張劍

葉尖間隙對(duì)渦輪性能影響的計(jì)算與試驗(yàn)研究

張劍1，2

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇南京210016；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

采用電容型葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)首次對(duì)單級(jí)渦輪級(jí)性能試驗(yàn)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子葉尖間隙進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量，并利用獲得的葉尖間隙熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完善了渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙計(jì)算方法。同時(shí)，開(kāi)展了變?nèi)~尖間隙的渦輪級(jí)性能試驗(yàn)，總結(jié)了葉尖間隙對(duì)渦輪性能的影響規(guī)律。另外，還對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步研究了葉尖間隙對(duì)渦輪性能的影響。結(jié)果表明，電容型葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性，利用該系統(tǒng)有助于掌握葉尖間隙真實(shí)變化規(guī)律，提高試驗(yàn)安全；通過(guò)對(duì)葉尖間隙實(shí)時(shí)測(cè)量，可正確評(píng)估渦輪性能隨葉尖間隙的變化規(guī)律，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

渦輪部件；葉尖間隙；動(dòng)態(tài)測(cè)量；性能試驗(yàn)；數(shù)值模擬

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率有著重要影響。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，轉(zhuǎn)子葉尖與機(jī)匣間的徑向間隙應(yīng)盡可能小，以減少因工作介質(zhì)泄漏造成的損失；但間隙又不能太小，否則將可能產(chǎn)生葉尖與機(jī)匣碰磨，導(dǎo)致零部件損壞，影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全。徑向間隙過(guò)大會(huì)使效率降低，渦輪前溫度升高。據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹，葉尖間隙每增加葉片高度的1.0%，渦輪部件效率約降低1.5%，耗油率及全壽命費(fèi)用相應(yīng)增加?？傊?，間隙過(guò)大或過(guò)小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)都不利。

在設(shè)計(jì)中控制最佳間隙，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、保證飛行安全尤為重要。而合理設(shè)計(jì)間隙，關(guān)鍵在于了解并掌握其變化規(guī)律。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，通過(guò)對(duì)間隙進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到間隙隨不同轉(zhuǎn)速及狀態(tài)的變化規(guī)律，并驗(yàn)證理論計(jì)算的合理性，這對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)、保證試車(chē)試驗(yàn)安全具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。

以往的發(fā)動(dòng)機(jī)部件及整機(jī)試驗(yàn)，是在裝配渦輪轉(zhuǎn)子時(shí)獲取冷態(tài)葉尖間隙，再通過(guò)理論計(jì)算獲得工作間隙。不過(guò)理論計(jì)算目前尚難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)間隙，只有通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量才能獲知其真實(shí)變化。

本文對(duì)某渦輪級(jí)性能試驗(yàn)狀態(tài)下的葉尖間隙進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量，與理論計(jì)算進(jìn)行了比較，錄取了渦輪性能隨葉尖間隙的變化曲線(xiàn)，并通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)性能參數(shù)進(jìn)行了比較，總結(jié)了渦輪葉尖間隙對(duì)性能的影響規(guī)律。

2 渦輪葉尖間隙動(dòng)態(tài)測(cè)量

航空發(fā)動(dòng)機(jī)徑向間隙測(cè)量，特別是高壓渦輪間隙測(cè)量，由于溫度高、壓力大，一直屬于世界性難題。國(guó)外一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和研究機(jī)構(gòu)為達(dá)到測(cè)試、控制間隙的目的，不斷開(kāi)發(fā)、完善間隙測(cè)試技術(shù)和測(cè)試手段，其中比較成熟的有探針測(cè)量法、電渦流法、電容法、高能X射線(xiàn)法等間隙測(cè)量方法，并在轉(zhuǎn)子葉尖間隙測(cè)試應(yīng)用上積累了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，掌握了葉尖間隙的變化規(guī)律。

