閉式葉輪葉型誤差對某型燃?xì)廨啓C(jī)離心壓氣機(jī)性能影響的CFD研究

黃贊迪，黃譚喜，彭碧濤

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司產(chǎn)品設(shè)計所，株洲 412002）

閉式葉輪葉型誤差對某型燃?xì)廨啓C(jī)離心壓氣機(jī)性能影響的CFD研究

黃贊迪，黃譚喜，彭碧濤

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司產(chǎn)品設(shè)計所，株洲 412002）

旨在使用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學(xué)）方法對某型燃?xì)廨啓C(jī)閉式離心壓氣機(jī)的葉輪葉型加工誤差對性能的影響進(jìn)行定量研究。CFD仿真結(jié)果顯示葉型厚度增加0.1mm以上使壓氣機(jī)的性能降低明顯。此外，閉式葉輪上葉片的周向分布位置度誤差對性能影響較大。研究結(jié)果對零件驗收具有指導(dǎo)意義。

鑄造閉式葉輪；葉型誤差；CFD；壓氣機(jī)性能

0 引言

葉片、葉盤和葉輪的葉型對燃?xì)鉁u輪式發(fā)動機(jī)性能起決定性作用。在生產(chǎn)制造過程中應(yīng)盡最大努力控制葉型誤差，但是無法完全消除誤差。

CFD方法是將研究的流場對象進(jìn)行離散化處理，結(jié)合適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件設(shè)定，使用計算機(jī)按照選定的方法進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到計算結(jié)果的一種研究方法。其計算結(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格質(zhì)量（離散處理結(jié)果），計算模型（方法）的選擇有關(guān)。隨著技術(shù)進(jìn)步，目前CFD方法在葉輪機(jī)械的氣動性能計算方面具有廣泛運(yùn)用。同時CFD方法為研究葉型誤差對性能的影響提供了經(jīng)濟(jì)、有效的手段。朱家友[1]等人使用CFD方法對輪廓度公差在0.12mm的多種實(shí)際二維葉型的最小損失系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，表明二維葉型的最小損失系數(shù)的變化與其前緣半徑、最大厚度的誤差近似正相關(guān)。李冬[2]等人通過CFD方法定量研究了葉片表面粗糙度對壓氣機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓氣機(jī)葉片表面粗糙度增大時，壓氣機(jī)主要特性參數(shù)都不同程度的減小，使壓氣機(jī)總體性能下降。屠秋野[3]等使用數(shù)值方法研究了擴(kuò)壓器葉型上局部凸起的危害，結(jié)果表明局部凸起導(dǎo)致擴(kuò)壓器效率降低。

某型車用燃?xì)廨啓C(jī)具有兩級離心壓氣機(jī)，其閉式葉輪的流道面采用無余量熔模鑄造成型。高/低壓閉式葉輪結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。由于葉片頂端具有整體式外罩以及使用全新研制的高強(qiáng)度鎳鉻鉬鋼材料等原因，精鑄葉型面的質(zhì)量不佳，葉型誤差較大。本文使用CFD方法對該閉式葉輪的葉型誤差對壓氣機(jī)性能的影響進(jìn)行定量研究，以期為零件的工程制造驗收提供理論指導(dǎo)。主要工作包括研究當(dāng)前閉式葉輪零件鑄造過程中存在的葉型誤差問題分析；使用UG軟件對設(shè)計閉式葉輪模型進(jìn)行更改，得到典型的誤差模型；使用CFD軟件對誤差模型進(jìn)行性能仿真；對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，為零件生產(chǎn)制造提供指導(dǎo)。

圖1 低壓閉式葉輪

圖2 高壓閉式葉輪

1 偏差分析

1.1 零件狀態(tài)分析

使用高精度三坐標(biāo)儀對多個現(xiàn)有鑄造零件的葉型進(jìn)行計量，得到了具有代表性的葉型偏差情況，詳見表1。由于空間限制，只能以葉型前緣處為計量基準(zhǔn)，計量不同高度（Z）的截面內(nèi)的葉型。結(jié)果顯示計量葉型（綠色線條）相對設(shè)計葉型（紅色線條）的偏差在±0.23mm以內(nèi)。此外，在葉型比對時進(jìn)行了適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)偏移，這意味著整圈葉片的周向分布位置存在誤差。

