葉片積垢對壓氣機性能衰退的影響

王松，王國輝，韓青，王忠義，任翱宇

（1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001；2.東北輕合金有限責任公司民品事業部黑龍江哈爾濱150060）

葉片積垢對壓氣機性能衰退的影響

王松1，王國輝1，韓青2，王忠義1，任翱宇1

（1.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江哈爾濱150001；2.東北輕合金有限責任公司民品事業部黑龍江哈爾濱150060）

空氣中的粉塵、微粒容易隨空氣進入壓氣機，導致葉片、通道壁面等表面粗糙度增大，降低部件的效率和流通能力，進而影響整機性能。通過對某1.5級軸流壓氣機進行三維CFD數值模擬，采用基于表面粗糙度與隨機尺寸的積垢模擬方法，對積垢造成壓氣機性能衰退的機理進行對比分析，得到積垢后壓氣機的效率、壓比、軸向力的衰退與轉速的關系，以及壓氣機積垢后的流場變化情況。研究結果可為確定壓氣機清洗周期和預防葉片積垢提供借鑒。

壓氣機；葉片積垢；數值模擬；隨機尺寸；性能衰退

壓氣機作為燃氣輪機的三大主要部件之一，對燃機整體性能影響很大。在一般情況下，功率比為1.538～1.333，壓氣機效率變化1%，將使裝置效率變化1.8%～3%［1］。壓氣機工作過程中，葉片表面會逐漸沉積一層積垢，積垢的主要沉積位置在葉片的前緣、壓力面的50%葉高處及吸力面50%葉高以下部位［2］。Syverud等人通過向發動機的壓氣機入口內噴灑鹽水實驗還發現，動葉中積垢引起的表面粗糙度增大程度大約為靜葉中的一半［3-4］。積垢對壓氣機性能造成降低的主要原因在于：表面粗糙度的增加引起三維流動分離導致流動堵塞，從而引起流量降低［5-6］。隨著三維數值模擬研究方法的發展，對壓氣機內積垢影響的數值模擬研究越來越多，采用數值模擬的方法相對于實驗法來說其工作量及工作時間將大幅減小，設計成本也低得多［7］，目前主要采用的方法是設置葉片粗糙度。

本文將采用數值模擬的方法對某1.5級壓氣機葉片表面變化前后的流量、效率、壓比和軸向力等性能指標進行考核，研究積垢對壓氣機性能衰退的影響。通過對壓氣機積垢前的數值模擬，對比設計值與額定工況點數值模擬結果，確定模型和數值模擬方法的有效性。采用設定葉片粗糙度和改變葉型的方法分別模擬壓氣機葉片積垢并進行對比，利用Fine Turbo軟件分別針對2種方法進行數值模擬，得出效率、壓比、軸向力等性能參數，對比2種方法計算結果，繪制壓氣機特性曲線，分析流場變化，得到葉片積垢對壓氣機性能的影響。

1 研究對象

本文對某型1.5級壓氣機進行積垢對壓氣機性能衰退影響數值模擬，該壓氣機額定轉速為9 515 r／min，設計效率為87%，設計壓比為1.1738，設計流量為17.3 kg／s。壓氣機的子午流道面如圖1所示。

圖1 壓氣機子午面流道面Fig.1 Meridian plane of the compressor

2 控制方程

守恒型的質量、動量和能量方程為

式中：I＝δij為單位張量；Γ＝τij為粘性應力張量，對于牛頓流體有：

本文采用NUMECA軟件進行計算，選取加強型壁面函數的k-ε模型，計算殘差小于6×10－6。

3 數值模擬

3.1 網格劃分

采用NUMECA軟件包的Autogrid模塊生成結構化的計算網格，葉柵近壁面區采用O型網格，而遠壁面區采用H型網格，動葉頂部間隙區域采用“蝶形網格”［8］，單通道計算模型的網格數約為130萬，如圖2所示。

3.2 邊界條件

進口總壓：100 825 Pa，進口總溫：303 K，出口指定半徑處（0.14 m）靜壓從101 000～111 000 Pa，固體壁面采用絕熱、無滑移邊界條件，壓氣機葉片表面給定一定的粗糙度。積垢前葉片表面粗糙度：2× 10－6m；小尺寸積垢后葉片表面粗糙度：3.6×10－5m大尺寸積垢后葉片表面粗糙度：1×10－4m［9-10］。

