夏 天，程榮輝，陳仰軍

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都610500)

1 引言

在軸流壓氣機(jī)中，靜子容腔的存在會(huì)對壓氣機(jī)性能產(chǎn)生較大的影響。為抑制壓氣機(jī)主流通道與葉根軸向間隙下方空腔之間的流量交換，工程上常采用篦齒封嚴(yán)等措施，但仍難以完全消除葉根軸向間隙泄漏流。

葉片根部泄漏流對壓氣機(jī)性能的影響稱之為根部容腔效應(yīng)，有關(guān)此類的研究并不多。Wellborn等[1]對低速多級壓氣機(jī)的葉根泄漏流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)帶內(nèi)環(huán)的靜子葉根泄漏可影響下游葉排全葉高的流動(dòng)，并使壓氣機(jī)的增壓比和絕熱效率大幅降低；Shabbir等[2]的研究表明，轉(zhuǎn)子前葉根泄漏流的確可以造成轉(zhuǎn)子葉根附近出現(xiàn)較高的流動(dòng)損失。但在高速軸流壓氣機(jī)中，葉根軸向間隙泄漏流對轉(zhuǎn)子性能的影響機(jī)理仍不十分清楚。

本文采用商用軟件NUMECA對某多級軸流壓氣機(jī)第一級進(jìn)行數(shù)值模擬，研究小流量壓氣機(jī)靜子容腔對壓氣機(jī)流場以及性能的影響，分析壓氣機(jī)性能對篦齒封嚴(yán)間隙變化的敏感程度，并進(jìn)行工程實(shí)踐上的初步探索。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 研究對象

本文研究的某多級軸流壓氣機(jī)靜子根部容腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。該壓氣機(jī)第一級有兩處篦齒封嚴(yán)容腔，其中1號容腔由于壓力較低，且泄漏流不會(huì)影響到葉片上游通道內(nèi)的氣體流動(dòng)，故將其近似處理為盲腔；2號和3號容腔由封嚴(yán)篦齒隔開。篦齒齒尖傾角為15°，齒尖寬度為0.2 mm，齒尖間距為2.8 mm，齒高為3 mm。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

使用AUTOGRID生成網(wǎng)格，葉片網(wǎng)格型式為H-O-H型。葉片及通道網(wǎng)格數(shù)約為62萬，網(wǎng)格質(zhì)量較好，其最小正交性16.993，最大長寬比2 879.774，最大延展比3.516。另外，采用分區(qū)網(wǎng)格技術(shù)對容腔及篦齒封嚴(yán)間隙進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了能清楚觀察容腔內(nèi)氣體的流動(dòng)，還對每個(gè)容腔網(wǎng)格進(jìn)行了分塊和加密處理。

在靜子容腔建模過程中，要保證容腔和篦齒處具有高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格，初始的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尤其重要。首先，在子午投影面上將幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的容腔劃分成若干個(gè)網(wǎng)格塊，同時(shí)保證相鄰兩個(gè)塊之間的連接邊完全匹配及每個(gè)塊內(nèi)網(wǎng)格的正交性。將幾何結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的2、3號容腔劃分成39個(gè)網(wǎng)格塊，并完成對該幾何結(jié)構(gòu)的拓?fù)?。子午面網(wǎng)格生成后，通過沿周向旋轉(zhuǎn)生成三維網(wǎng)格。最后，完成篦齒封嚴(yán)容腔與葉片通道主流區(qū)域交接面的網(wǎng)格連接。容腔的上游與靜子根部搭接部分完全重合，設(shè)置為連接面；容腔的下游與靜子根部的搭接面不完全重合，設(shè)置為完全非匹配連接面。1號容腔計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)約為13萬，2、3號容腔計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)約為47萬。容腔網(wǎng)格質(zhì)量較好，其最小正交性18.261，最大長寬比87.884，最大延展比3.516。圖2為容腔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖。計(jì)算邊界條件為：進(jìn)口總壓101 325 Pa，進(jìn)口總溫288.15 K，湍流模型為S-A模型。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算方案

本文建立了兩種不同結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)單級葉片模型，第一種方案為不帶靜子容腔模型，第二種方案為帶靜子容腔模型(封嚴(yán)篦齒間隙為0.7 mm)。

3.2 三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 流場內(nèi)部情況

圖3和圖4分別為兩種模型工作點(diǎn)及近喘點(diǎn)的極限流線分布圖?？梢钥闯觯粠ъo子容腔的模型由于葉根邊界層的流向動(dòng)量較強(qiáng)，流體抵抗周向壓力梯度的能力也較強(qiáng)，因而葉根吸力面角區(qū)分離及二次流較弱；帶靜子容腔模型的靜子根部泄漏流在葉片通道內(nèi)部由于周向壓力梯度的作用逐漸向吸力面靠攏，然后在近尾緣處的葉根/吸力面角區(qū)堆積，渦的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)由工作點(diǎn)的開式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了近喘點(diǎn)的閉式結(jié)構(gòu)，且靜子根部容腔的泄漏流導(dǎo)致靜子葉根下游、靠近葉片吸力面處出現(xiàn)較大的滯止區(qū)。在帶靜子容腔模型的出口葉片中，由于泄漏流和端壁附面層影響的累計(jì)作用，流場惡化十分嚴(yán)重，幾乎70%的葉片通道充斥著低能量的失速團(tuán)。

