葉片積垢對壓氣機(jī)性能衰退的影響

王松，王國輝，韓青，王忠義，任翱宇

（1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.東北輕合金有限責(zé)任公司民品事業(yè)部黑龍江哈爾濱150060）

葉片積垢對壓氣機(jī)性能衰退的影響

王松1，王國輝1，韓青2，王忠義1，任翱宇1

（1.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.東北輕合金有限責(zé)任公司民品事業(yè)部黑龍江哈爾濱150060）

空氣中的粉塵、微粒容易隨空氣進(jìn)入壓氣機(jī)，導(dǎo)致葉片、通道壁面等表面粗糙度增大，降低部件的效率和流通能力，進(jìn)而影響整機(jī)性能。通過對某1.5級軸流壓氣機(jī)進(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬，采用基于表面粗糙度與隨機(jī)尺寸的積垢模擬方法，對積垢造成壓氣機(jī)性能衰退的機(jī)理進(jìn)行對比分析，得到積垢后壓氣機(jī)的效率、壓比、軸向力的衰退與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，以及壓氣機(jī)積垢后的流場變化情況。研究結(jié)果可為確定壓氣機(jī)清洗周期和預(yù)防葉片積垢提供借鑒。

壓氣機(jī)；葉片積垢；數(shù)值模擬；隨機(jī)尺寸；性能衰退

壓氣機(jī)作為燃?xì)廨啓C(jī)的三大主要部件之一，對燃機(jī)整體性能影響很大。在一般情況下，功率比為1.538～1.333，壓氣機(jī)效率變化1%，將使裝置效率變化1.8%～3%［1］。壓氣機(jī)工作過程中，葉片表面會逐漸沉積一層積垢，積垢的主要沉積位置在葉片的前緣、壓力面的50%葉高處及吸力面50%葉高以下部位［2］。Syverud等人通過向發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)入口內(nèi)噴灑鹽水實驗還發(fā)現(xiàn)，動葉中積垢引起的表面粗糙度增大程度大約為靜葉中的一半［3-4］。積垢對壓氣機(jī)性能造成降低的主要原因在于：表面粗糙度的增加引起三維流動分離導(dǎo)致流動堵塞，從而引起流量降低［5-6］。隨著三維數(shù)值模擬研究方法的發(fā)展，對壓氣機(jī)內(nèi)積垢影響的數(shù)值模擬研究越來越多，采用數(shù)值模擬的方法相對于實驗法來說其工作量及工作時間將大幅減小，設(shè)計成本也低得多［7］，目前主要采用的方法是設(shè)置葉片粗糙度。

本文將采用數(shù)值模擬的方法對某1.5級壓氣機(jī)葉片表面變化前后的流量、效率、壓比和軸向力等性能指標(biāo)進(jìn)行考核，研究積垢對壓氣機(jī)性能衰退的影響。通過對壓氣機(jī)積垢前的數(shù)值模擬，對比設(shè)計值與額定工況點(diǎn)數(shù)值模擬結(jié)果，確定模型和數(shù)值模擬方法的有效性。采用設(shè)定葉片粗糙度和改變?nèi)~型的方法分別模擬壓氣機(jī)葉片積垢并進(jìn)行對比，利用Fine Turbo軟件分別針對2種方法進(jìn)行數(shù)值模擬，得出效率、壓比、軸向力等性能參數(shù)，對比2種方法計算結(jié)果，繪制壓氣機(jī)特性曲線，分析流場變化，得到葉片積垢對壓氣機(jī)性能的影響。

1 研究對象

本文對某型1.5級壓氣機(jī)進(jìn)行積垢對壓氣機(jī)性能衰退影響數(shù)值模擬，該壓氣機(jī)額定轉(zhuǎn)速為9 515 r／min，設(shè)計效率為87%，設(shè)計壓比為1.1738，設(shè)計流量為17.3 kg／s。壓氣機(jī)的子午流道面如圖1所示。

圖1 壓氣機(jī)子午面流道面Fig.1 Meridian plane of the compressor

2 控制方程

守恒型的質(zhì)量、動量和能量方程為

式中：I＝δij為單位張量；Γ＝τij為粘性應(yīng)力張量，對于牛頓流體有：

本文采用NUMECA軟件進(jìn)行計算，選取加強(qiáng)型壁面函數(shù)的k-ε模型，計算殘差小于6×10－6。

3 數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格劃分

采用NUMECA軟件包的Autogrid模塊生成結(jié)構(gòu)化的計算網(wǎng)格，葉柵近壁面區(qū)采用O型網(wǎng)格，而遠(yuǎn)壁面區(qū)采用H型網(wǎng)格，動葉頂部間隙區(qū)域采用“蝶形網(wǎng)格”［8］，單通道計算模型的網(wǎng)格數(shù)約為130萬，如圖2所示。

