压气机叶片偏离设计状态的影响

张元庆,王天阳,陈文鑫

摘要：压气机设计、制造过程中经常遇见压气机叶片偏离设计状态的问题，如零件超差、部件中间隙超差等。为了指导从业者进行影响分析，本文列举了几种典型压气机叶片偏离设计状态的影响分析，包括叶片形状偏离、离心叶轮尺寸偏离、叶片安装紧度偏离、叶片厚度偏离、叶片附着物、叶尖间隙偏离等。

关键词：压气机、叶片、偏离设计状态、气动性能

压气机是空气压缩机的简称，以连续流动的空气为工质，是航空燃气涡轮发动机的主要部件之一。压气机主要由机匣、静子叶片、转子叶片以及其余转子结构组成，其中叶片为主要工作元件。因功能、工作状态不同，不同零件结构偏离设计状态对压气机性能的影响也不同，下面就列举几种典型情况。

一、叶片形状偏离设计状态的影响

压气机的气动性能主要由叶片决定，叶片某一尺寸参数或形状的微小变化也可能会对叶片的气动性能产生显著影响，我们将这类参数称为敏感参数。为了掌握叶片的敏感参数，需进行较多的研究。下文是本人工作过程中经常遇到的叶片偏离设计状态的问题，以及这类问题的分析。

1、叶片前缘变为非圆弧形的影响

压气机叶片前缘形状属于敏感参数，对气动性能影响明显，一般地，压气机叶片前缘设计成圆弧形状。且压气机叶片前缘不允许出现削边、尖边、缩颈、平头、扁平、球状根的形状。当然，实际零件叶片前缘常常为非圆弧形，只要实际形状在设计图样允许的范围内，一般仅对叶片前缘附近气流方向有一定的影响，可接受。

不过，压气机前缘也可以直接设计成非圆弧形，可优化气动性能。其机理是，曲率半径逐步增大,可以减小前缘表面流动的法向压力梯度,抑制前缘表面的过度膨胀,从而降低吸力峰,减小吸力峰内的逆压梯度,避免叶片表面的层流分离,改善叶片气动性能。因此，可以将压气机前缘设计成椭圆形前缘[1]。

但椭圆前缘加工难度较大，陈宏志[2]探索了带平台的圆弧形前缘，即在圆弧前缘的叶背位置上铣出一个平面，并铣出倒角来过渡。

椭圆前缘一般由a/b决定其性能，而平台前缘的性能由平台前端在原始圆弧前缘上的位置和倾斜角决定。但两者的优化效果都类似，不过平台前缘的平面两端形成两个弱吸力峰,取代了原始圆弧形前缘上的单个强吸力峰。

2、叶片尾缘变为非圆弧形的影响

一般认为，压气机叶片尾缘没有叶片前缘敏感，但压气机叶片尾缘上也不允许出现削边、尖边、缩颈、平头、球状根的形状。

3、离心叶轮最大直径的影响

对于一般结构的压气机，转子直径尺寸控制难度较低，超差情况较为少见，因此压气机转子直径尺寸一般难以引起关注。但实际上，压气机转子直径尺寸是一个对压气机气动性能影响较为显著的尺寸。压气机转子直径直接影响压气机做功功率（燃烧室、涡轮、控制系统允许的情况下），转子直径稍微增大，压气机做功功率即可明显增大。

对于轴流压气机，控制机匣和叶尖间隙尺寸时，即可控制压气机转子直径。但对于离心压气机，离心叶轮最大直径处与扩压器最小内径间一般不设置间隙要求，因此设计过程中，需注意控制离心叶轮最大直径尺寸。

4、叶片安装紧度的影响

因结构需要或工艺需要，部分压气机叶片与叶盘为一个整体，部分压气机叶片依靠榫头结构安装在转子上。对于叶片间相互挤压的叶盘，其叶片安装紧度为一个较容易忽略的因素。实际上叶片安装紧度对气动性能有较明显的影响。由于叶片侧端面一般与转子轴线不平行，当叶片安装紧度过紧时，叶片的安装角实际已发生变化，改变了气流进气角与叶栅喉道面积，从而影响气动性能。另外，相对于静止状态，压气机转子高速转动时，离心力会使叶片安装角发生变化，会使各个叶片的叶尖间隙发生变化，设计时需注意考虑。对于每个叶片的叶尖间隙不同的现象，可通过超转后再次加工叶尖直径的方式控制。

5、叶片厚度的影响

从结构方面考虑，压气机叶片自然越厚越结实，但压气机叶片厚度也是一个影响气动性能的敏感参数。压气机叶片厚度增加，虽然不改变气流进气角度、出气角度，但缩小了叶栅通道的喉道面积，会导致压气机进气流量降低，压气机做功功率下降，最终表现为发动机推力下降。

二、叶片前缘附着物对气动性能的影响

压气机作为航空发动机部件中最靠近进气道的结构，会遇到泥沙、油污等异物进入压气机的情况，部分叶片上可能粘有附着物。李长仁[3]采用实验的方法研究了叶片前缘附着物对叶片气动性能的影响。实验采用粘土作为附着物模拟叶片表面前缘结冰及结垢，模拟有附着物后叶片周围流场的变化、叶片升力及阻力系数的变化，并与原叶片的气动性能进行对比。