2.1 測(cè)量方法

中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院利用引進(jìn)的電容型葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)（CAPLONG），在國(guó)內(nèi)首次對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量。CAPLONG的基本原理是基于探頭端面與轉(zhuǎn)子葉尖所形成的電容變化進(jìn)行間隙測(cè)量。安裝在機(jī)匣上的探頭可認(rèn)為是平行板電容器的一個(gè)電極，轉(zhuǎn)子葉尖是電容器的另一個(gè)電極，忽略邊緣影響，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)探針和葉片尺寸保持不變時(shí)，電容值僅為葉尖間隙值的函數(shù)。

電容與葉尖間隙的關(guān)系[2]可表示為：

則有：

式中：εr為電極間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，ε0為真空的介電常數(shù)，A為探頭端面和轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)投影面積，dc為葉尖間隙，ds為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣涂層內(nèi)壁與探針端面的距離。

采用四支探頭沿周向均布的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。圖1為電容型渦輪葉尖間隙探針實(shí)物圖，圖2為探針周向布置示意圖。

2.2 測(cè)量結(jié)果分析

圖3為進(jìn)口總溫不變時(shí)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，葉片受到的離心拉伸應(yīng)力逐漸增加，葉尖間隙逐漸減小。在該試驗(yàn)范圍內(nèi)，葉尖間隙隨轉(zhuǎn)速的變化可近似表示為三段線(xiàn)性變化的直線(xiàn)。

圖1 渦輪葉尖間隙探針實(shí)物Fig.1 Tip clearance probe of turbine blade

圖2 葉尖間隙探頭安裝示意圖Fig.2 Tip clearance probe fixing

圖3 平均葉尖間隙隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)Fig.3 Variety of averaged tip clearance along with rotor speed

圖4為渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙在設(shè)計(jì)物理轉(zhuǎn)速下隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，四支探針測(cè)量得到的葉尖間隙基本一致，葉尖間隙隨時(shí)間變化比較均勻。測(cè)量得到的轉(zhuǎn)子葉尖間隙為0.545 mm，表明該渦輪轉(zhuǎn)子同軸度非常好。

通過(guò)葉尖間隙的實(shí)時(shí)測(cè)量，獲取了試驗(yàn)狀態(tài)下的渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，同時(shí)在國(guó)內(nèi)首次測(cè)量了渦輪機(jī)匣壁面溫度。根據(jù)裝配葉尖間隙、試驗(yàn)狀態(tài)和機(jī)匣壁面溫度，可計(jì)算出轉(zhuǎn)子葉尖伸長(zhǎng)量、外環(huán)伸長(zhǎng)量，則葉尖間隙可由下式計(jì)算：

圖4 轉(zhuǎn)子葉尖間隙隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.4 Variety of tip clearance along with time

dc=Δz+Δw+Δr

式中：Δz為裝配間隙，Δw為外環(huán)伸長(zhǎng)量，Δr為轉(zhuǎn)子葉尖伸長(zhǎng)量。

理論計(jì)算得到渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙為0.520 mm，比試驗(yàn)測(cè)量值偏小約4.6%。理論計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值吻合良好。

圖5為某試驗(yàn)狀態(tài)下渦輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)的葉尖間隙變化曲線(xiàn)。圖中探針測(cè)量的間隙峰值突出，可能為信號(hào)干擾所致。各探針測(cè)量間隙輪廓波動(dòng)類(lèi)似一個(gè)周期的正弦波，說(shuō)明波動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子頻率接近。同一時(shí)刻，四支探針的間隙值不一致，各探針測(cè)量值具有90°的相位差，說(shuō)明轉(zhuǎn)子工作時(shí)轉(zhuǎn)子軸心與轉(zhuǎn)動(dòng)中心存在不重合現(xiàn)象。

圖5 振動(dòng)時(shí)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙變化曲線(xiàn)Fig.5 Variety of tip clearance with vibration

通過(guò)葉尖間隙的實(shí)時(shí)測(cè)量，校準(zhǔn)了轉(zhuǎn)子葉尖間隙冷熱態(tài)換算方法；根據(jù)間隙變化規(guī)律，分析了轉(zhuǎn)子振動(dòng)原因，極大地提高了渦輪試驗(yàn)安全。