3.2 邊界條件

進(jìn)口總壓：100 825 Pa，進(jìn)口總溫：303 K，出口指定半徑處（0.14 m）靜壓從101 000～111 000 Pa，固體壁面采用絕熱、無滑移邊界條件，壓氣機(jī)葉片表面給定一定的粗糙度。積垢前葉片表面粗糙度：2× 10－6m；小尺寸積垢后葉片表面粗糙度：3.6×10－5m大尺寸積垢后葉片表面粗糙度：1×10－4m［9-10］。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Gird plot

3.3 模型驗證

在壓氣機(jī)葉片積垢前，葉片的平均表面粗糙度取2×10－6m。在額定工況點(diǎn)對該計算域模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與設(shè)計值進(jìn)行比較，計算誤差見表1。誤差值在允許的誤差之內(nèi)，因此說明所建立的模型是有效的，可以用于后續(xù)計算。

表1 模擬值與實驗值的比較Table 1 Comparison of numerical experimental results

3.4 葉片積垢模擬方法

3.4.1 增加葉片表面粗糙度

積垢沉淀、侵蝕、腐蝕等對葉片造成的損害都可以看成是增大葉片表面粗糙度。確定粗糙度為3.6× 10－5m。

3.4.2 改變?nèi)~片型線

在NUMECA軟件Autogrid5中使用geomturbo文件，在生成模型時，改變?nèi)~片各截面上吸力面型線和壓力面型線中的坐標(biāo)點(diǎn)實現(xiàn)葉片型線的控制。通過Matlab軟件生成2組服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，在原始葉片數(shù)據(jù)中選取若干個點(diǎn)，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)軸向和徑向坐標(biāo)不變，周向坐標(biāo)值加上一個隨機(jī)數(shù)后會得到一個新的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用這些新的數(shù)據(jù)點(diǎn)替換以前的數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成新的葉型，其中取標(biāo)準(zhǔn)差σ＝10－5，期望值μ＝－3.6×10－5和μ＝－10－4分別作為小尺寸積垢和大尺寸積垢的腐蝕后葉片模型，這樣生成的模型更接近于實際葉片積垢情況，其中小尺寸結(jié)構(gòu)與增加粗糙度方法相對應(yīng)。

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果

本文在100%、90%、80%、70%轉(zhuǎn)速下對2種葉片積垢模擬方法進(jìn)行計算并對比分析結(jié)果。

圖3為壓氣機(jī)積垢后效率及壓比特性曲線，由圖可知壓氣機(jī)的流量-效率特性線以及流量-壓比特性線向下移動；采用改變粗糙度和改變型線法模擬小尺寸積垢得到的曲線基本重合；大尺寸積垢所導(dǎo)致的效率特性線和壓比特性線下移要更加的明顯，說明大尺寸積垢導(dǎo)致的壓氣機(jī)性能衰退更大。

圖3 壓氣機(jī)性能對比圖Fig.3 Comparison of compressor performance

表2給出了性能參數(shù)的衰退平均值，并給出了各參數(shù)的平均衰退率。從數(shù)據(jù)中可以看出改變型線法比改變粗糙度法計算的性能衰退率要大，大尺寸積垢造成的衰退率比小尺寸大。

表2 壓氣機(jī)積垢前后性能衰退對比Table 2 Comparison of compressor performance deterioration after and before fouling

表3對比了2種模擬方法在計算壓氣機(jī)小尺寸積垢后效率、壓比、軸向力時的相對誤差，可見2種方法的計算結(jié)果幾乎一致。表4和表5是100%、90%、80%、70%轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)性能衰退率，表4和分別為小尺寸和大尺寸積垢的模擬結(jié)果，可以看出隨著轉(zhuǎn)速的降低，效率和壓比的衰退量都逐漸降低，軸向力的衰退量是越來越大的。在不同的轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)葉片大尺寸積垢的衰退量明顯大于小尺寸積垢的衰退量。

在實現(xiàn)同一增壓比的情況下，消耗機(jī)械功越少的壓氣機(jī)應(yīng)該性能越好。因此在這里給出表征壓氣機(jī)性能的另一個重要參數(shù)——滯止等熵效率。圖4為不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)效率沿葉高分布圖。

表3 不同轉(zhuǎn)速下2種方法小尺寸積垢模擬的誤差Table 3 Deviation of the two ways of small size blade fouling simulation in different rotation rates

表4 小尺寸葉片積垢后壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的性能衰退Table 4 The performance deterioration ratios of compressor in different rotation rates after small size blade fouling%

表5 大尺寸葉片積垢后壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的性能衰退Table 5 The performance deterioration ratios of compressor in different rotation rates after big size blade fouling%

圖4 不同轉(zhuǎn)速下效率沿葉高分布圖Fig.4 The efficiency distribution along the blade height under different rotational speeds

由圖4可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，葉片積垢后其效率都有所下降，下降區(qū)域集中在10%～90%葉高處，大尺寸積垢效率下降更明顯，且轉(zhuǎn)速越低衰退越明顯。

