靜態(tài)不均勻渦輪葉尖間隙下發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析

曹惠玲，汪 晗

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

高壓渦輪動(dòng)葉與罩環(huán)（shroud）之間的葉尖間隙對(duì)渦輪效率以及整機(jī)性能有較大影響。發(fā)動(dòng)機(jī)大修后試車排氣溫度裕度（EGTM,exhaust gas temperature margin）持續(xù)偏低，孔探圖像顯示高壓渦輪葉尖前緣與罩環(huán)摩擦嚴(yán)重，葉片葉尖部位呈現(xiàn)不同程度的變形，如圖1所示。一般來(lái)講，葉尖間隙過(guò)大，工作介質(zhì)泄漏導(dǎo)致效率損失，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降；間隙過(guò)小，又會(huì)引起葉尖與機(jī)匣摩擦，嚴(yán)重危害發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全。為控制葉尖間隙，大修廠在維修高壓渦輪（HPT, high-pressure test）單元體時(shí)，通常會(huì)進(jìn)行高壓渦輪整個(gè)葉尖端面與罩環(huán)之間的間隙平行調(diào)整。但由于HPT 單元體在高溫、高壓條件下運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)分別從高壓壓氣機(jī)4 級(jí)和9級(jí)引出不同溫度的冷卻氣體來(lái)冷卻渦輪盤表面，加之葉片沿軸向熱氣流做功而導(dǎo)致溫降，使得高壓渦輪葉片前后緣產(chǎn)生徑向不均勻膨脹，繼而產(chǎn)生軸向不均勻的葉尖間隙值。因此，研究熱狀態(tài)下葉尖間隙的變化及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，可為HPT 單元體靜態(tài)維修方案提供參考。

圖1 葉尖間隙孔探圖Fig.1 Borescope inspecting image

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在葉尖間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響方面開展了大量的研究工作。常志勇等[1]闡述了間隙對(duì)渦輪效率及其壽命的重要性。李鈺潔等[2]對(duì)不同葉頂間隙高度和轉(zhuǎn)速下的渦輪進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)間隙高度對(duì)泄漏渦的尺寸、強(qiáng)度以及泄漏流與主流的摻混損失影響較大，從而影響渦輪的氣動(dòng)性能。渦輪葉頂間隙變化造成的能量損失導(dǎo)致渦輪效率、耗油率等性能改變。郭淑芬等[3]發(fā)現(xiàn)渦輪葉頂間隙每增加葉片長(zhǎng)度的1%，效率降低1.5%，耗油率增加2%。豈興明等[4]利用有限元分析了某型高壓渦輪葉頂間隙的變化對(duì)渦輪性能的影響。Wiseman 等[5]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉頂間隙的相關(guān)研究表明：渦輪葉頂間隙的減小可降低排氣溫度和耗油率，應(yīng)設(shè)法減小葉尖間隙，并在發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)下保持良好的間隙配合。

上述研究主要以某一均勻間隙值為研究對(duì)象，但葉尖前后緣不均勻間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究還比較欠缺。針對(duì)不均勻間隙，實(shí)驗(yàn)前期計(jì)算得出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)在熱狀態(tài)下葉尖前緣與后緣的不均勻膨脹量。選取6 臺(tái)同等型號(hào)、同一維修等級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)在同一工作環(huán)境進(jìn)行維修與試車實(shí)驗(yàn)。6 臺(tái)實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)與其他各單元體維修后都已達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只改進(jìn)HPT 單元體維修方式，在保證實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)其他系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下進(jìn)行試車實(shí)驗(yàn)，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能。同時(shí)利用Solid Works 軟件建立高壓渦輪葉片參數(shù)化模型，采用NUMECA 軟件進(jìn)行三維湍流數(shù)值計(jì)算，分析靜態(tài)不均勻葉尖間隙對(duì)HPT 單元體工作效率和整機(jī)性能的影響，為大修廠改進(jìn)HPT 單元體維修方案、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供合理建議。

