韓 菲，杜禮明，李文嬌，李 成

(大連交通大學(xué) 遼寧省高等學(xué)校載運(yùn)工具先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

壓氣機(jī)葉輪的葉片表面粗糙度主要由制造工藝及流程決定，使用環(huán)境及維護(hù)對其也有重要影響.在工作過程中壓氣機(jī)不可避免會吸入空氣中所含的各種粉塵、微粒，這些粉塵、微粒與壓氣機(jī)內(nèi)的油污混合后就會殘留在葉片表面，黏附和堆積，然后形成積垢.粉塵、微粒的黏附和堆積，及其腐蝕作用將會導(dǎo)致葉片、通道壁面等表面粗糙度增大，造成壓氣機(jī)性能惡化，從而將導(dǎo)致整機(jī)性能下降，使得燃料消耗增加，以及穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍的減小，并且運(yùn)轉(zhuǎn)消耗和后期維護(hù)成本也會相應(yīng)增加［1］.因此，定量研究壓氣機(jī)的葉片表面粗糙度對其性能的影響不僅可以指導(dǎo)壓氣機(jī)的制造，還有利于壓氣機(jī)的高效安全運(yùn)行控制，并可以為機(jī)器的維護(hù)提供技術(shù)支持.

此前最常用的方法是通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究壓氣機(jī)葉片表面粗糙度變化引起的壓氣機(jī)性能變化［2］.例如 Bammert等［3］人通過實(shí)驗(yàn)研究手段，對比了一臺三級壓氣機(jī)中采用水力光滑的葉片和不同表面粗糙度對壓氣機(jī)級性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加葉片表面粗糙度將導(dǎo)致壓氣機(jī)流量明顯下降，且穩(wěn)定工況運(yùn)轉(zhuǎn)范圍明顯減小，壓氣機(jī)的總壓比和效率也都顯著降低.Syverud等人［4］通過在GE J85-13發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)進(jìn)口噴灑鹽水，研究表面粗糙度和局部污垢沉積對壓氣機(jī)級性能的影響.結(jié)果表明，表面粗糙度對壓氣機(jī)效率影響很大，在動葉中由于污垢沉積導(dǎo)致的表面粗糙度水平增加幅度約為靜葉中的50%，且在葉片吸力面和端壁的污垢沉積程度都比壓力面要小.Morini等［5-6］對高速壓氣機(jī)級NASA Stage 37進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，通過增加葉片的表面粗糙度以及葉片厚度來對污垢沉積進(jìn)行建模，分析了污垢沉積對級性能的影響.琚亞平等人［7］研究表明:積垢葉輪的多變效率和總壓比較干凈葉輪均有顯著下降.李冬等人［8］利用標(biāo)準(zhǔn)葉型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓氣機(jī)建模，基于等價(jià)雷諾數(shù)修正原理，研究了壓氣機(jī)葉片由于積垢沉淀等因素引起粗糙度增大，導(dǎo)致其性能衰退.

本文以某離心壓氣機(jī)為研究對象，在級環(huán)境下(包括采進(jìn)氣回流機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)、葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼)，采用數(shù)值方法，定量研究葉片表面粗糙度的變化對壓氣機(jī)級性能衰退的影響，為壓氣機(jī)的精益設(shè)計(jì)和高效運(yùn)行提供參考.

1 數(shù)值模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

本課題以某船用增壓器的離心壓氣機(jī)為研究對象，其三維實(shí)體幾何模型采用UG建立，見圖1.該壓氣機(jī)級包含壓氣機(jī)葉輪、葉片擴(kuò)壓器、機(jī)匣、壓氣機(jī)蝸殼.詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

圖1 某離心壓氣機(jī)的幾何模型

表1 離心壓氣機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 仿真模型

為分析葉片粗糙度對整級性能的影響，本文的仿真模型為壓氣機(jī)級模型，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為減少計(jì)算量，流道采用單通道.實(shí)際上，在流動穩(wěn)定情況下各通道的流通情況完全相同.

仿真工具采用NUMECA公司的Fine/Turbo軟件包［9］.網(wǎng)格模型的建立采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，動葉輪部分利用周期邊界類型進(jìn)行單通道網(wǎng)格劃分，蝸殼網(wǎng)格的劃分中采用了蝶形網(wǎng)格技術(shù)以提高網(wǎng)格質(zhì)量，轉(zhuǎn)靜面采用周向守恒型連接面.為了使計(jì)算結(jié)果更具可比性，機(jī)匣通道網(wǎng)格與葉輪通道網(wǎng)格采用完全非匹配連接.最后，通過IGG模塊，將所有分塊網(wǎng)格組合成壓氣機(jī)整級網(wǎng)格模型，見圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)為3 662 080.

