級環(huán)境下葉片表面粗糙度對壓氣機氣動性能的影響

韓 菲，杜禮明，李文嬌，李 成

(大連交通大學 遼寧省高等學校載運工具先進技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

壓氣機葉輪的葉片表面粗糙度主要由制造工藝及流程決定，使用環(huán)境及維護對其也有重要影響.在工作過程中壓氣機不可避免會吸入空氣中所含的各種粉塵、微粒，這些粉塵、微粒與壓氣機內(nèi)的油污混合后就會殘留在葉片表面，黏附和堆積，然后形成積垢.粉塵、微粒的黏附和堆積，及其腐蝕作用將會導(dǎo)致葉片、通道壁面等表面粗糙度增大，造成壓氣機性能惡化，從而將導(dǎo)致整機性能下降，使得燃料消耗增加，以及穩(wěn)定運轉(zhuǎn)工況范圍的減小，并且運轉(zhuǎn)消耗和后期維護成本也會相應(yīng)增加［1］.因此，定量研究壓氣機的葉片表面粗糙度對其性能的影響不僅可以指導(dǎo)壓氣機的制造，還有利于壓氣機的高效安全運行控制，并可以為機器的維護提供技術(shù)支持.

此前最常用的方法是通過實驗?zāi)M研究壓氣機葉片表面粗糙度變化引起的壓氣機性能變化［2］.例如 Bammert等［3］人通過實驗研究手段，對比了一臺三級壓氣機中采用水力光滑的葉片和不同表面粗糙度對壓氣機級性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加葉片表面粗糙度將導(dǎo)致壓氣機流量明顯下降，且穩(wěn)定工況運轉(zhuǎn)范圍明顯減小，壓氣機的總壓比和效率也都顯著降低.Syverud等人［4］通過在GE J85-13發(fā)動機的壓氣機進口噴灑鹽水，研究表面粗糙度和局部污垢沉積對壓氣機級性能的影響.結(jié)果表明，表面粗糙度對壓氣機效率影響很大，在動葉中由于污垢沉積導(dǎo)致的表面粗糙度水平增加幅度約為靜葉中的50%，且在葉片吸力面和端壁的污垢沉積程度都比壓力面要小.Morini等［5-6］對高速壓氣機級NASA Stage 37進行了數(shù)值模擬研究，通過增加葉片的表面粗糙度以及葉片厚度來對污垢沉積進行建模，分析了污垢沉積對級性能的影響.琚亞平等人［7］研究表明:積垢葉輪的多變效率和總壓比較干凈葉輪均有顯著下降.李冬等人［8］利用標準葉型數(shù)據(jù)進行壓氣機建模，基于等價雷諾數(shù)修正原理，研究了壓氣機葉片由于積垢沉淀等因素引起粗糙度增大，導(dǎo)致其性能衰退.

本文以某離心壓氣機為研究對象，在級環(huán)境下(包括采進氣回流機匣處理結(jié)構(gòu)、葉輪、擴壓器和蝸殼)，采用數(shù)值方法，定量研究葉片表面粗糙度的變化對壓氣機級性能衰退的影響，為壓氣機的精益設(shè)計和高效運行提供參考.

1 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

本課題以某船用增壓器的離心壓氣機為研究對象，其三維實體幾何模型采用UG建立，見圖1.該壓氣機級包含壓氣機葉輪、葉片擴壓器、機匣、壓氣機蝸殼.詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

圖1 某離心壓氣機的幾何模型

表1 離心壓氣機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 仿真模型

為分析葉片粗糙度對整級性能的影響，本文的仿真模型為壓氣機級模型，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為減少計算量，流道采用單通道.實際上，在流動穩(wěn)定情況下各通道的流通情況完全相同.

仿真工具采用NUMECA公司的Fine/Turbo軟件包［9］.網(wǎng)格模型的建立采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，動葉輪部分利用周期邊界類型進行單通道網(wǎng)格劃分，蝸殼網(wǎng)格的劃分中采用了蝶形網(wǎng)格技術(shù)以提高網(wǎng)格質(zhì)量，轉(zhuǎn)靜面采用周向守恒型連接面.為了使計算結(jié)果更具可比性，機匣通道網(wǎng)格與葉輪通道網(wǎng)格采用完全非匹配連接.最后，通過IGG模塊，將所有分塊網(wǎng)格組合成壓氣機整級網(wǎng)格模型，見圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)為3 662 080.

圖2 壓氣機的計算網(wǎng)格

1.3 計算方法

計算求解域，即氣體流經(jīng)區(qū)域，是從壓氣機葉輪進口，經(jīng)過擴壓器，從蝸殼出口流出.流動介質(zhì)為可壓縮理想氣體，湍流模型選用Spalart-Allamras(Extended Wall Function)模型.離散格式采用二階Jameson中心格式，并采用四階時間推進方法結(jié)合當?shù)貢r間步長和多重網(wǎng)格技術(shù)加快求解速度，轉(zhuǎn)靜子交界面采用域平均方法進行處理.

仿真模型的進口邊界給定條件:進口氣流速度方向、總壓(101 300 Pa)、總溫(293 K);出口邊界條件:出口質(zhì)量流量、初始壓力;固體壁面為不滲透、無滑移、絕熱邊界條件;葉輪和擴壓器葉片區(qū)域設(shè)置周期性邊界條件.計算過程中，維持其他邊界條件不變，僅調(diào)整出口質(zhì)量流量或葉片表面粗糙度來.

2 計算結(jié)果與分析

2.1 計算模型的驗證

圖3 試驗與計算的性能比較

為驗證所建立的數(shù)值模型和數(shù)值方法的正確性，筆者就本文所研究的壓氣機進行了試驗研究.圖3為試驗結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果的特性曲線比較，雖失速端效率值相對差異略大，但在誤差允許范圍之內(nèi)，二者特性趨勢吻合較好，由此表明，本文的仿真模型是可行的.

