轴流压气机转子叶顶凹槽及其改进结构研究

２０１２年第４０卷第６期　文章编号：１００５—０３２９（２０１２）０６—００３３—０７　流体机械　３３　轴流压气机转子叶顶凹槽及其改进结构研究　王维，楚武利，张皓光，米攀　（西北工业大学，陕西西安７１００７２）　摘要：　为揭示叶顶凹槽对轴流压气机气动性能的影响和机理，本文对一试验台转子进行了全工况数值模拟，计算性　能与试验结果取得很好的一致性。在此数值模型基础上对叶顶凹槽及其改进结构一叶顶篦齿进行了数值研究，研究分　析表明：叶顶凹槽降低了泄漏流流量，但转子效率和失速裕度均有所下降，主要因为叶顶泄漏流在逆压梯度的作用下沿　槽内向叶顶前缘方向流动，使前缘附近泄漏流反流程度增大，造成二次流损失及通道堵塞程度增大；凹槽深度是影响转　子气动性能的主要因素。将叶顶凹槽分割开形成叶顶篦齿结构，在效率下降很小的情况下提高了转子的失速裕度；通过　调整篦齿位置可进一步提高转子的气动性能；叶顶篦齿的应用存在特定的叶顶间隙范围。　关键词：轴流压气机；泄漏流；泄漏涡；叶顶凹槽；叶顶篦齿　中文分类号：ＴＨ４５　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—０３２９．２０１２．０６．００８　Ｓｔｕｄｙ　Ｏｉｌ　Ｂｌａｄｅ　Ｓｑｕｅａｌｅｒ　Ｔｉｐ　ａｎｄ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ａｘｉａｌ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　Ｒｏｔｏｒ　ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ，ＣＨＵ　Ｗｕ－ｌｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｈａｏ—ｇｕａｎｇ，ＭＩ　Ｐａｎ　（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｅｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７　１００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ　ｓｑｕｅａｌｅｒ　ｔｉｐ　ｏｎ　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎ－　ｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｏｎ　ａ　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｍａｋｅｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｓｑｕｅａｌｅｒ　ｔｉｐ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ—ｂｌａｄｅ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｔｉｐ　ｉｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ　ｗｅ　ｃｏｍｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：Ａｌｔｈｏｕｇｈ　ｂｌａｄｅ　ｓｑｕｅａｌｅｒ　ｔｉｐ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｆｌｏｗ　ｍａｓｓ，ｔｈｅ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｓｔａｌｌ　ｍａｒｇｉｎ　ａｒｅ　ｄｅｃｌｉｎｅｄ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｔｉｐ　ｌｅａｋａｇｅ　ｆｌｏｗ　ｍｏｖｅｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｏ　ｌｅａｄｉｎｇ　ｅｄｇｅ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｔａｎｋ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｄ－　ｖｅｒｓｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｌｅａｋａｇｅ　ｒｅｆｌｕｘ　ｒａｔｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄ　ＳＯ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｆｌｏｗ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｂｌｏｃｋａｇｅ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｇｇｒａｖａｔｅｄ；Ｔｈｅ　