圖2 網格劃分Fig.2 Gird plot

3.3 模型驗證

在壓氣機葉片積垢前，葉片的平均表面粗糙度取2×10－6m。在額定工況點對該計算域模型進行數值模擬，并將數值模擬結果與設計值進行比較，計算誤差見表1。誤差值在允許的誤差之內，因此說明所建立的模型是有效的，可以用于后續計算。

表1 模擬值與實驗值的比較Table 1 Comparison of numerical experimental results

3.4 葉片積垢模擬方法

3.4.1 增加葉片表面粗糙度

積垢沉淀、侵蝕、腐蝕等對葉片造成的損害都可以看成是增大葉片表面粗糙度。確定粗糙度為3.6× 10－5m。

3.4.2 改變葉片型線

在NUMECA軟件Autogrid5中使用geomturbo文件，在生成模型時，改變葉片各截面上吸力面型線和壓力面型線中的坐標點實現葉片型線的控制。通過Matlab軟件生成2組服從正態分布的隨機數，在原始葉片數據中選取若干個點，每個數據點軸向和徑向坐標不變，周向坐標值加上一個隨機數后會得到一個新的數據點，用這些新的數據點替換以前的數據點，形成新的葉型，其中取標準差σ＝10－5，期望值μ＝－3.6×10－5和μ＝－10－4分別作為小尺寸積垢和大尺寸積垢的腐蝕后葉片模型，這樣生成的模型更接近于實際葉片積垢情況，其中小尺寸結構與增加粗糙度方法相對應。

3.5 數值模擬結果

本文在100%、90%、80%、70%轉速下對2種葉片積垢模擬方法進行計算并對比分析結果。

圖3為壓氣機積垢后效率及壓比特性曲線，由圖可知壓氣機的流量-效率特性線以及流量-壓比特性線向下移動；采用改變粗糙度和改變型線法模擬小尺寸積垢得到的曲線基本重合；大尺寸積垢所導致的效率特性線和壓比特性線下移要更加的明顯，說明大尺寸積垢導致的壓氣機性能衰退更大。

圖3 壓氣機性能對比圖Fig.3 Comparison of compressor performance

表2給出了性能參數的衰退平均值，并給出了各參數的平均衰退率。從數據中可以看出改變型線法比改變粗糙度法計算的性能衰退率要大，大尺寸積垢造成的衰退率比小尺寸大。

表2 壓氣機積垢前后性能衰退對比Table 2 Comparison of compressor performance deterioration after and before fouling

表3對比了2種模擬方法在計算壓氣機小尺寸積垢后效率、壓比、軸向力時的相對誤差，可見2種方法的計算結果幾乎一致。表4和表5是100%、90%、80%、70%轉速下壓氣機性能衰退率，表4和分別為小尺寸和大尺寸積垢的模擬結果，可以看出隨著轉速的降低，效率和壓比的衰退量都逐漸降低，軸向力的衰退量是越來越大的。在不同的轉速下，壓氣機葉片大尺寸積垢的衰退量明顯大于小尺寸積垢的衰退量。

在實現同一增壓比的情況下，消耗機械功越少的壓氣機應該性能越好。因此在這里給出表征壓氣機性能的另一個重要參數——滯止等熵效率。圖4為不同轉速下壓氣機效率沿葉高分布圖。

表3 不同轉速下2種方法小尺寸積垢模擬的誤差Table 3 Deviation of the two ways of small size blade fouling simulation in different rotation rates

表4 小尺寸葉片積垢后壓氣機在不同轉速下的性能衰退Table 4 The performance deterioration ratios of compressor in different rotation rates after small size blade fouling%

表5 大尺寸葉片積垢后壓氣機在不同轉速下的性能衰退Table 5 The performance deterioration ratios of compressor in different rotation rates after big size blade fouling%

圖4 不同轉速下效率沿葉高分布圖Fig.4 The efficiency distribution along the blade height under different rotational speeds

由圖4可以看出，在不同轉速下，葉片積垢后其效率都有所下降，下降區域集中在10%～90%葉高處，大尺寸積垢效率下降更明顯，且轉速越低衰退越明顯。

3.6 流場分析

圖5為葉片積垢前后其吸力面的表面極限流線。積垢前動葉吸力面葉根位置流線出現了傾斜的最高位置在葉高的35%左右，這說明氣流在35%葉高以下靠近葉片尾緣處發生分離現象；從圖（b）可以看出，用增大粗糙度方法模擬動葉小尺寸積垢以后，葉片尾緣處的流線出現了明顯的向上抬起的現象，抬高的最大位置達到了葉高的60%左右，這說明發生分離現象的區域明顯增大，氣流流動情況發生了惡化；由圖（c）所示，用改變型線方法模擬葉片小尺寸積垢，其表面極限流線的分布規律和（b）基本相同；由圖（d）所示，用改變型線的方法模擬葉片大尺寸積垢后，葉片尾緣流線相對于小尺寸積垢向上抬起的非常明顯，說明大尺寸積垢導致的葉片表面氣流分離比小尺寸積垢的影響更大。

