郝苜婷 謝 蓉*/大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院

關(guān) 亮/上?？臻g推進研究院發(fā)動機室

?

時序效應(yīng)對離心壓縮機葉片非定常氣動負荷影響*

郝苜婷 謝 蓉*/大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院

關(guān) 亮/上?？臻g推進研究院發(fā)動機室

Abstract

針對國內(nèi)某大型企業(yè)不同機組離心壓縮機葉輪葉片進行非定常流動數(shù)值分析，通過求解三維瞬態(tài)N-S方程組，得到流場分布和葉片表面的靜壓載荷信息。利用數(shù)值實驗方法獲得離心壓縮機不同時序位置葉輪葉片表面動載荷的變化，并通過傅里葉變換得到葉輪葉片表面動載荷的分布特性，進而分析不同時序位置葉輪葉片表面氣動負荷的差異。數(shù)值計算表明，時序效應(yīng)對離心壓縮機流道內(nèi)流動以及葉輪葉片的非定常氣動負荷存在不可忽略的影響，且合適的時序位置具有改進壓縮機級性能的潛能。動載荷是壓縮機葉輪葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的誘因，且不同機組離心壓縮機中的時序效應(yīng)對氣動載荷的影響具有一致性。

離心壓縮機；時序效應(yīng)；瞬態(tài)流動；數(shù)值模擬；氣動負荷；葉片斷裂

0 引言

離心壓縮機作為一種典型的旋轉(zhuǎn)機械，由于其葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉輪轉(zhuǎn)速較高，在運行中時常發(fā)生葉輪葉片斷裂事故。靜止部件與旋轉(zhuǎn)部件之間的相對運動，造成離心壓縮機流場中表現(xiàn)出明顯的非定常特性；在尾流和勢流周期性的相互干擾下，壓力場存在潛在的周期性變化規(guī)律，從而作用在葉片表面的壓力動態(tài)載荷也具有一定的周期性。周期性的交變載荷易導(dǎo)致葉片的疲勞破壞，從而離心壓縮機中的事故分析逐步受到關(guān)注［1-4］。

在葉輪初期設(shè)計中，考慮動靜葉相互干涉所帶來的非定常影響［5］是必須且必要的。在研究非定常效應(yīng)中，時序效應(yīng)作為一種特例亦引起廣泛關(guān)注，即當(dāng)改變同名葉片排的相對周向位置會引發(fā)整體性能不同的效果。Walker［6］通過時序位置引起噪聲的改變發(fā)現(xiàn)了葉輪機械中的時序效應(yīng)。于是國內(nèi)學(xué)者利用軸流壓縮機中的分離渦數(shù)值分析方法證實了利用軸流壓縮機中的時序效應(yīng)可以提高流動效率的潛在性能［7-8］。渦輪中時序效應(yīng)對尾跡傳遞過程以及作用于葉片上非定常作用力的影響亦被研究［9］，研究中發(fā)現(xiàn)同名葉柵數(shù)量比例是影響時序效應(yīng)的一個重要因素，且時序效應(yīng)對渦輪性能的影響主要體現(xiàn)在尾跡與主流之間的摻混損失和尾跡誘導(dǎo)的邊界層轉(zhuǎn)涙損失兩方面。周斌彬等人［10］探討了軸向間距對時序效應(yīng)的影響。西安的席光等人［11-13］針對離心壓縮機展開了數(shù)值分析與實驗的相關(guān)研究，進而離心壓縮機亦存在時序效應(yīng)得到證明。鑒于此，本文重點分析某大型企業(yè)離心壓縮機中時序效應(yīng)對葉輪葉片非定常氣動載荷的影響，為該型離心壓縮機的設(shè)計及裝配提供指導(dǎo)。本文首先以某離心壓縮機機組半開式葉輪機作為研究對象，采用非定常數(shù)值方法研究時序效應(yīng)對流場流動與葉片載荷的影響；然后以同企業(yè)另一臺離心壓縮機機組半開式葉輪機作為參考研究對象，為離心壓縮機中時序效應(yīng)的作用效果進行全面的對比與驗證。