ｇｒｏｏｖｅ　ｄｅｐｔｈ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒ　ｔｈａｔ　ｈａｖｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ｂｙ　ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｑｕｅａｌｅｒ　ｗｅ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｔｉｐ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｒｏｔｏｒ　ｓｔａｌｌ　ｍａｒｇｉｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ｄｅｃｌｉｎｅｄ　ｅｉｃｉｆｅｎｃｙ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｔｏｒ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ；ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｔｉｐ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ　ｔｉｐ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｒｏｔｏｒ；ｌｅａｋａｇｅ　ｆｌｏｗ；ｌｅａｋａｇｅ　ｖｏｒｔｅｘ；ｂｌａｄｅ　ｓｑｕｅａｌｅｒ　ｔｉｐ；ｂｌａｄｅ　ｌａｂｙｒｉｎｔｈ　ｔｉｐ　１　引言　机匣的损伤，文献［５，６］的研究表明叶尖片削以　降低失速裕度为代价略微增大了压气机的压比和　为保证压气机转子的正常运转，必须保证转　子和机匣间存在一定的间隙。间隙过小容易导致　转子和机匣的摩擦碰撞，造成叶片弯曲甚至断裂；　效率；基于气动性能的考虑，产生了如处理机匣等　对叶顶泄漏流的被动控制手段ｌ　，与前者相反，　这些控制手段往往在提高失速裕度的同时降低了　压气机的效率。因而实际中对压气机转子叶顶结　构的设计往往需折衷考虑结构安全及气动性能的　影响。　间隙过大则会增加叶顶泄漏强度，降低转子的压　比、效率及失速裕度¨　Ｊ。基于结构安全方面的　考虑，产生了如叶顶片削等方式来减小转子叶顶　与机匣的摩擦面，从而降低因偶然摩擦对转子和　收稿日期：２０１１—１１—１７　基金项目：　西北工业大学研究生创业种子基金（ｚ２０１　１０３８）　近几十年，随着数值技术和试验水平的提高，　２０１２年第４０卷第６期　流体机械　３７４．　¨　１Ｊ　１ｊ　１Ｊ　１Ｊ　３９　１Ｊ　度的下降；这与叶顶凹槽对涡轮的作用效果有所　不同，主要因为压气机内的流动是在逆压梯度的　［６］　Ｌｕ　Ｊｉａｌｉｎｇ，ＣＨＵ　Ｗｕｌｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｈａｏｇｕａｎｇ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ　ｔｉｐ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｏｎ　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒ—　作用下进行的。通过将凹槽进行一定的间隔改为　叶顶篦齿结构，阻碍了泄漏流向前缘的流动，在泄　ｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｒ］．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，Ｖｏ１．　２２３／４０６．　漏流反流程度变化不大的情况下使泄漏流流量降　低，失速裕度略有提升；　（２）随着凹槽深度的增加，转子效率先降低　后升高，失速裕度则先升高后降低。对于篦齿结　构将前缘附近篦齿去掉有利于提高转子效率及失　速裕度，但篦齿形式的改变对气动性能的影响不　大；篦齿结构的应用需特定的叶顶间隙范围。虽　ａｎｇ，ＣＨＵ　Ｗｕｌｉ，Ｓｊｏｌａｎｄｅｒ　Ｓ　Ａ．Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　［７］　ＺＨＵ　Ｊｕｎｑｉｏｆ　Ｓｌｏｐｅｄ　Ｓｌｏｔｔｅｄ　Ｃａｓｉｎｇ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｎ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｆｌｏｗ　Ｆｉｅｌｄ　Ｎｅａｒ　Ｅｎｄｗａｌｌ　ｏｆ　Ａｎ　Ａｘｉａｌ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ［Ｒ］．　