比较分析了不同攻角下叶片外部压力分布的变化规律，计算分析了外部压力分布对表面附着物力学特性影响规律。该文实验攻角为－4°～24°，温度为250.37K。分别对比了叶片附着物的厚度和长度对叶片性能的影响，通过对比升力及阻力特性，发现与原叶片相比，附着物叶片的升力系数普遍减少，并随附着物长度和厚度的增加，升力系数降低得更剧烈。同时附着物也会增加阻力，减小失速迎角，增大失速速度，增加重量，改变压力分布，影响叶片的操纵性等。对于压气机部件，会出现效率下降的现象，对于发动机整机，会出现耗油率下降的现象。

因此，叶片表面存在附着物时，相当于改变了叶片叶型，应注意防止叶片结垢及结垢区逐渐发展扩大，需及时清除叶片附着物。

三、叶尖间隙对叶轮机气动性能的影响

普遍认为，叶尖间隙会使叶轮机（压气机、涡轮等）的效率降低，总压比（或涡轮功）下降。具体可参见以下几个研究结果。

陈靖华[4]采用数值模拟的方法，研究了某型离心压气机不同叶尖间隙值对叶轮性能和稳定性的影响。

最高效率基本以线性的规律随着叶尖间隙增大逐渐降低，叶尖间隙每增加1mm（相对叶尖间隙增加7.7%），最高效率减小约7.7%。在叶尖间隙很小时(0.2mm以内)，叶尖间隙增大对最高效率点的总压比基本没有影响，当叶尖间隙逐渐增大至一定程度后，随着叶尖间隙增大，最高效率点总压比逐渐减小，基本上叶尖间隙每增加1mm，最高效率点的总压比减小约10%。

殷明霞[5]采用数值模拟方法，对高速离心叶轮进行研究发现：

1)叶轮流道内泄漏流动的强度与造成的流动损失,与间隙的大小相关,间隙越大,泄漏流动的强度越大,带来的损失也越大,导致叶轮的增压能力下降,绝热效率降低,进而使得压气机整级性能下降,稳定工作裕度变窄；

2)随着间隙的增大,泄漏流动的强度增加,激波与泄漏流动相互作用也随之增强,激波更加扭曲变形,并向前缘方向移动；

3)叶尖相对间隙由1.54%增加至4.62%,压气机总压比下降了1.76%,级效率下降了1.74%,压气机工作裕度缩小了11%,所以,在结构条件允许的情况下,应该尽可能减小叶尖间隙。

当然，叶尖间隙的影响机理还很复杂，除了间隙值不变的叶尖间隙，还有间隙值变化的动态间隙。并且，叶尖间隙泄露流动的抑制也很有学问。故，叶尖间隙流动这种现象，仍需深入研究。

总结

压气机是较为精密的叶轮机械，其叶片的很多尺寸或形状都是敏感参数，偏离设计状态一般会较为显著地影响气动性能，可总结出以下一般压气机适用的结论：

1、压气机叶片前缘不允许出现削边、尖边、缩颈、平头、扁平、球状根的形状，压气机叶片后缘不允许出现削边、尖边、缩颈、平头、球状根的形状；

2、压气机叶片前缘形状允许为椭圆形，会改变叶栅流场，对设计点性能影响相对较小，但对非设计点性能影响较为明显；

3、离心叶轮最大直径影响压气机做功功率；

4、对于叶片间相互挤压的压气机叶盘，叶片安装紧度会影响叶片安装角，从而影响气动性能；

5、叶片厚度偏厚会导致叶栅通道喉道面积缩小，导致压气机进气流量降低，压气机做功功率下降，最终表现为发动机推力下降；

6、压气机叶片附着物积累过多时，使得叶片局部增厚，一般会导致气体流过叶片时流动损失增大，压气机效率降低，发动机耗油率上升；

7、叶尖间隙增大会导致叶轮机性能下降。

压气机研制过程中，了解叶片的尺寸参数中哪些参数为敏感参数，对叶片的工程设计与质量控制尤为重要。多积累叶片各尺寸参数对叶轮机的影响分析结果，可帮助设计者分辨出哪些参数需要加严控制，可更合理地设置公差，避免压气机性能急剧下降甚至故障的产生，提高专业能力。

参考文献

[1] Walraevens R E, Comps ty N A. Leading Edge Separation Bubble on Turbomachine Blades [ R]. ASM E 93-GT-91.

[2] 压气机叶片前缘形状的改进设计。陆宏志、徐力平、方韧。航空动力学报，Vol.15 No.2。

[3] 风力机叶片前缘表面附着物对气动性能的影响研究。李长仁、李国文、陈薇。太阳能学报，Vol.33 No.4。

[4] 叶尖间隙对某离心压气机性能和稳定性的影响。陈靖华、吴哲明、屠宝锋。航空计算技术，Vol.44 No.5。

[5] 叶尖间隙流动对某微小型离心压气机性能的影响。殷明霞、冀国锋、桂幸民。航空动力学报，Vol.25 No.3。