1 計算模型和方法

1.1 幾何模型

表1展示了兩機組的結(jié)構(gòu)參數(shù)和進口可調(diào)導(dǎo)葉、半開式葉輪葉片及擴壓器葉片的葉片數(shù)量。圖1所示為離心壓縮機機組A半開式葉輪級的幾何模型。機組B結(jié)構(gòu)與機組A類似，但是葉型參數(shù)不同。

表1　離心壓縮機級不同機組的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1　離心壓縮機機組A幾何模型圖

1.2 網(wǎng)格模型與數(shù)值計算方法

本文的數(shù)值模擬采用進口導(dǎo)葉、葉輪葉片及出口擴壓器的全通道的機構(gòu)化網(wǎng)格。依據(jù)數(shù)值計算要求，計算域的進出口均做了必需的延長。機組A的三維網(wǎng)格如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)為310萬，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證滿足數(shù)值計算精度要求。機組B的三維網(wǎng)格與機組A采用相同的結(jié)構(gòu)與精度。

圖2　機組A計算網(wǎng)格示意圖

在CFX計算平臺上采用基于k-w的SST湍流模型求解總能N-S方程進行流動的數(shù)值模擬。設(shè)定邊界條件，在進口設(shè)定總溫、總壓及軸向進氣；在出口設(shè)定質(zhì)量流量。機組A葉輪轉(zhuǎn)速5 556r/min，機組B葉輪轉(zhuǎn)速7 200r/min。設(shè)定動靜部件的交界面算法以傳遞動靜部件之間的數(shù)據(jù)傳遞，在穩(wěn)態(tài)計算中使用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，而在瞬態(tài)計算中則使用了滑移界面方法。非定常計算的時間步長由葉輪旋轉(zhuǎn)360°迭代512步來選取。由于本文所研究的葉片在工程運行中于葉根處發(fā)生斷裂，而本文的目的也是著眼于給力學(xué)提供數(shù)據(jù)支持，所以對葉輪前緣葉根處一點以及葉輪尾緣葉根處一點進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，如圖3為壓力面上的監(jiān)測點示意，吸力面上的監(jiān)測點與之對應(yīng)。本文首先針對機組A進行數(shù)值計算，以定常數(shù)值計算結(jié)果為初值進行非定常數(shù)值計算；非定常計算七個周期以達到數(shù)值結(jié)果的相對穩(wěn)定，當(dāng)葉根處一監(jiān)測點的壓力頻譜特性達到時，即認為非定常計算達到穩(wěn)定。取穩(wěn)定后的最后一個周期的非定常計算結(jié)果進行分析流場內(nèi)流動分析以及葉片表面載荷分析；以相同的方法進行機組B的數(shù)值計算，以驗證數(shù)值模型和所得結(jié)論的準確性；然后將兩機組進行對比。

圖3　葉片壓力面監(jiān)測點示意圖

1.3 時序位置的選取

選取如圖4所示4個時序位置作為研究對象，對應(yīng)4種進口導(dǎo)葉與擴壓器葉片的相對位置。其中，時序位置CLC0為給定擴壓器葉片前緣沿軸向投影至進口導(dǎo)葉通道中央的位置；時序位置CLC3為給定擴壓器葉片前緣沿軸向投影至進口導(dǎo)葉尾緣的位置；時序位置CLC1與時序位置CLC2等分時序位置CLC0與時序位置CLC3間的周向節(jié)距。本文針對每個時序位置分別建立模型進行非定常數(shù)值計算及分析。

