不同非均匀叶片间隙布局对压缩机性能和流场特性的影响

《Aerospace Science and Technology》：Effects of Different Non-Uniform Tip Clearance Layouts on Compressor Performance and Flowfield Characteristics

非均匀叶尖间隙布局对1.5级跨音速压缩机性能及流场的影响研究表明，间隙幅值0.20mm的1-Lobed配置使稳定性裕度最大下降3.59%，而N-Lobed布局导致流场参数周期性波动，4-Lobed时轴向力波动达2.9%。TSC方法有效模拟了非均匀间隙对总压比、效率及稳定性裕度的影响机制，揭示间隙波长与幅值越小，性能衰减越弱。

　　

周浩伟|杜鹏城|宁方飞

摘要

转子叶片端隙的周向不均匀性会显著影响轴流压缩机的整体性能，尤其是稳定性裕度。端隙不均匀性的幅度和波长是两个关键参数。为了研究这两个参数对压缩机性能和流场的影响，使用时空配置（TSC）方法对一个1.5级跨音速压缩机在不同端隙不均匀布局下进行了一系列数值模拟。结果表明，端隙不均匀性对压缩机的效率影响较小，但对其峰值总压比和稳定性裕度有显著影响。在1叶片配置中，当端隙不均匀性幅度为0.20毫米时，稳定性裕度的最大绝对损失约为3.59%。随着端隙变化幅度和波长的减小，端隙不均匀性对压缩机性能的负面影响会减弱，因为较小的幅度和波长会导致较弱的叶片阻塞效应。此外，N叶片端隙会导致转子性能参数出现类似N叶片模式的周向波动。在不同转子通道中，入口质量流量的最大波动幅度出现在1叶片配置中，端隙变化幅度为0.20毫米时，约为基线结果的3.6%。此外，N叶片端隙还会使转子叶片受到基频为转子转速N倍的交变载荷的影响。在不同转子中，轴向力和扭矩的最大波动幅度均出现在4叶片配置中，端隙变化幅度为0.20毫米时，分别约为基线结果的2.9%和3.4%。

引言

众所周知，转子叶片端隙显著影响轴流压缩机的整体性能，如总压比、效率和稳定性裕度。在设计过程中，通常假设转子叶片端隙沿周向均匀分布。然而，在实际的航空发动机中，端隙在制造、组装和实际运行过程中不可避免地会变得不对称。根据其分布是否在绝对坐标系中保持不变，周向不均匀的端隙可以分为两类：旋转型和非旋转型不均匀端隙[1]。旋转型端隙由叶片高度不同、转子涡流等原因引起。先前已有大量研究探讨了涡流引起的切向力（也称为Thomas/Alford力）[2][3][4]。非旋转型端隙主要由外壳变形或转子偏心引起。由于其对压缩机气动性能的显著影响，本文重点讨论非旋转型端隙问题。