表1 對齊前緣后計量葉型誤差

1.2 典型誤差建模

根據(jù)閉式離心葉輪鑄造存在葉型誤差的類型，可以建立誤差模型，用于CFD計算。建模過程使用UG軟件完成。建立葉片厚度變化模型時主要使用同步建模模塊中的“偏置面”命令；而建立葉片旋轉(zhuǎn)模型時主要使用“移動面”命令。由于本文研究的高/低壓閉式葉輪結(jié)構(gòu)相似度極高，因此計算以低壓為主高壓為輔。建立低壓閉式葉輪（R9A13030）模型5個、高壓閉式葉輪（R9A15001）模型3個。其中R9A13030-1、R9A15001-1為設(shè)計模型，其余模型存在不同程度的尺寸或特征變化，如表2所示。

表2 建模說明

2 模型分析

2.1 計算對象及過程

使用CFD方法對該發(fā)動機(jī)的雙級離心壓氣機(jī)進(jìn)行氣動性能計算，計算對象包括低壓級和高壓級。圖3為雙級離心壓氣機(jī)三維模型與子午流道簡圖。計算網(wǎng)格在IGG/AutoGrid5中生成，低壓級網(wǎng)格數(shù)約為131萬（13030-7約為158萬），高壓級網(wǎng)格數(shù)約為162萬（15001-4約為192萬），其周向、展向和流向均滿足多重網(wǎng)格要求。經(jīng)對比驗證，計算網(wǎng)格密度滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。邊界條件設(shè)定為進(jìn)口給定總溫、總壓及進(jìn)口氣流方向，出口在低壓比時給定平均靜壓，高壓比時給定質(zhì)量流量，如表3所示，其均為設(shè)計點(diǎn)工況參數(shù)值。計算模型采用Spalart-Allmaras模型。

表3 壓氣機(jī)計算進(jìn)口設(shè)定

圖3 雙級離心壓氣機(jī)三維模型與子午流道簡圖

2.2 計算結(jié)果

1）低壓設(shè)計模型（R9A13030-1）

圖4為使用低壓閉式葉輪設(shè)計模型時低壓壓氣機(jī)特性曲線，從圖中可以看出，低壓壓氣機(jī)在設(shè)計轉(zhuǎn)速下工況性能較為平緩，效率較高，設(shè)計點(diǎn)效率約79%，總壓比為4左右。

圖4 使用R9A13030-1時低壓壓氣機(jī)特性曲線

2）葉型厚度變化

圖5為使用葉型厚度不同的閉式葉輪時低壓壓氣機(jī)特性對比。從圖中可以看出，隨著葉片減薄，其特性曲線整體向右上方移動，即效率與壓比均呈上升趨勢，而且堵塞流量提高尤為明顯。這正對應(yīng)了跨音速葉輪設(shè)計中對葉片前緣半徑在滿足強(qiáng)度要求的前提下盡可能小以減輕葉片吸力面的氣流加速來降低損失的要求，這在大流量工況時尤為明顯。葉片減薄降低二次流的同時也增加了流量，另外葉片減薄也使得氣流通道面積變大，進(jìn)一步提升了葉輪的通流能力。

圖5 葉型厚度變化時低壓壓氣機(jī)特性曲線對比

3）R9A13030-7

圖6為使用R9A13030-7與使用設(shè)計模型時低壓壓氣機(jī)特性對比。從圖中可以看出，葉片周向分布存在2°誤差時低壓壓氣機(jī)效率有所降低，壓比下降明顯。葉片繞Z軸旋轉(zhuǎn)使得葉輪內(nèi)相鄰流道出口面積不同，破壞了流場出口的均勻度，導(dǎo)致后排的徑向擴(kuò)壓器匹配困難，降低了壓氣機(jī)的喘振裕度。

圖6 使用R9A13030-7時低壓壓氣機(jī)特性曲線對比

4）R9A15001-1

圖7為使用高壓閉式葉輪原始設(shè)計模型時高壓壓氣機(jī)的特性曲線，從圖中可以看出，高壓壓氣機(jī)在設(shè)計轉(zhuǎn)速下工況性能較為平緩，最高效率點(diǎn)接近80%。

圖7 使用R9A15001-1時高壓壓氣機(jī)特性曲線

5）R9A15001-4

圖8為使用R9A15001-4與使用原始設(shè)計模型時高壓壓氣機(jī)特性對比。與低壓閉式葉輪相似，葉片周向分布存在2°誤差時低壓壓氣機(jī)效率與壓比均有降低。