圖2 壓氣機(jī)的計(jì)算網(wǎng)格

1.3 計(jì)算方法

計(jì)算求解域，即氣體流經(jīng)區(qū)域，是從壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口，經(jīng)過擴(kuò)壓器，從蝸殼出口流出.流動介質(zhì)為可壓縮理想氣體，湍流模型選用Spalart-Allamras(Extended Wall Function)模型.離散格式采用二階Jameson中心格式，并采用四階時(shí)間推進(jìn)方法結(jié)合當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長和多重網(wǎng)格技術(shù)加快求解速度，轉(zhuǎn)靜子交界面采用域平均方法進(jìn)行處理.

仿真模型的進(jìn)口邊界給定條件:進(jìn)口氣流速度方向、總壓(101 300 Pa)、總溫(293 K);出口邊界條件:出口質(zhì)量流量、初始壓力;固體壁面為不滲透、無滑移、絕熱邊界條件;葉輪和擴(kuò)壓器葉片區(qū)域設(shè)置周期性邊界條件.計(jì)算過程中，維持其他邊界條件不變，僅調(diào)整出口質(zhì)量流量或葉片表面粗糙度來.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算模型的驗(yàn)證

圖3 試驗(yàn)與計(jì)算的性能比較

為驗(yàn)證所建立的數(shù)值模型和數(shù)值方法的正確性，筆者就本文所研究的壓氣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究.圖3為試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果的特性曲線比較，雖失速端效率值相對差異略大，但在誤差允許范圍之內(nèi)，二者特性趨勢吻合較好，由此表明，本文的仿真模型是可行的.

2.2 總體性能分析

壓氣機(jī)的葉輪葉片表面質(zhì)量在生產(chǎn)制造過程中主要由制造工藝決定.目前市場中常見的壓氣機(jī)葉輪主要是壓鑄成型，經(jīng)拋光處理后表面粗糙度可達(dá) Ra=0.8 ～6.3 μm.因此，新出廠的壓氣機(jī)葉輪葉片粗糙度可簡化為光滑狀態(tài).壓氣機(jī)在使用過程中會吸入大量的粉塵等雜質(zhì)，與壓氣機(jī)內(nèi)的油污混合殘留在葉片表面形成積垢，造成葉片表面粗糙度急劇惡化.空氣中的粉塵大小可達(dá)10 ～100 μm，塵土則可達(dá) 300 μm，而煤礦區(qū)的粉塵顆粒大小則能達(dá)到 600 μm［10］.據(jù)此，本文設(shè)置了四種葉片粗糙度:光滑葉片(即粗糙度為0μm)、100、200 與300 μm.

圖4為在額定工況(即轉(zhuǎn)速26 400 r/m、質(zhì)量流量2.88 kg/s)下壓氣機(jī)的總壓比和等熵效率隨葉片粗糙度的變化曲線.由圖可知，當(dāng)葉片粗糙度增大后，壓氣機(jī)的性能參數(shù)都發(fā)生了不同程度的衰減.表明，葉片粗糙度對壓氣機(jī)的性能(壓比和效率)等影響明顯.

圖4 不同葉片粗糙度下的總壓比和等熵效率

圖5 不同葉片粗糙度狀態(tài)下的特性曲線

在這四種模型狀態(tài)下分別分析了不同質(zhì)量流量下壓氣機(jī)的內(nèi)流場變化及表面粗糙度對壓氣機(jī)級性能的影響趨勢.圖5為四種不同表面粗糙度狀態(tài)下級環(huán)境下壓氣機(jī)總壓比和絕熱效率隨出口質(zhì)量流量的變化曲線.

從圖5可以看出，葉片粗糙度增大造成總壓比和絕熱效率顯著降低:葉片表面粗糙度為100μm時(shí)，近失速工況相對于近阻塞工況壓氣機(jī)總壓比下降了11.8%，絕熱效率下降了10.36%;葉片表面粗糙度為200 μm時(shí)，近失速工況相對于近阻塞工況壓氣機(jī)總壓比下降了13.2%，絕熱效率下降了11.59%;葉片表面粗糙度為300 μm時(shí)，近失速工況相對于近阻塞工況壓氣機(jī)總壓比下降了16.1%，絕熱效率下降了13.9%.由此可見，葉片表面粗糙度越大，壓氣機(jī)級性能衰退越嚴(yán)重.

這是由于積垢等原因引起葉片表面粗糙度增大，從而造成壓氣機(jī)流道通流面積減小，同時(shí)葉片表面粗糙度增大，也會造成流道的通流阻力增大，造成壓氣機(jī)級性能下降.在這四種不同的葉片表面粗糙度下，壓氣機(jī)的級性能特性參數(shù)均在出口質(zhì)量流量為2.52 kg/s左右時(shí)達(dá)到最優(yōu).

