● 摘要
转子叶尖泄漏对压气机的性能影响很大，引起效率下降和损失增大，使得控制叶尖泄漏流动成为提高叶轮机械性能的一个重要途径。不同转子叶尖间隙结构的流场不同，为了探索较佳的间隙结构，本文就NASA37单转子跨音轴流压气机为计算模型，对叶片轴向切顶、周向削尖顶两种非均匀间隙结构进行了数值模拟，并对计算结果进行对比，分析了不同叶顶间隙对压气机性能的影响。 首先使用商用CFD软件对基准叶尖间隙单转子压气机内部流场进行了数值模拟，重点显示了试验通常难以测量到的叶尖间隙内部流场，并且验证了CFD计算方法，为研究多种非均匀叶尖间隙模型做好准备，并且尽可能详细地分析跨音转子流场的特点和物理现象。结果显示，泄漏流与主流交界处存在周向和轴向的速度梯度，所形成的周向和轴向的剪切作用与泄漏涡的形成和发展有很大关系，泄漏涡核心区位于速度梯度较大处。泄漏流沿叶型弦向的分布研究显示，叶尖前部泄漏是叶尖泄漏涡的主体，叶尖前部泄漏量的增加显著恶化了泄漏流动，增大了泄漏涡所造成的流动阻塞和损失，而叶尖后部间隙泄漏的增大，特别是泄漏速度的增大，有抑制机匣和叶片吸力面角区低能流质的堆积、改善流场稳定性的一面。 对叶片轴向非均匀间隙结构的研究，采用Numeca软件进行定常数值模拟，模拟了叶尖分别具有基准轴向间隙与几种轴向非均匀间隙的跨音轴流压气机转子内的全三维流场。结果表明，采用轴向线性变化的叶尖间隙可以提高压气机50%轴向弦长以后尖区的气流流通能力，减少泄漏流对叶片通道造成的阻塞，从而使效率提高。其性能提升的机理是叶尖附近主流在叶盆后部气流高压作用下流到叶背并注入主流，该高速流有效地扫除叶尖易失速的附面层，从而延迟角区气流分离，扩大压气机的效率和压比并减少二次流损失。当过多的增大尾缘间隙后，吸力面边界层在激波前因间隙流把低速气流向周向吹出变得较薄，激波后由于间隙流的强度下降吹气能力下降，加之激波后气流分离严重，边界层变得很厚，使得压比下降。所以，为了获得较好的效率压比和扩稳性能的折中，应该选择适当的线性间隙，这是由叶片的气动特性和分布特性决定的。 对周向削尖顶非均匀间隙研究显示，几种吸力面削尖顶结构由于显著降低了叶尖前缘压力面与吸力面间压差，明显减小了前缘泄漏量，抑制并改善了泄漏流动，从而具有好的扩稳效果。在跨音压气机中对于周向凸台的叶顶间隙形状，叶尖前段间隙与后段间隙对流场结构破坏的结果相同，有相同的性能提升，其中，泄漏涡与激波干涉可能是造成这种现象的主要原因。