ＡＩＡＡ　Ｐａｐｅｒ　Ｎｏ：２４８９０．　ａｎｇ，Ｗｕ　Ｙａｎｈｕｉ，Ｓｊｏｌａｎｄｅｒ　Ｓ　Ａ．Ａｘｉａｌ　Ｌｏｃａ—　［８］　Ｚｈｕ　Ｊｕｎｑｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｒｅａｔｅｄ　Ｃａｓｉｎｇ　ｉｎ　Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ　Ａｘｉａｌ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｒＲ１．ＡＳＭＥ　２００５一ＧＴ一６９１０５．　然叶顶篦齿结构对失速裕度提高较小，但更小的　叶顶面积使叶顶间隙的进一步减小成为可能，同　时可减轻叶片重量调整应力分布，实际应用中的　选取应综合考虑气动性能、结构特性及应力分布　的影响。　参考文献　［９］　ＷＵ　Ｙａｎｈｕｉ，ＣＨＵ　Ｗｕｌｉ，ＬＵ　Ｘｉｎｇｅｎ．Ｂｅｈａｖｉｏｒ　Ｏｆ　Ｔｉｐ　Ｌｅａｋａｇｅ　Ｆｌｏｗ　Ｉｎ　Ａｎ　Ａｘｉａｌ　Ｆｌｏｗ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　Ｒｏｔｏｒ　［Ｒ］．ＡＳＭＥ　Ｐａｐｅｒ　ＧＴ２００６—９０３９９．　［１０］　Ｔｉｐ　Ｃｌｅａｒａｎｃｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　Ａｘｉａｌ　Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｓ．ＶｏｎＫａｒ－　ｍａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ［Ｒ］．Ｌｅｃｔｕｒｅ　Ｓｅｒｉｅｓ　５，１５一ｌ８．１９８５．　Ｈｅｙｅｓ　ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｂｌａｄｅ　Ｔｉｐ　Ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｔｉｐ　Ｌｅａｋａｇｅ　Ｆｌｏｗ　ｉｎ　Ａｘｉａｌ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｃａｓｃａｄｅｓ［Ｒ］．　ＡＳＭＥ　２０ｏ３一ＧＴ一５５２ｌ９．　ｏｒｅｒ　Ｊ　Ａ，Ｃｕｍｐｓｔｙ　Ｎ　Ａ．Ｔｉｐ　Ｃｌｅａｒａｎｃｅ　Ｆｌｏｗ　ｉｎ　Ａｘ—　［１２］　Ｓｔ吴艳辉，楚武利，张燕峰．间隙大小对压气机转子间　ｉａｌ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ［Ｊ］．ＡＳＭＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎ—　ｅｒｙ，１９９１，１１３：２５２—２５９．　隙泄漏流场的影响［Ｊ］．西北工业大学学报，２００７，　２５（６）：８３８—８４３．　［１３］　赵月刚，张建中，肖红玲．废热锅炉和冷却器法兰　泄漏的消除［Ｊ］．压力容器，２０１０，２７（２）：５９－６２．　楚武利，朱俊强．考虑间隙的压气机转子　［１４］　卢新根，内部流动的数值模拟［Ｊ］．流体机械，２００４，３２（５）：　１２　１５．　刘小民，高健，王星．压气机转子叶片附面层抽吸　的参数化研究［Ｊ］．流体机械，２０１１，３９（３）：１７－２４．　龙双喜，王毅．高轮毂比离心压气机改型设计及分　析［Ｊ］．流体机械，２０１１，３９（１１）：６５－６８．　王仪田，张朝磊，许靖，等．不同紊流模型对预测单　级轴流压气机性能曲线的影响［Ｊ］．流体机械，　２０１０，３８（８）：５２－５６．　作者简介：王维（１９８７一），男，硕士研究生，主要从事叶轮机　邵卫卫，季路成，黄伟光．轴流压气机叶尖片削全　工况特性分析［Ｊ］．航空动力学报，２００８，（２）：３６７－　械气动热力学方面的研究，通讯地址：７１００７２陕西西安市西北工　业大学动力与能源学院。　（上接第７７页）　业出版社，１９９８．　参考文献　［５］　马炎坤，何源．制冷装置故障模拟试验台及其计算　机参数测量软件的设计［Ｊ］．流体机械，２０１０，３８　齐永强，何雅玲，张伟，等．电子设备热设计的初步　研究［Ｊ］．现代电子技术，２００３，（１）：７５－７８．　（７）：８７—９０．　［６］　李学海．ＰＩＣ单片机实用教程．基础篇［Ｍ］．北京：北　京航空航天大学出版社．２００２．２　［２］　陈红兵，袁广超，陈思，等．舰船用冷水机组的可靠　性设计研究［Ｊ］．流体机械，２０１１，３９（１２）：８７－９０．　［３］　钱中．微型换热器瞬态传热分析［Ｊ］．压力容器，　２０１１，２８（９）：３０－３３，４０．　作者简介：丁东旭（１９８１一），男，工程师，主要从事船用系列　冷却设备及空调系统的研发工作，通讯地址：２３００３１安徽合肥市　长江西路８８８号合肥通用机械研究院。　［４］　吴业正．小型制冷装置设计指导［Ｍ］．北京：机械工