2.3 內(nèi)部流場分析

圖6為葉片粗糙度為300 μm，出口質(zhì)量流量3.16 kg/s時(shí)，葉片B2B面的等熵云圖.由圖可知，靠近葉片前緣中上部表面的流場熵值明顯大于該部位的主流區(qū)，表明此處能量損失最大.氣流由進(jìn)氣道流入壓氣機(jī)葉輪，在葉片間流動過程中撞擊在葉輪葉片上，造成氣流能量損失，使得葉輪葉片表面熵值增大，葉片的粗糙度越大，這種熵值也就越大.

圖6 葉片粗糙度為300 μm時(shí)葉片的等熵圖

在葉輪B2B面40%葉高葉片處，做出該截面處葉輪流道沿葉輪周向的熵值分布圖，見圖7.40%葉高葉片內(nèi)部流場中，靠近葉片表面的熵值可以高達(dá)40 J/(kg·K)，而此時(shí)該部位的主流區(qū)的熵值大概為0～20 J/(kg·K)，其值遠(yuǎn)小于靠近端壁的熵值.

圖7 40%葉高流道熵值沿周向分布

圖8為不同表面粗糙度時(shí)的葉片總溫分布.由圖可知，葉片表面粗糙度增大時(shí)，葉片前緣中上部端壁溫度升高，即該部位流場的流動熱損失增大.當(dāng)葉片表面粗糙度為300 μm時(shí)，葉片前緣中上部端壁溫度明顯較光滑表面葉片時(shí)大.這是由于隨著葉片粗糙度的增大，通流阻力增大，造成氣流通過壓氣機(jī)葉輪葉片時(shí)，熱損失增加，葉片端壁溫度升高，葉片表面熵值增大，對氣動性能產(chǎn)生不利影響.

圖8 不同表面粗糙度時(shí)的葉片總溫分布

3 結(jié)論

在壓氣機(jī)級環(huán)境下針對不同葉片表面粗糙度對離心壓氣機(jī)性能及內(nèi)部流場的影響進(jìn)行了仿真分析，得到如下結(jié)論:

(1)葉片粗糙度對壓氣機(jī)的性能參數(shù)(如總壓比和效率)等影響明顯.隨著葉片表面粗糙度的增大，壓氣機(jī)級性能衰減加劇，葉輪葉片表面粗糙度增加到100 μm以上時(shí)，在近失速工況下壓氣機(jī)的總壓比和等熵效率下降達(dá)10%以上.因此，定期清洗和保養(yǎng)壓氣機(jī)葉輪很有必要，以保持壓氣機(jī)的高效運(yùn)行;

(2)隨著葉片表面粗糙度增大，壓氣機(jī)內(nèi)部氣流能量損失增大，靠近葉輪前緣中上部的氣流能量損失比該部位的主流區(qū)更大;

(3)隨著葉片粗糙度的增大，通流阻力增大，造成氣流通過壓氣機(jī)葉輪葉片時(shí)，熱損失增加，葉片端壁溫度升高，對氣動性能產(chǎn)生不良影響.

［1］張龍新，陳紹文，孫士珺，等.污垢沉積對某軸流壓氣機(jī)中間兩級性能影響的數(shù)值研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(35):130-136.

［2］劉瑞韜，徐忠，孫玉山.模型級設(shè)計(jì)中CFD軟件的應(yīng)用［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2004(1):32-35.

［3］BAMMERT K，WOELK G U.The influence of the blading surface roughness on the aerodynamic behavior and characteristic of an axial compressor［C］//ASME Journal of Engineering for Power，1980，102(2):283-287.

［4］SYVERUD E，BREKKE O，BAKKEN L E.Axial Compressor Deterioration Caused by Ssltwater Ingestion［J］.ASME Journal of Turbomachinery，2007，129(1):119-127.

［5］MORINI M，PINELLI M，SPINA P R，et al.Computational fluid dynamics simulation of fouling on axial compres-sor stages［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2010，132(2):1-10.

［6］MORINI M，PINELLI M，SPINA P R，et al.Numerical analysis of the effects of non-uniform surface roughness on compressor stage performance［C］//IGTI ASME Turbo Expo，Glasgow，UK，2010.

［7］琚亞平，張楚華.積垢對離心壓氣機(jī)葉輪氣動性能的影響［J］.工程熱物理報(bào)，2013，34(7):1262-1265.

［8］李冬，樊照遠(yuǎn)，張娟，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)，2009，35(5):32-35.

［9］郭然，賈力平，樊小莉，等.NUMCEA 系列教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［10］韓亮.壓氣機(jī)積垢仿真及試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)［D］.北京:華北電力大學(xué)，2012.