3.2.2 容腔對性能的影響

通過對兩種模型的三維特性計(jì)算結(jié)果(見圖5)進(jìn)行對比，研究了靜子容腔對壓氣機(jī)性能的影響情況，從圖中可以看出：

(1)隨著壓比的增大，三維特性線的流量均呈下降趨勢，帶靜子容腔模型的流量裕度明顯減小。

(2)帶靜子容腔模型的三維特性線最高效率點(diǎn)比不帶靜子容腔模型的低1.7%。同一壓比下，帶靜子容腔模型的流量最大下降了約1%。這是由于靜子根部篦齒封嚴(yán)泄漏氣流進(jìn)入主流區(qū)通道后，嚴(yán)重干擾了主流區(qū)氣體的流動(dòng)，葉片根部出現(xiàn)堵塞，分離增大，造成葉片通道內(nèi)的有效流通面積迅速減小，從而導(dǎo)致流量和效率降低。

表1為不帶靜子容腔及帶靜子容腔模型近喘點(diǎn)三維計(jì)算結(jié)果比較?？梢钥闯觯涸诮c(diǎn)附近，容腔對壓氣機(jī)性能影響較大，帶靜子容腔模型的近喘點(diǎn)效率比不帶靜子容腔模型的下降了1.5%。經(jīng)計(jì)算，不帶靜子容腔模型的喘振裕度為10.68%，帶靜子容腔模型的喘振裕度下降到了5.46%。

表1 不帶靜子容腔及帶靜子容腔模型三維計(jì)算結(jié)果比較Table 1 Comparison of 3d calculation results

圖6為壓比1.576時(shí)兩種模型的靜子進(jìn)出口氣流角徑向分布圖?？梢钥吹剑陟o子葉片根部，帶靜子容腔模型的進(jìn)出口氣流角明顯增大，出口氣流角最大增加了5°。這是由于靜子容腔泄漏流的存在，葉片通道中部以下區(qū)域出現(xiàn)了分離渦，從而造成氣流角變化。

圖7為壓比1.576時(shí)兩種模型的靜子進(jìn)出口馬赫數(shù)徑向分布圖?？梢钥吹?，帶靜子容腔模型的靜子葉片中部及尖部的出口馬赫數(shù)增大。這是由于靜子根部發(fā)生了堵塞，導(dǎo)致流道內(nèi)流通面積變小所致。

圖8為壓比1.576時(shí)兩種模型的靜子總壓恢復(fù)系數(shù)徑向分布對比圖。如圖所示，帶靜子容腔模型的靜子根部總壓恢復(fù)系數(shù)驟減，最大下降了4.5%。這是因?yàn)槎逊e在帶靜子容腔模型靜子根部的泄漏流會(huì)惡化其根部流場，導(dǎo)致級性能變差。

4 結(jié)論

(1)帶靜子容腔模型的葉根間隙泄漏流可造成靜子葉根附近流動(dòng)惡化，導(dǎo)致葉片通道中部以下區(qū)域出現(xiàn)分離渦，并且隨著背壓的升高，分離逐漸加劇，二次流變強(qiáng)；

(2)本研究中不帶靜子容腔模型的喘振裕度為10.68%，帶靜子容腔模型的喘振裕度下降到了5.46%，容腔效應(yīng)使級穩(wěn)定工作范圍變窄；

(3)帶靜子容腔模型的三維特性線最高效率點(diǎn)比不帶靜子容腔模型的降低了1.7%，同一壓比下帶靜子容腔模型的靜子根部總壓恢復(fù)系數(shù)驟減，最大下降了4.5%。

(4)業(yè)內(nèi)對常規(guī)結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)三維數(shù)值模擬積累了較多的工程經(jīng)驗(yàn)，但對于帶容腔等復(fù)雜模型的三維數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)不足(如容腔內(nèi)部流場細(xì)節(jié)、網(wǎng)格總數(shù)等)，還需進(jìn)行更加深入的研究。

[1]Wellborn S，Okiishi T H.Effects of Shrouded Stator Cavity Flowson Multistage AxialCompressorAerodynamic Performance[R].NASA CR-198536，1996.

[2]Shabbir A，Adamczyk J J，Strazisar A J，et al.The Effect of Hub Leakage Flow on Two High Speed Axial Flow Compressor Rotors[R].ASME 97-GT-346，1997.