葉尖凹槽對某燃氣渦輪葉尖間隙流動影響的研究

甘明瑜，宋友富，譚 峰

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲412002）

航空發動機的發展對渦輪部件提出了更高的載荷和效率要求，小展弦比渦輪葉片在渦輪設計中得到了越來越多的應用。端區損失是小展弦比葉片氣動損失的主要來源[1]。對不帶冠的渦輪轉子，由于葉盆面與葉背面的壓力梯度存在，葉尖形成泄漏流并與主流摻混形成泄漏渦產生損失。Booth等[2]研究發現不帶冠渦輪轉子葉尖泄漏損失約占轉子氣動損失的45%、整級氣動損失的30%以上。因此，如何控制并減小葉尖泄漏損失是當前渦輪氣動研究的前沿重點方向。Denton等[3]發現葉尖泄漏損失與葉尖間隙、葉尖速度及葉尖載荷呈正比例關系。據此關系，科研人員發現葉尖造型可以有效減小泄漏流，提高渦輪效率。其中Morphins和Bindon研究發現吸力面肋條對降低射流系數，控制葉尖泄漏效果最好；Harvey和Ramsden研究發現葉尖加小翼可以使葉尖泄漏損失降低 31%，效率提高 1.2% ～ 1.8%[1，4，5]；Hourmouziadis和Albrecht的研究表明葉尖凹槽并不會帶來收益；楊佃亮、豐鎮平研究發現凹槽葉尖不僅可以通過增強間隙內部摻混顯著降低泄漏流量和動量[6]，并減小泄漏流與主流的夾角，在現代航空發動機高壓渦輪中得到廣泛應用，某發動機葉片實物見圖1。

圖1 某型發動機燃氣渦輪葉片毛坯實物圖

為研究葉尖凹槽對某燃氣渦輪的影響，文章對不同形式葉尖凹槽的的葉片進行了模擬，并對其影響進行了分析，為后續程設計中提供決策依據。

1 數值方法和邊界條件

本文采用數值模擬的方法研究了葉尖凹槽對某燃氣渦輪性能及流場的影響。計算采用商用軟件Numeca/Autogrid5生成分塊結構化網格。網格總節點個數約為295萬，其中導向器網格數約126萬，轉子約169萬（第一層網格尺度均為1×10-6m），O-4H拓撲結構，轉子葉尖間隙為0.22 mm，交界面均采用完全非匹配的混合界面傳遞參數。三維計算采用了商用軟件Ansys/CFX15.0，計算選擇SST湍流模型，求解三維定常粘性雷諾平均N-S方程，數值方法采用時間追趕的有限體積法，空間離散采用二階迎風格式，時間離散采用二階迎風格式。

渦輪進口邊界條件給定總溫、總壓和氣流角，渦輪出口給定靜壓；計算時考慮了葉尖泄漏及壁面粗糙度的影響；工質為燃氣，物性參數設置為變比熱。

為消除網格的影響，采用總數分別為295萬、351萬和427萬的3套網格（簡稱網格一、網格二、網格三）進行了模擬，模擬網格見圖2，計算結果見表1，分析顯示網格一與網格二、網格三在渦輪性能和流場方面均具有較高的一致性，已滿足網格無關性的要求。

圖2 計算網格圖

表1 網格無關性模擬結果

2 計算結果及分析

2.1 葉尖凹槽方案

研究了葉尖凹槽高度及葉尖凹槽長度兩個因素對性能及流場的影響，葉尖凹槽尺寸定義見圖3。文章共分析了8種狀態，見表2，為方便分析，文中不帶葉尖凹槽的平頂葉片方案簡稱Case 0，凹槽高度占葉高比例值5%、10%、20%、30%模擬方案依次簡稱Case A1～Case A4，凹槽長度占弧長比例值60%、75%、90%模擬方案依次簡稱Case B1～Case B3。

圖3 葉尖凹槽尺寸定義示意圖

表2 工作葉片葉尖凹槽參數

2.2 渦輪性能影響分析

凹槽高度對渦輪性能的影響見表3。分析可知，葉尖凹槽高度對渦輪性能的影響較小。葉尖凹槽不會影響燃氣渦輪進口流量，對渦輪反力度、級出口馬赫數參數也無影響；葉尖凹槽可減小葉尖泄漏流流量，其中Case A4相對Case 0葉尖泄漏流流量減小8.43%，且凹槽深度越深，泄漏流流量越小，但是凹槽高度達到一定比例后，泄漏流流量基本不變；葉尖凹槽可提高燃氣渦輪效率，但幅度很小，最大只有0.06%，且效率提高幅度與凹槽高度成正相關。