3 葉尖間隙對(duì)渦輪性能影響的試驗(yàn)研究

試驗(yàn)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院的渦輪綜合試驗(yàn)器[3]上進(jìn)行。進(jìn)行了單級(jí)渦輪變?nèi)~尖間隙試驗(yàn)，以分析、總結(jié)葉尖間隙對(duì)渦輪性能的影響規(guī)律。在渦輪出口周向均布四支測(cè)量探針，每支沿徑向有5個(gè)測(cè)量點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)保持渦輪進(jìn)口總壓、總溫、轉(zhuǎn)速、膨脹比和冷氣流量比不變，分別測(cè)量了相對(duì)葉尖間隙為0.64%、1.00%和2.80%下的渦輪特性曲線(xiàn)。

圖6、圖7分別為不同葉尖間隙下渦輪相對(duì)折合功-LT和主氣初始效率ηT隨膨脹比πT的變化曲線(xiàn)。葉尖間隙減小，泄漏流量減小，渦輪效率增加，功率增大。相對(duì)葉尖間隙從0.64%增大到1.00%，效率降低約0.20%；相對(duì)葉尖間隙從0.64%增大到2.80%，效率降低約1.80%。

圖6 渦輪相對(duì)折合功隨葉尖間隙的變化Fig.6 Variety of the stage reduced work along with tip clearance

圖7 渦輪主氣初始效率隨葉尖間隙的變化Fig.7 Variety of the stage efficiency along with tip clearance

從效率特性曲線(xiàn)還可以看出，該渦輪隨著膨脹比的增加，效率不斷提高；在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，效率基本保持為一段水平直線(xiàn)，表明該渦輪能穩(wěn)定工作。

圖8、圖9分別為渦輪出口總壓和總溫在不同葉尖間隙下的徑向分布曲線(xiàn)。從圖中可明顯看出，不同葉尖間隙下，渦輪出口總壓、總溫都基本重合。隨著葉尖間隙的增大，葉尖測(cè)量得到的總壓、總溫逐漸增大。這反映了葉尖間隙增大時(shí)，從葉尖泄漏的氣體增加。由于這部分氣體沒(méi)有做功，因此葉尖附近的總溫、總壓都比小間隙時(shí)的高。

圖8 不同間隙下渦輪出口相對(duì)總壓的徑向分布(設(shè)計(jì)狀態(tài))Fig.8 Radial distribution of relative total pressure at exit (design condition)

圖9 不同間隙下渦輪出口相對(duì)總溫的徑向分布(設(shè)計(jì)狀態(tài))Fig.9 Radial distribution of relative total temperature at exit (design condition)

4 葉尖間隙數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值計(jì)算方法

采用CFD分析軟件CFX12.0[4]，對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)、設(shè)計(jì)冷氣流量比、變?nèi)~尖間隙下渦輪性能進(jìn)行計(jì)算，并從理論分析上對(duì)比、總結(jié)轉(zhuǎn)子葉尖間隙對(duì)渦輪性能的影響。渦輪進(jìn)口絕對(duì)總壓、總溫、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子葉尖間隙根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果給定。導(dǎo)向器和轉(zhuǎn)子交界面采用混合平面法處理。計(jì)算考慮了冷氣的影響，冷氣采用源項(xiàng)方法[5]給定質(zhì)量流量、總溫、氣流方向和渦粘比。圖10為三維粘性計(jì)算網(wǎng)格，采用CFX-TurboGrid[6]進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為60萬(wàn)，采用SST湍流模型。

圖10 三維粘性計(jì)算網(wǎng)格(輪轂、葉片)Fig.10 3D N-S computational meshs(hub and blade)

4.2 葉尖間隙對(duì)渦輪性能影響的分析

在其它條件相同的情況下，分別計(jì)算了相對(duì)葉尖間隙為0.64%、1.00%和2.80%下的渦輪性能。設(shè)計(jì)狀態(tài)下渦輪相對(duì)折合功隨葉尖間隙的變化曲線(xiàn)如圖11所示。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)子葉尖間隙的增加，渦輪相對(duì)折合功逐漸減小，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，近似呈線(xiàn)性變化，但計(jì)算曲線(xiàn)比試驗(yàn)曲線(xiàn)斜率更大。