圖4　數(shù)值計算監(jiān)測點位置及時序位置示意圖

圖5　10%葉高處流線圖

2 計算結(jié)果及分析

2.1 流場分析

選取非定常模擬到達相對穩(wěn)定時的某一個瞬態(tài)結(jié)果進行流場的分析。本文所研究的葉片在工程運行中于前緣葉根處發(fā)生斷裂，而本文的目的也是著眼于給力學(xué)提供數(shù)據(jù)支持，所以取10%葉高以重點研究葉根處的流動現(xiàn)象。如圖5（a，b，c，d）為機組A四個時序位置下10%葉高處的流線圖。用于標定時序位置的擴壓器葉片與進口導(dǎo)葉由淺色顯示。由于不同葉片排的葉片數(shù)量不等，單個靜葉片的時序位置改變會造成同列葉片排內(nèi)其余葉片與下游靜葉片間時序位置改變不同［14］，因此這里選取標定擴壓器所在通道進行定性分析。由圖5所示，對比標定擴壓器所在通道的流線，時序位置CLC0表現(xiàn)出最差的流動性能。位于擴壓器出口處，無論壓力面?zhèn)群臀γ鎮(zhèn)染霈F(xiàn)了較大的漩渦；而在其它時序位置，標定擴壓器所在通道流動較為順暢。再者，在時序位置CLC0和時序位置CLC1，標定擴壓器所在通道的相鄰?fù)ǖ莱霈F(xiàn)了尺寸較大的低速能團附在相鄰擴壓器葉片的吸力面?zhèn)?；低速能團占據(jù)了一半以上的周向通道面積，造成了低速能團所在通道流體的堵塞，從而導(dǎo)致流出葉輪的氣體被擠壓至低速能團所在通道的相鄰?fù)ǖ?，進而使標定擴壓器所在通道流體更充足飽滿且流動更為順暢。因此不同時序位置下，標定擴壓器所在通道的流動特性呈現(xiàn)出，時序位置CLC1和CLC2流動最好，時序位置CLC3次之，時序位置CLC0最差的現(xiàn)象。

可見，改變離心壓縮機半開式葉輪機的時序位置可以一定程度地改善流道中的流動特性。但是，對于不同葉片排的葉片數(shù)量不等的情況，單個葉片通道內(nèi)流動性能的改善并不意味著所有葉片通道內(nèi)流動性能的提高；所以對于不同葉片排的葉片數(shù)量不等的情況，在工程設(shè)計過程中最佳時序位置的選取更為復(fù)雜，不同時序位置對高速選擇的葉輪葉片的影響亦需要研究。

2.2 葉片載荷分析

為了闡述時序效應(yīng)對葉輪葉片的影響，圖6 （a，b，c，d）展示了機組A四個時序位置下葉輪葉片表面的時均靜壓系數(shù)云圖，靜壓系數(shù)定義如公式（1）。

圖6　葉輪葉片表面靜壓系數(shù)圖

如圖6所示，相較而言在時序位置CLC3，葉輪葉片吸力面?zhèn)瘸尸F(xiàn)最高的壓力梯度，Cps在0.2以下的低壓區(qū)面積較大；而不同時序位置在壓力面?zhèn)葔毫μ荻阮愃?。在時序位置CLC3，流體作用在壓力面?zhèn)扰c吸力面?zhèn)鹊牟钪递^大，致使時序位置下的葉輪葉根處呈現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力，易發(fā)生斷裂事故，該時序位置形式在裝配過程中應(yīng)盡量避免。在時序位置CLC2，葉片壓力面?zhèn)瘸隹谔幊尸F(xiàn)均勻的高靜壓系數(shù)，此位置擴壓效果最好。

2.3 壓力脈動分析

2.3.1 機組A時域壓力脈動

對機組A中葉輪葉片表面位于尾緣葉根處一點的壓力脈動情況進行監(jiān)測，不同時序位置下其時域特性如圖7所示。葉輪葉片由于受其與下游擴壓器之間的相互干擾作用，葉輪葉片表面的壓力脈動幅值呈現(xiàn)周期性的波動信息。且壓力振幅的最大差值在不同時序位置不同，其中時序位置CLC0下的壓力振幅的最大差值最大，最大差值達到40 000Pa，而時序位置CLC3下的壓力振幅的最大差值最??；這說明了在時序位置CLC3下，流體流至葉片尾緣處時的流動性能最優(yōu)，在時序位置CLC0下，流體流至葉片尾緣處時的流動性能最差，流體波動最劇烈。這與上文中分析相符合，由此判定，時序位置CLC0為機組A葉輪葉片設(shè)計和裝配過程中應(yīng)該避免的位置。