表3 不同葉尖凹槽高度的燃氣渦輪性能表

凹槽長度對渦輪性能的影響見表4。分析可知，葉尖凹槽長度對渦輪性能的影響較小。葉尖凹槽長度不會影響燃氣渦輪進口流量，對渦輪反力度、級出口馬赫數參數也無影響；葉尖凹槽可減小葉尖泄漏流流量，其中Case B3相對Case 0葉尖泄漏流流量減小44.38%，且凹槽長度越長，泄漏流流量越小；在60%～90%凹槽長度范圍內，葉尖凹槽可提高渦輪效率，幅度很小，最大只有0.06%，效率提升幅度與葉尖凹槽長度相反，凹槽越長，效率提高越小。

表4 不同葉尖凹槽長度的燃氣渦輪性能表

2.3 凹槽高度流場影響分析

圖4、圖5是燃氣渦輪工作葉片出口相對氣流角/馬赫數徑向分布圖。從總體趨勢看，葉尖凹槽設計可使渦輪出口氣流更為均勻，但影響幅度很小，葉片出口氣流角/馬赫數徑向平均值的變化很小，即使在葉尖區域，氣流角最大變動不超過0.5°，馬赫數變化不超過0.1。

圖4 工作葉片出口相對氣流角徑向分布圖

圖5 工作葉片出口相對馬赫數徑向分布圖

圖6 是燃氣渦輪工作葉片表面極限流線分布圖。與大部分文章分析結果不同，葉尖凹槽設計并未明顯改變葉尖泄露流的影響區域，泄漏渦的尺寸基本未發生變化。

圖6 工作葉片葉背面表面極限流線分布圖

圖7 是燃氣渦輪工作葉片表面等熵馬赫數分布圖。凹槽設計對燃氣渦輪工作葉片載荷的影響很小，只影響了70%葉高以上區域，其余區域基本無變化。葉尖凹槽設計可以減小葉片喉部后通道擴散引起的壓力變化，增大葉片尾緣區域的載荷，降低通道摻混損失，從而提高渦輪效率。總體來看，凹槽高度越大，效果越明顯，分析認為，凹槽越深，泄漏流越小，對主流的影響就越小，因而葉尖尾緣區域的做功能力越強，這與渦輪性能參數的變化趨勢是一致的。

圖7 工作葉片表面等熵馬赫數分布圖

圖8 是燃氣渦輪工作葉片S1流面80%葉高馬赫數分布云圖。分析可知，葉尖凹槽會擴展喉部高馬赫數區域，但可減小葉片排出口高馬赫數區域，這與葉片表面等熵馬赫數分布圖分析結果是一致的。

圖8 工作葉片S1流面80%葉高馬赫數分布圖

圖9 是燃氣渦輪工作葉片通道內的渦量發展圖。分析可知，葉尖凹槽能夠減小葉尖泄露渦的強度，且凹槽深度越大，泄露渦減小越明顯。

圖9 工作葉片通道渦量分布云圖

2.4 凹槽長度影響分析

圖10 是燃氣渦輪工作葉片表面等熵馬赫數分布圖。分析可知，凹槽長度對燃氣渦輪工作葉片載荷的影響很小。隨著葉尖凹槽長度的增加，葉片葉尖尾緣區域的載荷先增大，再減小，因而做功能力也是先增大后減小，這與渦輪性能參數變化趨勢一致。

圖10 80%葉高工作葉片表面等熵馬赫數分布圖

圖11 是燃氣渦輪工作葉片通道內80%葉高S1流面馬赫數分布云圖。分析可知，葉盆附近區域馬赫數基本未發生變化，葉尖凹槽擴展了喉部高馬赫數區域，這與凹槽寬度的趨勢一致，但隨著葉尖凹槽長度的增加，葉片排出口高馬赫數區域先減小后增大。分析認為，當凹槽長度增加到一定程度后，泄漏流雖然有所減小，但對葉片排出口區域主流的影響更為明顯，因而導致了葉片排出口區域的損失增加。

圖11 工作葉片S1流面80%葉高馬赫數分布圖

圖12 是燃氣渦輪工作葉片通道內的渦量發展圖。分析可知，隨著葉尖凹槽長度的增加，泄漏渦強度先減小，后增大。

圖12 工作葉片表面等熵馬赫數分布圖

3 結論

通過對帶葉尖凹槽的燃氣渦輪進行三維計算、分析，對比了平頂葉片與凹槽葉片在性能和流場的差異，并得到以下結論：

（1）葉尖凹槽葉片可提高渦輪效率，但幅度較小，最大只有0.06%；

（2）在5%～30%葉尖凹槽高度范圍內，凹槽高度越大，泄漏流流量越小，葉尖泄漏渦強度越小，渦輪效率提升越大；

（3）在60% ～90%葉尖凹槽長度范圍內，葉尖凹槽長度越長，泄漏流流量越小，但葉尖泄漏渦強度先減小后增大，效率提升幅度也是先增加后減小。