2.2 總體性能分析

壓氣機的葉輪葉片表面質(zhì)量在生產(chǎn)制造過程中主要由制造工藝決定.目前市場中常見的壓氣機葉輪主要是壓鑄成型，經(jīng)拋光處理后表面粗糙度可達 Ra=0.8 ～6.3 μm.因此，新出廠的壓氣機葉輪葉片粗糙度可簡化為光滑狀態(tài).壓氣機在使用過程中會吸入大量的粉塵等雜質(zhì)，與壓氣機內(nèi)的油污混合殘留在葉片表面形成積垢，造成葉片表面粗糙度急劇惡化.空氣中的粉塵大小可達10 ～100 μm，塵土則可達 300 μm，而煤礦區(qū)的粉塵顆粒大小則能達到 600 μm［10］.據(jù)此，本文設(shè)置了四種葉片粗糙度:光滑葉片(即粗糙度為0μm)、100、200 與300 μm.

圖4為在額定工況(即轉(zhuǎn)速26 400 r/m、質(zhì)量流量2.88 kg/s)下壓氣機的總壓比和等熵效率隨葉片粗糙度的變化曲線.由圖可知，當葉片粗糙度增大后，壓氣機的性能參數(shù)都發(fā)生了不同程度的衰減.表明，葉片粗糙度對壓氣機的性能(壓比和效率)等影響明顯.

圖4 不同葉片粗糙度下的總壓比和等熵效率

圖5 不同葉片粗糙度狀態(tài)下的特性曲線

在這四種模型狀態(tài)下分別分析了不同質(zhì)量流量下壓氣機的內(nèi)流場變化及表面粗糙度對壓氣機級性能的影響趨勢.圖5為四種不同表面粗糙度狀態(tài)下級環(huán)境下壓氣機總壓比和絕熱效率隨出口質(zhì)量流量的變化曲線.

從圖5可以看出，葉片粗糙度增大造成總壓比和絕熱效率顯著降低:葉片表面粗糙度為100μm時，近失速工況相對于近阻塞工況壓氣機總壓比下降了11.8%，絕熱效率下降了10.36%;葉片表面粗糙度為200 μm時，近失速工況相對于近阻塞工況壓氣機總壓比下降了13.2%，絕熱效率下降了11.59%;葉片表面粗糙度為300 μm時，近失速工況相對于近阻塞工況壓氣機總壓比下降了16.1%，絕熱效率下降了13.9%.由此可見，葉片表面粗糙度越大，壓氣機級性能衰退越嚴重.

這是由于積垢等原因引起葉片表面粗糙度增大，從而造成壓氣機流道通流面積減小，同時葉片表面粗糙度增大，也會造成流道的通流阻力增大，造成壓氣機級性能下降.在這四種不同的葉片表面粗糙度下，壓氣機的級性能特性參數(shù)均在出口質(zhì)量流量為2.52 kg/s左右時達到最優(yōu).

2.3 內(nèi)部流場分析

圖6為葉片粗糙度為300 μm，出口質(zhì)量流量3.16 kg/s時，葉片B2B面的等熵云圖.由圖可知，靠近葉片前緣中上部表面的流場熵值明顯大于該部位的主流區(qū)，表明此處能量損失最大.氣流由進氣道流入壓氣機葉輪，在葉片間流動過程中撞擊在葉輪葉片上，造成氣流能量損失，使得葉輪葉片表面熵值增大，葉片的粗糙度越大，這種熵值也就越大.

圖6 葉片粗糙度為300 μm時葉片的等熵圖

在葉輪B2B面40%葉高葉片處，做出該截面處葉輪流道沿葉輪周向的熵值分布圖，見圖7.40%葉高葉片內(nèi)部流場中，靠近葉片表面的熵值可以高達40 J/(kg·K)，而此時該部位的主流區(qū)的熵值大概為0～20 J/(kg·K)，其值遠小于靠近端壁的熵值.

圖7 40%葉高流道熵值沿周向分布

圖8為不同表面粗糙度時的葉片總溫分布.由圖可知，葉片表面粗糙度增大時，葉片前緣中上部端壁溫度升高，即該部位流場的流動熱損失增大.當葉片表面粗糙度為300 μm時，葉片前緣中上部端壁溫度明顯較光滑表面葉片時大.這是由于隨著葉片粗糙度的增大，通流阻力增大，造成氣流通過壓氣機葉輪葉片時，熱損失增加，葉片端壁溫度升高，葉片表面熵值增大，對氣動性能產(chǎn)生不利影響.

圖8 不同表面粗糙度時的葉片總溫分布

3 結(jié)論

在壓氣機級環(huán)境下針對不同葉片表面粗糙度對離心壓氣機性能及內(nèi)部流場的影響進行了仿真分析，得到如下結(jié)論:

(1)葉片粗糙度對壓氣機的性能參數(shù)(如總壓比和效率)等影響明顯.隨著葉片表面粗糙度的增大，壓氣機級性能衰減加劇，葉輪葉片表面粗糙度增加到100 μm以上時，在近失速工況下壓氣機的總壓比和等熵效率下降達10%以上.因此，定期清洗和保養(yǎng)壓氣機葉輪很有必要，以保持壓氣機的高效運行;

(2)隨著葉片表面粗糙度增大，壓氣機內(nèi)部氣流能量損失增大，靠近葉輪前緣中上部的氣流能量損失比該部位的主流區(qū)更大;

(3)隨著葉片粗糙度的增大，通流阻力增大，造成氣流通過壓氣機葉輪葉片時，熱損失增加，葉片端壁溫度升高，對氣動性能產(chǎn)生不良影響.

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