圖7　葉輪葉片壓力面尾緣處葉根靜壓脈動圖

對葉片表面的壓力載荷時域進行通過傅里葉變換得到壓力載荷的頻域信息，從而分析不同時序位置對葉輪葉片非定常氣動負荷的影響。

2.4 頻譜分析

2.4.1 機組A葉片表面的頻譜分析

由于本文所研究的兩臺機組在運行中均發(fā)生過葉輪葉片斷裂，本文針對兩機組葉輪葉片表面的氣動載荷頻譜特性進行了分析。頻譜分析能夠進行氣動力干擾頻率的預(yù)測。對葉片動載荷的時域信息進行傅里葉變換得到壓力載荷的頻域信息。葉片的通過頻率與葉片數(shù)量以及轉(zhuǎn)動頻率成正比，其能一定程度上反映動靜干涉的作用強烈度。低倍頻指低數(shù)倍頻，其反映了葉片在旋轉(zhuǎn)一周時在整周呈現(xiàn)的非定常特性。本文對所研究的兩臺離心壓縮機機組，選取相同的四個時序位置，并對各機組在不同時序位置下動葉片尾緣壓力面與吸力面的監(jiān)測點的頻譜特性進行了對比分析。

圖8為在四個時序位置下，機組A葉輪葉片壓力面?zhèn)任簿壧幦~根一點的頻譜特性。圖8為在四個時序位置下，機組A葉輪葉片吸力面?zhèn)任簿壧幦~根一點的頻譜特性。

圖8　葉輪葉片壓力面尾緣處葉根頻譜特性

圖9　葉輪葉片吸力面尾緣處葉根頻譜特性圖

如圖8、圖9所示，機組A葉輪尾緣根部呈現(xiàn)出的頻譜特性中，擴壓器通過頻率20fn的壓力幅值在時序位置CLC0下最大，相較于時序位置CLC1，CLC2，CLC3，動靜干涉作用中擴壓器對葉輪的作用在時序位置CLC下最強。20fn的壓力幅值在4 000Pa以內(nèi)，此動靜干涉中擴壓器葉片對葉輪的反沖作用不足以產(chǎn)生破壞性的干擾，同時也并非該離心壓縮機機組中葉輪葉片斷裂事故的主要因素。

同時，低頻段3-5fn倍基頻的幅值積分在時序位置CLC0下亦最大，在周向的非定常效果最強。排除本身結(jié)構(gòu)不對中等因素，級內(nèi)流動不穩(wěn)定性較強，相較而言時序位置CLC0下的流動情況最差。另外，由于半開式葉輪頂部存在葉頂間隙，間隙產(chǎn)生的二次流加重了內(nèi)部流動的不均勻性。綜合各種因素，3fn頻率處的動載荷幅值達到7 000Pa如圖所示。而長期運行在這種較大的交變載荷下可能誘發(fā)葉片斷裂，進而導(dǎo)致事故。因此時序位置CLC0為機組A葉輪葉片設(shè)計和裝配過程中應(yīng)該避免的位置。

2.4.2 機組B頻譜分析的驗證

相較于時序位置CLC1，CLC2，CLC3，動靜干涉作用中擴壓器對葉輪的作用在時序位置CLC下最強。20fn的壓力幅值在4 000Pa以內(nèi)，此動靜干涉中擴壓器葉片對葉輪的反沖作用不足以產(chǎn)生破壞性的干擾，同時也并非該離心壓縮機機組中葉輪葉片斷裂事故的主要因素。

如圖10所示，機組B葉輪尾緣根部呈現(xiàn)出的頻譜特性中，擴壓器通過頻率20fn的壓力幅值在時序位置CLC0和CLC1下最大，相較于時序位置CLC2，CLC3，動靜干涉作用中擴壓器對葉輪的作用在時序位置CLC0和CLC1下最強。同時，低倍頻率2fn的壓力幅值在CLC0和CLC1時序位置下相對較大，說明其內(nèi)部流動具有較強的不均勻性，該兩位置下流動情況更差。葉型結(jié)構(gòu)帶來的流動在周向的非定常性與半開式葉輪機特有的葉頂間隙所引發(fā)的二次流綜合導(dǎo)致了流道內(nèi)部的不均勻性，而長期運行在這種較大的交變載荷下可能誘發(fā)葉片斷裂。

