某壓氣機第一級轉子葉片切角對氣動性能的影響

高勇強 劉濤

摘 要： 本文對某壓氣機第一級轉子葉片前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角前后的氣動性能進行了計算分析，結果表明：轉子葉片切角后氣動性能下降，前緣切角氣動性能降低的最多，尾緣切角氣動性能降低的最少;轉子葉片氣動性能降低的量與前緣切角葉片數正相關。

關鍵詞：轉子葉片;切角;氣動性能;前緣;尾緣

航空發動機在裝配、使用過程中，由于裝運損壞、腐蝕、吞冰、異物擊傷等原因，其壓氣機葉片難免會造成損傷[1，2，3]。對于葉尖出現卷邊、缺口、撕裂等現象的轉子葉片，通常進行切角處理。針對可能出現葉尖前緣損傷、尾緣損傷、前尾緣損傷的情況，分別需進行前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角處理。例如：某轉子葉片葉尖前緣被砂石擊傷出現缺口后進行前緣切角處理，如下圖1（左—出現缺口的葉片，右—前緣切角后的葉片）。某壓氣機第一級轉子有20片葉片，葉片高度約50mm，展弦比1.5左右。本文以該轉子為研究對象，斜切量暫定葉片高度的1/10，對其葉片前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角前后的氣動性能進行計算分析。

1 切角后的葉片造型

采用三次樣條插值程序，對原始葉型葉尖附近截面進行插值。

輸入葉片切角起始截面的軸線方向坐標X0，高度方向坐標Z0，切角與水平方向的夾角α，得到一條直線，該直線沿著±Y軸（Y軸由右手螺旋法則確定）方向拉伸形成切割面，切割面與等Z截面葉型相交求出切角后的葉型（切角處未加圓弧）。

葉片切角后為了防止出現應力集中、壓氣機氣動性能急劇衰減的現象，一般由鉗工將切角處拋修光滑。葉片建模時切角處采用加圓弧處理。

最終生成前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角的葉片模型如圖2（從左至右依次為原始葉型，前緣切角后的葉型，尾緣切角后的葉型，前尾緣切角后的葉型）。前緣切角葉型的斜切量為1/10葉高，切角方向與前緣線近似45°夾角;尾緣切角葉型的斜切量為1/10葉高，切角方向與尾緣線近似45°夾角;前尾緣切角葉型中：前緣斜切量為1/20葉高，前緣切角方向與前緣線近似45°夾角，尾緣斜切量為1/20葉高，尾緣切角方向與尾緣線近似45°夾角。

2 單通道計算

2.1 計算設置

單通道計算可以模擬全部葉片切角前后氣動性能的變化。網格劃分采用CFX中Turbogrid模塊，網格拓撲結構采用H-C-J-L選項。第一級轉子葉片數5萬左右，其余葉片排每排網格數5萬左右，總網格數約20萬。轉子葉尖間隙設置為0.25mm，靜子葉根間隙設置為0.25mm。計算采用k-ε湍流模型，同時加入人工粘性項。

邊界條件給定如下：進口邊界條件給定總壓101325Pa、總溫288.15K、氣流方向角（軸向進氣）、第一、二級轉子轉速（設計轉速）;出口邊界條件給定平均靜壓;壁面邊界條件設置為絕熱無滑移條件;交接面設置為混合平面法。

判斷計算收斂的準則：殘差≤10-5;100個物理時間步內進出口流量相差≤0.1%進口流量。通過逐步增加出口被壓，得到壓氣機從堵點到失速點的特性線。

2.2 計算結果及分析

采用相同的網格模板、計算設置得到全部葉片切角前后特性。全部葉片切角后轉子氣動性能下降：堵點流量降低0.02%～0.1%，最高壓比降低0.3%～0.9%，最高效率降低0.1～0.2個百分點，流量裕度降低1.3～2.9個百分點。流量裕度的計算公式如下：SM=（1-GS/GC）×100%，式中GS喘點流量，GC堵點流量。

前緣切角氣動性能降低的最多，尾緣切角氣動性能降低的最少。

葉片切角后，尖部弦長變短，葉片做功能力下降，流量、壓比降低;葉片尖部前尾緣半徑變大，效率降低[4，5];切角處相對間隙增加，間隙泄漏加劇，流量裕度降低。與尾緣切角相比，前緣切角后葉尖馬赫數更高，通道中低速區更大（如圖3），氣動性能降低的更多。

單通道計算結果表明：前緣切角、尾緣切角、前尾緣切角三種情況下，前緣切角對第一級轉子氣動性能影響最為顯著。下文對該轉子氣動性能影響最為顯著的前緣切角進行計算分析。

3 多通道計算

3.1 雙通道計算

雙通道計算可以模擬10片葉片切角情況下轉子氣動性能的變化。第一級轉子采用雙通道進行網格劃分，網格數約10萬，總網格數約25萬，其余設置與第2.1節相同。

采用相同的網格模板、計算設置得到10片葉片前緣切角前后轉子的特性。10片葉片前緣切角后轉子氣動性能下降，堵點流量降低0.02%，最高壓比降低0.4%，最高效率降低0.1個百分點，流量裕度降低1.4個百分點。

3.2 四通道計算

四通道計算可以模擬第一級轉子5片葉片切角情況下轉子氣動性能的變化。第一級轉子選取4個通道進行網格劃分，網格數約20萬，總網格數約35萬，其余設置與第2.1節相同。

采用相同的網格模板、計算設置得到5片葉片前緣切角前后轉子的特性。5片葉片前緣切角后轉子氣動性能下降，堵點流量降低0.02%，最高壓比降低0.3%，最高效率不變，流量裕度降低0.7個百分點。

3.3 十通道計算

十通道計算可以模擬第一級轉子2片葉片切角情況下氣動性能的變化。第一級轉子選取10個通道進行網格劃分，網格數約50萬，總網格數約65萬，其余設置與第2.1節相同。

采用相同的網格模板、計算設置得到2片葉片前緣切角前后轉子的特性。2片葉片前緣切角后氣動性能輕微下降，堵點流量降低0.02%，最高壓比不變，最高效率不變，流量裕度不變。

3.4前緣切角葉片數對氣動性能的影響

隨著前緣切角葉片數的增加，壓氣機第一級轉子氣動性能的降低逐步加劇，第一級轉子氣動性能降低的量與切角葉片數正相關（如下圖4）。

4 結論

本文對某壓氣機第一級轉子葉片前緣切角1/10葉高、尾緣切角1/10葉高、前尾緣切角共1/10葉高前后的氣動性能進行了計算分析，結果表明：

（1）全部葉片切角后第一級轉子氣動性能下降，前緣切角氣動性能降低的最多，尾緣切角氣動性能降低的最少。

（2）第一級轉子氣動性能降低的量與前緣切角葉片數正相關。

參考文獻：

[1] 康繼東，陳士煊等. 壓氣機葉片外物損傷及其維修性的研究進展[D].燃氣渦輪試驗與研究， 1998，11.

[2] 關玉璞，陳偉，高德平.航空發動機葉片外物損傷研究現狀[J].航空學報， 2007（04）

[3] 潘輝，趙振華等. 航空發動機葉片外物損傷試驗模擬方法[J].航空發動機， 2012（01）

[4] 彭澤琰，劉剛.航空燃氣輪機原理（上冊）[M].北京：國防工業出版社，2000.

[5] 楚武利，劉前智，胡春波.航空葉片機原理[M].西安：西北工業大學出版社，2009.

作者簡介：

高勇強（1988—），男，漢族，河南漯河人，碩士，工程師，研究方向：壓氣機氣動設計。