圖5 葉片吸力面流線Fig.5 Streamline of the suction-side surface

圖6 給出了葉片積垢前后50%葉高處相對馬赫數的分布情況。可以發現，馬赫數在整個流場中的分布基本一致，但在動葉出口處馬赫數的數值有了明顯的改變。積垢前，動葉出口的相對馬赫數大約處于0.46左右；用增大粗糙度方法模擬葉片小尺寸積垢后，動葉出口的相對馬赫數大約在0.467左右；用改變型線方法模擬葉片小尺寸積垢后，動葉出口的相對馬赫數大約在0.468左右；用改型線法模擬葉片大尺寸積垢后，動葉出口馬赫數大約在0.473左右。這說明積垢前動葉的增壓能力更強，而且葉片積垢以后，葉片尾緣的低速區有所增大，這將導致更多的能量損失，使效率下降。大尺寸積垢后相對馬赫數增大的更明顯，對效率的影響更大。

圖6 葉片50%葉高處馬赫數Fig.6 Mach number at the height 50%blade height

4 結論

本文以某型1.5級壓氣機為研究對象，對該型壓氣機在4種不同轉速（100%轉速、90%轉速、80%轉速、70%轉速）條件下進行了數值模擬，分別得出葉片積垢前后的壓氣機性能參數的變化情況，繪制不同情況下的壓氣機特性曲線，分析不同條件下壓氣機內部流場變化情況。得出如下結論：

1）分別用增加葉片粗糙度和改變葉片型線2種方法來研究葉片積垢對壓氣機性能的影響，其中改變葉片型線的方法采用了2種不同的積垢尺寸，小尺寸積垢與增加葉片表面粗糙度的方法相對應。通過用2種方法模擬葉片積垢對壓氣機性能及流場影響的分析，得到的結果非常相近，所以在模擬葉片積垢時，可根據實際情況進行選擇。

2）葉片積垢以后，壓氣機效率、壓比、軸向力等都有不同程度的衰退，效率和壓比在高轉速下衰退的比較大，滯止等熵效率在低轉速條件下下降更明顯。

3）積垢后擴大了葉片氣流分離區域，惡化了氣流的流動情況；葉片尾緣低速區增大，能量損失明顯，降低了壓氣機絕熱效率，對效率的影響主要集中在20%～70%葉高部分；大尺寸積垢表現更為明顯。

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Compressor performance deterioration caused by blade fouling

WANG Song1，WANG Guohui1，HAN Qing2，WANG Zhongyi1，REN Aoyu1
（1.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.The Civilian Department，Northeast Light Alloy Co.，Ltd.，Harbin 150001，China）

In the working process of compressor，various kinds of dust and particles in the air can be easily taken into the compressor.This will increase surface roughness of blades and walls.Furthermore，it will reduce the efficiency and flow capacity of components and affect the whole performance of compressor.A 1.5-stage axial flow compressor is set as an object by the 3-D numerical simulation computational fluid dynamics（CFD）method.Through fouling simulation of the surface roughness and random size，the comparison and analysis were carried out to research the mechanism of compressor performance deterioration caused by blades fouling.The relationship between speed and compressor efficiency，pressure ratio，axial force decreasing，as well as the change of flow field after the compressor fouling were obtained.Further study on the prevention of compressor blade fouling and determination of cleaning period can be based on the research results.

compressor；blade fouling；numerical simulation；random size；performance deterioration

10.3969／j.issn.1006-7043.201312076

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006－7043.201312076.html

V232.4

A

1006-7043（2014）12-1524-05

2013-12-23.網絡出版時間：2014-12-04.

國家自然科學基金資助項目（51309063）；高等學校博士學科點專項科研基金新教師類資助項目（20132304120012）.

王松（1963-），男，高級工程師；王忠義（1982-），男，副教授，博士.

王忠義，E-mail：wzy＠hrbeu.edu.cn.