機組B與機組A的現(xiàn)象雖有一定差別，但是實際的機理相同。排除一定誤差，壓力脈動振幅最大的位置均位于或接近下游擴壓器葉片前緣正對上游進口導(dǎo)葉通道中央的位置，也即上游進口導(dǎo)葉尾跡輸運到下游擴壓器的通道中央時的位置，這與軸流壓縮機中的時序效應(yīng)——“當(dāng)?shù)谝慌澎o子尾跡輸運到第二排靜子的通道中央時效率最低現(xiàn)象［13］”相符合。證明了離心壓縮機中的確也存在一定的時序效應(yīng)。但是從給出的數(shù)據(jù)來看，由于時序位置不同而導(dǎo)致的幅值上的改變，與該葉片本身以及轉(zhuǎn)動而引起的脈動幅值相比較小。即離心壓縮機中時序效應(yīng)對葉片壓力脈動的干涉作用較小，不能是導(dǎo)致葉片斷裂事故的最主要原因。之所以不同機組會產(chǎn)生一定誤差，原因可能是機組葉片自有的特點，以及不同葉片排數(shù)量不等，從而造成單個葉片時序位置的改變會引起同列靜葉片排內(nèi)其余葉片與下游靜葉片間時序位置改變不同，進而使得時序效應(yīng)對壓縮機流動性能影響的潛能減小。

機組B的現(xiàn)象與機組A的一致性，證明了離心壓縮機中的時序效應(yīng)對流動性能及氣動載荷的影響對于不同機組具有一致性，同時排除了計算的誤差和偶然性。

圖10　機組B不同時序時刻葉輪葉片尾緣葉根監(jiān)測點動載荷分布圖

3 結(jié)論

本文利用非定常數(shù)值方法分析大型離心壓縮機機組在不同時序位置下的流場內(nèi)流動特性以及葉輪葉片表面動載荷特性。對比分析結(jié)果表明，大型離心壓縮機中不同時序位置會對流動性能和葉輪葉片動力學(xué)特性產(chǎn)生一定影響。通過本文結(jié)論可以指導(dǎo)離心壓縮機的設(shè)計及現(xiàn)場運行。同時本文通過對兩臺不同機組的頻域分析，得到離心壓縮機內(nèi)部流動中葉輪葉片的主要干擾頻率——葉片通過頻率以及低倍頻的分布，進而為葉輪葉片后續(xù)的強度分析提供數(shù)值支持。不同機組得到的頻譜特性的一致性證明了離心壓縮機中的時序效應(yīng)對流動性能及氣動載荷的影響具有真實性，同時排除了計算的誤差和偶然性。

1）時序效應(yīng)被廣泛研究于軸流式透平機械中，而其在離心壓縮機中的影響及改善性能的潛能亦不可忽視。本文研究了離心壓縮機機組A中四個不同時序位置下流道中的流動性能以及葉輪葉片的載荷特性，發(fā)現(xiàn)時序位置CLC0下葉輪葉片氣動負荷波動最劇烈，相應(yīng)的流動性能最差。后又研究了離心壓縮機機組B中四個時序位置下的葉輪葉片頻譜特性作為驗證，發(fā)現(xiàn)對于機組B，時序位置時序位置CLC0和CLC1下葉輪葉片氣動負荷特性最差。在今后兩種型號的離心壓縮機的設(shè)計及現(xiàn)場安裝時應(yīng)考慮避開這些位置。

2）交變載荷作用下的離心壓縮機機組葉片會發(fā)生疲勞破壞，本文所研究的半開式葉輪機獨有的葉頂間隙會產(chǎn)生一系列二次流，可能會引發(fā)葉輪葉片載荷的復(fù)雜變化還有待研究；綜合所有非定常因素對葉片表面載荷的影響是否會導(dǎo)致葉片斷裂事故還有待進一步的力學(xué)驗證。

［1］匡中華，孟繼綱，劉洋，等.某離心壓縮機首級葉輪葉片斷裂事故分析與改進研究［J］.風(fēng)機技術(shù)，2014（2）：76-79.