設(shè)計(jì)狀態(tài)下效率隨葉尖間隙的變化曲線(xiàn)如圖12所示。從圖中可知，效率與相對(duì)折合功變化趨勢(shì)

圖11 相對(duì)折合功隨葉尖間隙的變化曲線(xiàn)Fig.11 Reduced work of turbine vs.tip clearance

圖12 效率隨葉尖間隙的變化曲線(xiàn)Fig.12 Turbine efficiency vs.tip clearance

一致，也呈線(xiàn)性變化關(guān)系。從圖中還可得出，相對(duì)葉尖間隙增加1.00%，計(jì)算效率降低約1.40%，試驗(yàn)效率降低約0.84%。

圖13 渦輪級(jí)出口相對(duì)總壓的徑向分布Fig.13 Radial distribution of relative total pressure at exit

圖14 渦輪級(jí)出口相對(duì)總溫的徑向分布Fig.14 Radial distribution of relative total temperature at exit

圖13和圖14分別為設(shè)計(jì)狀態(tài)下相對(duì)葉尖間隙1.00%時(shí)渦輪出口相對(duì)總壓、相對(duì)總溫的徑向分布。在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。但測(cè)量探針沿相對(duì)葉高最高點(diǎn)僅在0.9位置處，從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，該間隙下間隙泄漏流僅能影響到相對(duì)葉高約0.9處。因此，從試驗(yàn)測(cè)量的出口總壓、總溫探針上還不能明顯地看到葉尖泄漏渦的影響。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)葉尖間隙的實(shí)時(shí)測(cè)量，掌握了葉尖間隙在過(guò)渡態(tài)的變化規(guī)律，為理論計(jì)算、正確評(píng)估葉尖間隙提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，保證了渦輪試驗(yàn)安全。

(2)渦輪葉尖間隙實(shí)時(shí)測(cè)量為葉尖間隙的最優(yōu)設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)支持。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，相對(duì)葉尖間隙增加1.00%，計(jì)算效率降低約1.40%，試驗(yàn)效率降低約0.84%。

(3)計(jì)算的渦輪出口參數(shù)與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合良好。通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究間隙流對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響具有工程實(shí)用價(jià)值。

[1]熊宇飛.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙測(cè)量[J].測(cè)控技術(shù)，2004，23(1)：5—7.

[2]王俊莉，陳洪敏，石小江.電容式葉尖間隙測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究[C]//.第八屆發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)與測(cè)試學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.2006：95—101.

[3]趙旺東，周禹彬，楊銳.葉尖間隙對(duì)渦輪氣動(dòng)性能影響的試驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2009，22(3)：19—22.

[4]ANSYS CFX Release Notes for 12.0[M].ANSYS Inc.，2009.

[5]曾軍，張劍.帶冷氣影響的某高壓渦輪級(jí)流場(chǎng)分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2005，18(3)：19—22.

[6]CFX-TurboGridUserDocumentationVersion1.5[M]. AEA Technology Engineering Software Ltd.，2000.

Calculation and Test of Influence of Rotor Tip Clearance on Turbine Performance

ZHANG Jian1，2
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The tip clearance was measured real time with capacitive probe in the single-stage turbine per?formance test.And it is the first time to measure it at home.The data of tip clearance was obtained in the test condition and the method of tip clearance calculation was consummated.Simultaneously,the equation between tip clearance and turbine efficiency was established via the turbine stage tests of different tip clear?ance.A further investigation of the influence of tip clearance on turbine efficiency was carried out with the numerical simulation method.Comparing the calculation results and the test results,it showed that the cal?culation data agreed well with the test data.The application of capacitive probe was beneficial to master the changing rules of tip clearance and improve test security.Also the influence of tip clearance on turbine effi?ciency could be properly evaluated by real time measurement of tip clearance.

turbine rotor；tip clearance；real time；performance test；numerical simulation

V231.3

A

1672-2620(2012)02-0033-04

2011-07-25；

2012-03-06

張劍(1978-)，男，四川資中人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)。