1 計(jì)算對(duì)象

建立精確的幾何模型可極大提高仿真精確度。輪盤與葉片在熱狀態(tài)下發(fā)生膨脹變形，根據(jù)前期成果可知：發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)下HPT 前緣變形量大于后緣變形量，實(shí)際熱態(tài)下的葉尖間隙值發(fā)生變化，不等同于靜態(tài)下的間隙值，如圖2所示，HPT 沿軸向的間隙呈現(xiàn)前緣小、后緣大的不均勻狀態(tài)，最終因工作過(guò)程中HPT 前緣間隙過(guò)小而引發(fā)葉片與罩環(huán)之間摩擦[6-9]。經(jīng)過(guò)計(jì)算，定量調(diào)整HPT 葉片磨削角度可以使HPT 在熱狀態(tài)下保持葉尖與罩環(huán)的平行狀態(tài)，如圖3所示。以CFM56型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行維修與試車實(shí)驗(yàn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤與葉片結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，通過(guò)Solid Works軟件建立高壓渦輪葉片計(jì)算模型，導(dǎo)入商用葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械NUMECA 軟件進(jìn)行流場(chǎng)網(wǎng)格劃分。在Autogrid5模塊中分別建立6 個(gè)不均勻葉尖間隙和6 個(gè)均勻葉尖間隙下的網(wǎng)格計(jì)算模型（共12 個(gè)），給定間隙值如表1所示。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，葉片進(jìn)出口采用H 型網(wǎng)格，葉片表面及葉尖間隙采用O 型網(wǎng)格，如圖4所示。

圖2 葉尖間隙變化Fig.2 HPT tip clearance change

圖3 HPT 磨削砂輪調(diào)整示意圖Fig.3 HPT grinding wheel angle adjustment

圖4 高壓渦輪動(dòng)葉Fig.4 HPT blade

以CFM56 型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪動(dòng)葉為研究對(duì)象，根據(jù)熱狀態(tài)下真實(shí)間隙高度，利用CFD（computational fluid dynamics）方法模擬表1中給出的6 組不同大小轉(zhuǎn)子葉尖間隙的渦輪流場(chǎng)，分析不均勻葉尖間隙對(duì)HPT 單元體效率及整機(jī)熱效率的影響[10-13]。

表1 給定發(fā)動(dòng)機(jī)間隙值Tab.1 Given engine clearance valuemm

2 數(shù)值計(jì)算方法

通過(guò)三維湍流數(shù)值計(jì)算分別模擬6 種不均勻間隙和6 種均勻間隙下的流場(chǎng)以及不同流場(chǎng)下的效率。流場(chǎng)計(jì)算所需邊界條件由試車數(shù)據(jù)結(jié)合熱計(jì)算給定。

2.1 邊界條件

渦輪流場(chǎng)數(shù)值模擬需在計(jì)算域入口邊界給定總溫T4*、總壓P4*和進(jìn)口氣流角；出口邊界則給定面積平均靜壓P4.5；機(jī)匣設(shè)定為絕熱、固壁、無(wú)滑移邊界條件[10-12]；為提高計(jì)算精確度，T4*、P4*均由實(shí)測(cè)試車數(shù)據(jù)結(jié)合熱計(jì)算求得，進(jìn)口湍流粘度為0.000 05 m2/s，給定軸向進(jìn)氣；出口靜壓P4.5由試車報(bào)告獲得。發(fā)動(dòng)機(jī)站位如圖5所示。

圖5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)站位圖Fig.5 Aero-engine station diagram

進(jìn)口總溫T4*為

其中：T3*為站位3 處的溫度，可由試車數(shù)據(jù)獲??；f 為油氣比，Hu為燃油低熱值，均已知；Cp、Cpg分別為空氣和燃?xì)獗葻崛荨?/p>

進(jìn)口總壓P4*為

其中：EPR，σb均為已知；P2*可由試車數(shù)據(jù)獲得。

出口平均靜壓P4.5由試車數(shù)據(jù)獲得。

2.2 核心計(jì)算方程

三維流場(chǎng)流動(dòng)控制方程采用笛卡爾坐標(biāo)系下的雷諾平均N-S 方程，即

采用葉輪機(jī)械軟件NUMECA 的Euranus 求解器求解三維定常Navier-Stokes（N-S）方程。湍流模型為Spalart-Allmaras（S-A）一方程模型，為提高計(jì)算速度、穩(wěn)定性及收斂性，工質(zhì)選為理想氣體，固體邊界設(shè)為絕熱。周期性葉片數(shù)設(shè)為80，轉(zhuǎn)速由試車數(shù)據(jù)獲取，邊界條件由2.1 節(jié)計(jì)算結(jié)果給定。空間離散采用Jameson有限體積中心差分格式，時(shí)間推進(jìn)采用顯式四階Runge-Kutta 法，求解高壓渦輪流場(chǎng)，得到高壓渦輪溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)[13-15]。

