及發動機性能尤為重要。而合理控制轉子葉尖間隙的前提，是要掌握此類渦輪性能隨葉尖間隙的變化規律，摸清葉尖間隙隨工況的變化規律。因此，在發動機研制過程中，通過變葉尖間隙試驗研究[6]，了解和掌握不同葉尖間隙對渦輪性能的影響，并結合數值計算分析研究葉尖間隙對性能的影響規律，同時驗證數值計算分析的合理性，對提高高負荷渦輪設計水平具有重要的工程應用價值。

本文在中溫模擬級性能試驗器上，對某渦輪進行了不同葉尖間隙的性能影響試驗研究，錄取了渦輪性能隨葉尖間隙的變化曲線，并對各試驗狀態進行了數值模擬分析，對試驗和計算的結果進行了比較，總結出了不同葉尖間隙對渦輪性能的影響規律。

2 試驗渦輪

試驗渦輪為高負荷、大冷氣流量單級軸流渦輪。渦輪膨脹比4.12，導向器出口平均馬赫數1.05，轉子出口平均相對馬赫數1.20，渦輪級載荷系數接近1.8，冷氣流量占渦輪進口流量的27%，渦輪級反力度平均值0.51，其中葉尖截面反力度接近0.55。為有效控制轉子葉尖間隙泄漏流損失，在轉子葉尖采用了不規則凹槽設計。

3 葉尖間隙對渦輪性能影響的試驗研究

3.1 試驗簡介

試驗用試驗器是帶有可調冷氣裝置的雙轉子中溫模擬渦輪試驗設備，可實現葉尖間隙對渦輪氣動性能影響的試驗研究。

高速運轉狀態下進行轉子葉尖間隙的動態測量非常復雜，因此目前國內預估轉子熱態葉尖間隙的通用方法還是基于轉子冷態裝配間隙，通過熱分析計算出轉子及機匣和外環塊的熱變形量，進而計算得出轉子熱態葉尖間隙值。本次試驗通過調整高壓渦輪外環塊高度的方式，保證4組不同轉子葉尖間隙裝配值。不同裝配間隙值及對應換算到試驗狀態(熱態)間隙值見表1。

表1 裝配間隙及對應試驗狀態間隙Table 1 Rotor tip clearance at cool and hot state

在渦輪進、出口截面周向各布置4支總壓和總溫測量探針，每支沿徑向有5個測點。試驗時渦輪進口總壓、總溫和冷氣流量比保持不變，錄取相對轉速0.8～1.0、膨脹比2.6～4.2范圍內的渦輪總特性。

3.2 試驗結果分析

設計轉速下渦輪性能隨葉尖間隙的變化曲線如圖1所示。可見，轉子葉尖間隙對渦輪性能影響的規律有：①隨著渦輪葉尖間隙的減小，渦輪導向器喉部換算流量也逐漸減小，說明在設計轉速該高壓渦輪限流發生在轉子候部。②隨著轉子葉尖間隙的減小，渦輪效率持續提高，且在小間隙狀態下，減小間隙帶來的效率提升更為顯著；相對葉尖間隙從3%降低至1%時相對效率提高約2%，而相對葉尖間隙從1%降低至最小間隙0%時相對效率提高也約為2%，說明對于高反力度渦輪，越是接近轉子外環塊位置，葉尖間隙對渦輪性能的影響越明顯。③隨著轉子葉尖間隙的減小，渦輪折合功逐漸提高，折合功隨間隙的變化規律與效率的變化規律一致。

圖1 渦輪性能參數隨葉尖間隙的變化(ncor=1.0，試驗)Fig.1 Turbine performance parameters vs.tip clearance (ncor=1.0,test)