在早期研究中，Graf等人[1]提出了一个理论模型，并在一个4级低速压缩机上进行了系列实验。理论和实验结果共同表明，端隙不对称性对峰值效率影响较小，但会显著降低峰值压升能力和稳定性。此外，结果表明，端隙不对称性的空间谐波成分是一个重要因素，低阶谐波的不对称性比高阶谐波的不对称性更具破坏性。Morris等人[5]在一个高速单级压缩机上进行了实验，发现转子偏心会导致级后滞止压力和滞止温度的周向和径向变化。然而，空间平均的压缩机性能没有明显变化。Di Mare等人[6]数值研究了外壳椭圆化对高压压缩机性能的影响。他们的结果表明，不均匀端隙会直接降低转子性能，并且在某些定子通道中会导致额外的损失。Young等人[7]通过实验和数值模型研究了端隙和偏心对压缩机性能的综合影响。他们发现，在给定平均端隙的情况下，失速流动系数随偏心度的增加而线性增加。Chen等人的[8]数值模拟表明，NASA Rotor 67中端隙不均匀性的增加会导致失速裕度明显降低，且偏心情况比椭圆化情况更敏感。Jüngst等人[9]的实验表明，对于同心和偏心的1.5级跨音速压缩机，当平均端隙增加时，效率、峰值压升和稳定性裕度均呈线性下降。结果还显示，在96%偏心的配置中，转子出口处的修正质量流量局部变化高达20%，而定子出口处变化为10%。Khaleghi H[10]的数值模拟表明，非对称的Rotor 67比轴对称的转子稳定性更差。此外，峰值压升与平均端隙几乎呈线性相关。Kumar等人[11]研究了一个单级跨音速压缩机的性能，实验和模拟结果表明，端隙的复杂分布对整体性能影响不大。Cui等人[12]数值研究了端隙不对称性对NASA Rotor 37性能的影响。研究表明，由转子偏心引起的不均匀端隙对总压比和效率影响较小，但会显著降低失速裕度，最大降幅可达35.94%。Dai等人[13]数值研究了密封涂层剥落引起的非对称端隙对压缩机性能的影响。他们的结果表明，随着密封涂层剥落的周向长度增加，总压比和等熵效率降低，喘振裕度先减小后增大。Xia等人[14]研究了三种特定的非轴对称端隙布置对4级低速压缩机入口叶片和第一级转子排整体性能的影响。结果表明，非轴对称端隙布置使失速裕度增加了25%-31%，在平均端隙较大的情况下（48%-57%），这种效果更为明显。锯齿形分布的端隙布置对性能的影响优于其他两种线性布置方案。另一项研究探讨了外壳椭圆化引起的第二谐波端隙分布对同一压缩机第一级1.5级的影响[15]。结果表明，与原型相比，非轴对称端隙使失速裕度增加了32.57%，而叶片高度变化配置使稳定性提高了31.75%。

除了关注压缩机性能的研究外，Xia等人[16]首次研究了由外壳椭圆化引起的跨音速转子的气动弹性行为。结果表明，非均匀端隙不仅降低了转子的稳定性裕度，还影响了其颤振稳定性。还有一些研究（例如，Bennington等人[17]、Cameron等人[18]、Young等人[19]、Xia等人[20]、Yang等人[21]）探讨了非均匀端隙对轴流压缩机失速起始行为的影响。

上述研究表明，目前关于转子叶片端隙不均匀性的研究主要集中在两种情况：转子偏心和外壳椭圆化。相比之下，对更复杂端隙分布的研究仍然相对有限。此外，不同非均匀端隙布局对压缩机性能的定量影响尚不清楚。为了解决这些不足，本文数值研究了各种非均匀端隙布局对1.5级跨音速压缩机性能和流场特性的影响。具体来说，分析了端隙不均匀性的两个关键参数（即端隙变化幅度和波长）对压缩机性能的影响规律，并探讨了非均匀端隙影响压缩机性能和流场的潜在机制。

部分摘录

基线压缩机级

所研究的1.5级跨音速压缩机是通用电气（GE）E3高压压缩机（HPC）的入口级，代表了商用发动机中的典型HPC。E3 HPC的几何形状是根据参考文献[22]提供的设计参数重建的。如图1所示，入口级包括32个入口导叶（IGV）、28个转子叶片和50个定子叶片。转子转速为12,303转/分钟。为了确保几何精度，IGV和

整体性能

得益于TSC方法的快速仿真能力，模拟了16种不同端隙不均匀配置的性能特性。作为对比，通过单通道稳态仿真获得了9种均匀端隙配置的性能曲线。本文主要研究的两个变量是端隙不均匀性的幅度和波长。为了清晰起见，我们首先分析变化幅度对

局限性和未来工作

本研究存在以下局限性，需要在未来的工作中进一步完善。

• 1)
  本研究仅针对1.5级跨音速压缩机。目前尚不清楚这些结论是否适用于亚音速或多级压缩机，因此需要在未来的研究中进一步验证。
• 2)
  本研究关注由非均匀端隙引起的长波扰动对压缩机性能的影响，而忽略了

结论

本文数值研究了不同非均匀端隙布局对1.5级跨音速压缩机性能和流场的影响。主要结论如下：

• 1)
  不考虑转子-定子相互作用的TSC仿真能够准确捕捉这种跨音速压缩机在非均匀端隙条件下的性能变化和不均匀流场。同时，计算时间可以减少两个数量级

CRediT作者贡献声明

周浩伟：撰写——原始草案、调查、正式分析。杜鹏城：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论。宁方飞：监督、软件、项目管理、方法论、概念化。