2.3 高壓渦輪效率與熱效率計(jì)算

渦輪效率即絕熱渦輪功與理想渦輪功之比，是渦輪的重要性能參數(shù)，根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算得到高壓渦輪進(jìn)出口總溫、總壓數(shù)值結(jié)果，通過(guò)NUMECA 軟件求得6 組HPT 單元體效率為

其中：γ=1.33；渦輪出口總溫T4.5*、出口總壓P4.5*均由流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果獲得。

已知發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪效率，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試車性能數(shù)據(jù)即可求得整機(jī)熱效率為

結(jié)合高壓渦輪流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，計(jì)算得出12個(gè)模型的高壓渦輪效率與整機(jī)熱效率[16-18]。

3 結(jié)果與分析

靜態(tài)下不均勻葉尖間隙與均勻葉尖間隙對(duì)HPT效率以及整機(jī)熱效率影響如圖6～圖7所示。

圖6 葉尖間隙與HPT 效率的關(guān)系Fig.6 Tip clearance vs.HPT efficiency

圖7 葉尖間隙與整機(jī)熱效率的關(guān)系Fig.7 Tip clearance vs.engine thermal efficiency

可以看出，無(wú)論靜態(tài)葉尖間隙是否均勻，渦輪效率和整機(jī)熱效率均隨高壓渦輪葉尖間隙的增大而逐漸減小。同時(shí)在相同的靜態(tài)平均葉尖間隙下，靜態(tài)不均勻葉尖間隙的HPT 效率值與整機(jī)熱效率值均高于均勻葉尖間隙下的計(jì)算值。采用改進(jìn)后靜態(tài)不均勻葉尖間隙維修方式的發(fā)動(dòng)機(jī)HPT 效率平均提高了0.83%，整機(jī)熱效率提高了約1%。

燃油消耗率（sfc）與EGT 是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要監(jiān)控參數(shù)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降及故障的出現(xiàn)，燃油消耗率sfc 與EGT 都將升高。葉尖間隙增大，HPT 泄漏流流動(dòng)增強(qiáng)，葉尖損失能量相對(duì)增大，HPT 做功能力下降，效率降低，燃油消耗率（sfc）升高，一部分從燃燒室噴出的高溫燃?xì)鉀](méi)有推動(dòng)高壓渦輪做功而直接流向噴口，造成EGT 上升。各大修廠長(zhǎng)期以來(lái)都面臨發(fā)動(dòng)機(jī)大修后EGT 偏高的嚴(yán)重問(wèn)題，對(duì)6 臺(tái)不均勻葉尖間隙發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車實(shí)驗(yàn)，并篩選6 臺(tái)同等型號(hào)、同等維修等級(jí)、同等試車環(huán)境、同等推力級(jí)別下的均勻葉尖間隙發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖8和圖9顯示采用改進(jìn)維修方式后的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低0.8%，EGT約降低3℃，采用靜態(tài)不均勻葉尖間隙的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率顯著降低，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性；排氣溫度降低，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能，延長(zhǎng)了使用壽命。

圖8 sfc 隨葉尖間隙變化Fig.8 sfc vs.tip clearance

圖9 EGT 隨葉尖間隙變化Fig.9 EGT vs.tip clearance

分析結(jié)果表明采用不均勻葉尖間隙不僅提高了HPT 單元體效率與整機(jī)熱效率，同樣顯著降低了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率與排氣溫度，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算不同葉尖間隙下高壓渦輪效率與整機(jī)熱效率，分析了不均勻葉尖間隙對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，主要結(jié)論如下。

1）高壓渦輪葉尖部位在熱狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生不均勻膨脹，造成前緣間隙過(guò)小，采取靜態(tài)下不均勻葉尖間隙維修方式可以有效控制熱狀態(tài)下HPT 葉尖部位與罩環(huán)保持相對(duì)平行狀態(tài)。

2）葉尖間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有較大影響，葉尖間隙增大，HPT 效率與整機(jī)熱效率均降低，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率與排氣溫度均增大。

3）采用靜態(tài)不均勻葉尖間隙維修方式的發(fā)動(dòng)機(jī)取得良好的試車效果，對(duì)比試車數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)維修方式后的發(fā)動(dòng)機(jī)HPT 效率提高0.83%，EGT 降低約3℃，sfc 降低0.8%，整機(jī)熱效率提高約1%。結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升顯著，今后大修廠可采用靜態(tài)不均勻葉尖間隙的維修方式以獲得更好的試車效果。