4 葉尖間隙對渦輪性能影響的數值計算分析

4.1 數值計算方法

采用Ansys CFX軟件對渦輪設計點進行變葉尖間隙數值計算分析[7]。計算采用葉片UG實體模型，利用ICEM網格生成軟件對主流通區域進行結構化網格劃分，對冷卻流路及氣膜孔進行非結構化網格劃分，網格節點總數約960萬(圖2)。渦輪進、出口參數由試驗測量結果給定，冷卻流路給定流量邊界條件，冷氣總溫305 K。計算中未考慮壁面換熱，導、動葉交界面采用混合平面法處理，湍流模型采用SST模型。設計點渦輪轉子葉尖復雜流動結構見圖3[8，9]。

圖2 轉子計算網格Fig.2 Rotor calculation grid

圖3 轉子葉尖極限流線圖Fig.3 Rotor tip streamline

4.2 數值計算結果分析

在設計狀態參數條件下，分別計算相對葉尖間隙為0%、1%、2%和3%下的渦輪性能，結果如圖4所示。可見，計算結果與試驗結果的趨勢基本一致。隨著渦輪葉尖間隙的增大，渦輪導向器喉部換算流量逐漸增大，計算值與試驗值的差值逐漸減小，且計算值小于試驗值；渦輪效率和渦輪功率都逐漸降低，計算值與試驗值相差都逐漸減小，在0%間隙計算值與試驗值相差都較大。

圖4 渦輪性能參數隨葉尖間隙的變化(ncor=1.0)Fig.4 Turbine performance parameters vs.tip clearance(ncor=1.0)

圖5 無量綱出口總壓試驗與計算結果對比Fig.5 Test results vs.calculation of non-dimensional outlet total pressure

圖5、圖6分別為相對葉尖間隙1.0%條件下，渦輪出口總壓和馬赫數計算結果與試驗結果的徑向分布對比。從總的趨勢上看，計算結果與試驗結果趨勢基本一致，因測量探針距轉子葉片內、外端壁有相對葉高10%距離，因此在轉子出口內、外端壁附近，試驗結果還無法反映流動的真實情況。

圖6 出口馬赫數試驗與計算結果對比Fig.6 Test results vs.calculation of outlet Mach number

5 結論

利用中溫模擬渦輪試驗器進行了高反力度、大冷氣流量渦輪變葉尖間隙性能試驗，并采用主氣與冷氣流路分別劃分計算網格的計算方法對試驗結果進行了對比分析，得出如下結論：

(1)對于高反力度渦輪，相對葉尖間隙從3%降低至1%時，相對效率提高約2%，而相對葉尖間隙從1%降低至最小間隙0%時，相對效率提高也約為2%，說明越是接近轉子外環塊位置，葉尖間隙對渦輪性能的影響越明顯。

(2)設計轉速下隨著渦輪葉尖間隙的減小，渦輪導向器喉部換算流量逐漸減小，說明該高壓渦輪限流發生在轉子喉部，間隙大小會影響到高壓渦輪的流通能力。

(3)采用主氣與冷氣流路分別劃分計算網格、不考慮壁面換熱的計算方法所計算的結果，與試驗結果吻合較好，說明采用這些計算方法基本可以預估渦輪內部復雜流動，具有較高的工程應用價值。

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Effect of Rotor Tip Clearance of High-Reaction Turbine on Performance

HUANG Tie-yang，ZHANG Yuan-hui
(Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China)

The effect of tip clearance on turbine stage efficiency in a high-reaction turbine was investigated by mid-temperature test and numerical simulation,and the effect rule was obtained.The rationality of nu?merical calculation method was demonstrated through comparison between the calculation results and test results.Research results indicate that efficiency influence is more obvious in a high-reaction turbine and mass flow of turbine stator is mutative in different tip clearance.

aero-engine；reaction；tip clearance；stage performance test；turbine efficiency；numerical calculation

V231.3

：A

：1672-2620(2014)04-0018-04

2014-05-15；

：2014-06-21

黃鐵洋(1981-)，男，遼寧遼陽人，工程師，從事航空發動機設計工作。