［2］謝蓉，關(guān)亮，王曉放，郝苜婷.多工況下離心壓縮機葉片承載的流固耦合效應(yīng)分析［J］.風(fēng)機技術(shù)，2013（5）：22-27.

［3］黃世剛，雷旻.SO2主風(fēng)機葉片斷裂原因分析［J］.風(fēng)機技術(shù)，2014（2）：87-90.

［4］李宏坤，張曉雯，張學(xué)峰，等.離心式壓縮機壓力脈動產(chǎn)生原因與作用機理［J］.風(fēng)機技術(shù)，2014（5）：17-22.

［5］劉洋，楊志剛.不同計算方法在軸流式風(fēng)機數(shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.風(fēng)機技術(shù)，2014（1）：24-30.

［6］Walker G J，Hughes J D，Kohler I，etal.The influence of wake-wake interactions on loss fluctuations of a downstream axial compressorblade row［R］.ASMEPaper97-GT-469，1997.

［7］任曉棟，顧春偉.1.5級跨聲壓氣機中時序效應(yīng)的研究［J］.航空動力學(xué)報，2010，25（4）：891-896.

［8］祁明旭，原野，馬朝臣.離心壓氣機非定常流動頻域特性［J］.工程熱物理學(xué)報，2009，30（9）：1475-1478.

［9］李偉，竺曉程，王惠斌，等.時序效應(yīng)對渦輪葉片非定常作用力影響的數(shù)值研究［J］.推進技術(shù)，2012，33（1）：47-53.

［10］周斌彬，楊波，谷傳綱.軸向間距改變對壓氣機clocking效應(yīng)影響的數(shù)值模擬［J］.風(fēng)機技術(shù)，2012（3）：9-15.

［11］席光，劉磊，姜華，等.離心壓縮機級內(nèi)靜葉時序效應(yīng)的數(shù)值研究［J］.工程熱物理學(xué)報，2008，29（9）：1495-1498.

［12］姜華，席光，宮武旗.不同導(dǎo)葉預(yù)旋角下離心壓縮機的時序效應(yīng)［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2010，44（7）：120-124.

［13］姜華，席光，張煒，等.離心壓縮機靜葉間時序效應(yīng)的實驗研究［J］.工程熱物理學(xué)報，2009，30（6）：964-966.

［14］侯安平，周盛.軸流式葉輪機時序效應(yīng)的機理探討［J］.航空動力學(xué)報，2003（1）：70-75.

Clocking Effect on the Unsteady Aerodynam ic Loading on the Blade in the CentrifugalCom pressor

Hao Mu-ting，Xie Rong/School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation ofMinistry ofEducation
Guan Liang/China Aerospace Science and Technology Corporation

By solving the three dimensional density-based Reynolds time-averaged N-S equations，the numerical simulations for the transient flow of impeller blade passages in different centrifugal compressor units are conducted.The distribution of internal flow and aerodynamic load on the impeller blade surfaces of different units is obtained.The dynamic load characteristics of impeller blade surfaces are transformed by Fourier transformation，ation and then the difference of the aerodynamic load on the impeller blade surfaces due to different clocking positions is analyzed.Numerical simulation results show that the clocking effect on the aerodynamic load cannot be ignored. Appropriate clocking positions have the potential to improve the performance of compressor stages.Meanwhile，the main reason for fatigue failure in compressor impellers is the aerodynamic load.The clocking effecton frequency characteristics from differentunitsshows this consistently. Key words：centrifugal compressor；clocking effect；transient flow；numerical simulation； aerodynamic load； blade damage

TH452；TK05

A

1006-8155（2016）01-0015-08

10.16492/j.fjjs.2016.01.0076

2015-05-06 遼寧 大連 116024

*本文其他作者：郝苜婷 謝 蓉/海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室