圖8 使用R9A15001-4時高壓壓氣機(jī)特性曲線對比

6）R9A15001-3

圖9為使用R9A15001-3與使用原始設(shè)計模型時高壓壓氣機(jī)特性對比。從圖中可以看出，葉片增厚使得壓氣機(jī)效率與壓比略有下降，但基本與原始葉輪相當(dāng)。喘振裕度、工況特性改變在可接受范圍內(nèi)。

圖9 使用R9A15001-3時高壓壓氣機(jī)特性曲線對比

2.3 計算結(jié)果分析

低壓閉式葉輪設(shè)計模型的效率約79%，壓比約4。高壓閉式葉輪設(shè)計模型分別為：80%以及2.6。隨著葉片厚度的增加，壓氣機(jī)的性能持續(xù)降低，主要表現(xiàn)在效率及堵塞流量減小，壓比能力也略有降低。雖然效率降低變化較小，但是堵塞流量的降低十分明顯。綜合分析各個葉片厚度的性能結(jié)果，葉片厚度增加0.1mm后的效率相對于設(shè)計模型基本不變，堵塞流量降低了約0.5%，整體性能小幅下降，在可接受的范圍內(nèi)。而當(dāng)葉片厚度增加0.2mm后的效率相對于設(shè)計模型降低了約2.6%，堵塞流量降低了約2%，整體性能下降。為保證整機(jī)的性能，在閉式葉輪的實(shí)際加工過程中應(yīng)該避免葉片厚度增加超過0.1mm。

低壓閉式葉輪的葉片旋轉(zhuǎn)2°，也即葉片均布誤差增大后，葉輪內(nèi)相鄰流道出口面積不同，加劇了出口流場的不均勻性。這導(dǎo)致后排的徑向擴(kuò)壓器匹配困難，降低了壓氣機(jī)的喘振裕度。此外，由于擴(kuò)壓器流場損失加大壓氣機(jī)的壓比下降。最終，壓氣機(jī)的壓比能力相對于設(shè)計模型下降約1.5%，效率降低約1%，堵塞流量下降約0.3%。因此，在閉式離心葉輪的零件制造過程中應(yīng)該降低葉片的周向位置度誤差值。

具有偏差的高壓閉式葉輪模型的計算結(jié)果具有與低壓閉式葉輪相似的結(jié)果，即隨著閉式葉輪葉片厚度的增加，壓氣機(jī)的整體性能降低；同時葉片周向位置度對壓氣機(jī)的整體性能影響較大。

鑒于上述計算結(jié)果，對閉式離心葉輪的葉型公差控制可以提出如下更改建議：

2）原圖紙對閉式葉輪進(jìn)、出口處（M、N段）的表面粗超度要求

3）在原圖紙標(biāo)注“22葉片EQS”處增加位置度要求，公差大小為0.1mm（M、N段）；

4）流道的輪廓度公差參照葉型公差進(jìn)行更改。

3 結(jié)束語

本文使用CFD方法研究了葉型誤差對閉式離心壓氣機(jī)性能的影響，并初步提出了對現(xiàn)有圖紙的更改建議。今后，在試驗條件滿足的條件下，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行閉式離心壓氣機(jī)部件的性能試驗，以進(jìn)一步驗證CFD仿真的結(jié)果。

[1] 朱家友,寧方飛.加工誤差對葉片氣動性能影響的數(shù)值模擬研究[D].北京:北京航空航天大學(xué),2015.

[2] 李冬,樊照遠(yuǎn),等.壓氣機(jī)葉片粗糙度對其性能衰退的影響研究[J].航空發(fā)動機(jī),2009(5).

[3] 屠秋野,周莉,等.葉型上局部凸起對擴(kuò)壓器性能影響的數(shù)值研究[J].航空計算技術(shù),2010(5).

CFD study of performance variations caused by rotor blade profle deviations of centrifugal compressors of a certain gas-turbine engine

HUANG Zan-di, HUANG Tan-xi, PENG Bi-tao

TK212

：A

1009-0134(2017)06-0069-05

2017-04-22

黃贊迪（1976 -），男，湖南邵陽人，高級工程師，本科，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)總體設(shè)計與試驗工作。