关键词：叶轮机、叶片、形状、性能
叶轮机械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。
一、叶片前缘变为非圆弧型对气动性能的影响
涡轮叶片的前缘一般设计成大圆弧，但这个圆弧前缘是否一定是唯一实用的前缘呢？陈雷[1]对比了Ｂｅｚｉｅｒ曲线前缘和圆弧前缘涡轮的气动性能。
在涡轮正常运行的攻角范围内，该非圆弧前缘有减小损失的作用，其机理是：非圆弧前缘的曲率半径逐渐增大，减小了前缘表面流动的法向压力梯度，抑制前缘的过度膨胀，削弱吸力峰，降低切点附近切向速度及速度梯度，减小由摩擦力引起的能量耗散，损失变小，且非圆弧形曲线的δ越大，流动损失相对越小；但在涡轮非设计工况的大攻角条件下，叶盆分离更加严重，流动性能恶化，损失增大。
压气机前缘也可以设计成非圆弧形，优化前缘形状的机理是，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[2]。
但椭圆前缘加工难度较大，陈宏志[3]探索了带平台的圆弧形前缘，其形状如同1.2，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。
二、叶片前缘附着物对气动性能的影响
李长仁[4]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。
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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆具体可参见以下几个研究结果。
陈靖华[5]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[6]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。
在涡轮上，叶尖间隙对涡轮的影响方式也类似，张剑[7]通过实验，也得出了结论：相对叶尖间隙增加1.00%，效率降低约0.84%，且涡轮功也有小幅度下降。
总结
总结上文内容可知：
1、叶片前缘形状变化会改变叶栅流场，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；
2、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；
3、叶尖间隙增大会导致叶轮机性能下降。
叶轮机械研制过程中，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，有助于提高从业者的专业能力。
参考文献
[1] 叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响。陈雷、陈江、赵石磊、张慧。航空动力学报，Vol.28 No.4。
[2] Walraevens R E, Comps ty N A. Leading Edge Separation Bubble on Turbomachine Blades [ R]. ASM E 93-GT-91.
[3] 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。
[4] 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。
[5] 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。
[6] 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。
[7] 叶尖间隙对涡轮性能影响的计算与实验研究。张剑。燃气涡轮实验与研究，Vol.25 No.2。
论文作者:张元庆、王天阳、唐艳
论文发表刊物:《科学与技术》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/29
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