3.6 流場分析

圖5為葉片積垢前后其吸力面的表面極限流線。積垢前動葉吸力面葉根位置流線出現(xiàn)了傾斜的最高位置在葉高的35%左右，這說明氣流在35%葉高以下靠近葉片尾緣處發(fā)生分離現(xiàn)象；從圖（b）可以看出，用增大粗糙度方法模擬動葉小尺寸積垢以后，葉片尾緣處的流線出現(xiàn)了明顯的向上抬起的現(xiàn)象，抬高的最大位置達(dá)到了葉高的60%左右，這說明發(fā)生分離現(xiàn)象的區(qū)域明顯增大，氣流流動情況發(fā)生了惡化；由圖（c）所示，用改變型線方法模擬葉片小尺寸積垢，其表面極限流線的分布規(guī)律和（b）基本相同；由圖（d）所示，用改變型線的方法模擬葉片大尺寸積垢后，葉片尾緣流線相對于小尺寸積垢向上抬起的非常明顯，說明大尺寸積垢導(dǎo)致的葉片表面氣流分離比小尺寸積垢的影響更大。

圖5 葉片吸力面流線Fig.5 Streamline of the suction-side surface

圖6 給出了葉片積垢前后50%葉高處相對馬赫數(shù)的分布情況。可以發(fā)現(xiàn)，馬赫數(shù)在整個流場中的分布基本一致，但在動葉出口處馬赫數(shù)的數(shù)值有了明顯的改變。積垢前，動葉出口的相對馬赫數(shù)大約處于0.46左右；用增大粗糙度方法模擬葉片小尺寸積垢后，動葉出口的相對馬赫數(shù)大約在0.467左右；用改變型線方法模擬葉片小尺寸積垢后，動葉出口的相對馬赫數(shù)大約在0.468左右；用改型線法模擬葉片大尺寸積垢后，動葉出口馬赫數(shù)大約在0.473左右。這說明積垢前動葉的增壓能力更強(qiáng)，而且葉片積垢以后，葉片尾緣的低速區(qū)有所增大，這將導(dǎo)致更多的能量損失，使效率下降。大尺寸積垢后相對馬赫數(shù)增大的更明顯，對效率的影響更大。

圖6 葉片50%葉高處馬赫數(shù)Fig.6 Mach number at the height 50%blade height

4 結(jié)論

本文以某型1.5級壓氣機(jī)為研究對象，對該型壓氣機(jī)在4種不同轉(zhuǎn)速（100%轉(zhuǎn)速、90%轉(zhuǎn)速、80%轉(zhuǎn)速、70%轉(zhuǎn)速）條件下進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別得出葉片積垢前后的壓氣機(jī)性能參數(shù)的變化情況，繪制不同情況下的壓氣機(jī)特性曲線，分析不同條件下壓氣機(jī)內(nèi)部流場變化情況。得出如下結(jié)論：

1）分別用增加葉片粗糙度和改變?nèi)~片型線2種方法來研究葉片積垢對壓氣機(jī)性能的影響，其中改變?nèi)~片型線的方法采用了2種不同的積垢尺寸，小尺寸積垢與增加葉片表面粗糙度的方法相對應(yīng)。通過用2種方法模擬葉片積垢對壓氣機(jī)性能及流場影響的分析，得到的結(jié)果非常相近，所以在模擬葉片積垢時，可根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。

2）葉片積垢以后，壓氣機(jī)效率、壓比、軸向力等都有不同程度的衰退，效率和壓比在高轉(zhuǎn)速下衰退的比較大，滯止等熵效率在低轉(zhuǎn)速條件下下降更明顯。

3）積垢后擴(kuò)大了葉片氣流分離區(qū)域，惡化了氣流的流動情況；葉片尾緣低速區(qū)增大，能量損失明顯，降低了壓氣機(jī)絕熱效率，對效率的影響主要集中在20%～70%葉高部分；大尺寸積垢表現(xiàn)更為明顯。

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Compressor performance deterioration caused by blade fouling

WANG Song1，WANG Guohui1，HAN Qing2，WANG Zhongyi1，REN Aoyu1
（1.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.The Civilian Department，Northeast Light Alloy Co.，Ltd.，Harbin 150001，China）

In the working process of compressor，various kinds of dust and particles in the air can be easily taken into the compressor.This will increase surface roughness of blades and walls.Furthermore，it will reduce the efficiency and flow capacity of components and affect the whole performance of compressor.A 1.5-stage axial flow compressor is set as an object by the 3-D numerical simulation computational fluid dynamics（CFD）method.Through fouling simulation of the surface roughness and random size，the comparison and analysis were carried out to research the mechanism of compressor performance deterioration caused by blades fouling.The relationship between speed and compressor efficiency，pressure ratio，axial force decreasing，as well as the change of flow field after the compressor fouling were obtained.Further study on the prevention of compressor blade fouling and determination of cleaning period can be based on the research results.

compressor；blade fouling；numerical simulation；random size；performance deterioration

10.3969／j.issn.1006-7043.201312076

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006－7043.201312076.html

V232.4

A

1006-7043（2014）12-1524-05

2013-12-23.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-12-04.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51309063）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金新教師類資助項目（20132304120012）.

王松（1963-），男，高級工程師；王忠義（1982-），男，副教授，博士.

王忠義，E-mail：wzy＠hrbeu.edu.cn.