在軸流式葉輪機(jī)械中轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間存在一定的間隙，該間隙的大小對葉輪機(jī)械的全壓、效率和噪聲等均有很大影響。結(jié)合近年來在葉頂間隙領(lǐng)域開展的研究，詳細(xì)綜述了國內(nèi)外在葉頂間隙對軸流式葉輪機(jī)械性能及噪聲的影響等方面的研究進(jìn)展，并對葉頂間隙在今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為葉輪性能的優(yōu)化提供參考。

1、引言

　　在軸流式葉輪機(jī)械中，為保證轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間的相對運(yùn)動，動葉頂部與機(jī)殼之間必須保證一定的間隙，即所謂的葉頂間隙。由于葉頂間隙的存在，使得流體在流經(jīng)葉輪做功時(shí)就會有一部分流體在壓力面與吸力面壓差的作用下通過葉頂間隙，產(chǎn)生葉頂泄漏流。真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為葉頂泄漏流使葉頂附近工作流體的做功減少、通道堵塞及損失增加。該泄漏流離開吸力面后，與主流通道中的流體相互摻混，在葉片吸力面頂部拐角處形成泄漏渦，葉頂泄漏渦進(jìn)而使葉輪機(jī)械性能下降，其引起的損失約占葉輪機(jī)械級損失的1/3。

　　本文結(jié)合近年來國內(nèi)外在葉頂間隙領(lǐng)域開展的研究，綜述了在軸流式葉輪機(jī)械中通過改變?nèi)~頂間隙的形狀及大小來研究其對葉輪機(jī)械性能及噪聲的影響，討論了當(dāng)前該領(lǐng)域的主要研究思路，并提出了葉頂間隙尤其是大容量葉輪機(jī)械葉頂間隙領(lǐng)域中值得深入的研究方向。

2、軸流式葉輪機(jī)械葉頂間隙研究現(xiàn)狀

　　葉頂間隙的大小對葉輪機(jī)械的全壓、效率和噪聲等均有很大影響。國內(nèi)外很多的研究機(jī)構(gòu)對葉頂間隙這一領(lǐng)域已經(jīng)開展了50多年的研究，主要是通過改變?nèi)~頂間隙大小及形狀等來研究其對葉輪性能及噪聲的影響，并取得了令人欣喜的進(jìn)展。尤其是近年來隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的開發(fā)利用，數(shù)值模擬以其自身優(yōu)勢與理論分析、實(shí)驗(yàn)研究相輔相成，成為研究葉輪機(jī)械內(nèi)部流場的重要手段，進(jìn)而更為直觀準(zhǔn)確地反映葉輪機(jī)械葉頂間隙內(nèi)部流場的變化趨勢。

　　由于葉頂間隙對葉輪機(jī)械性能等方面的影響很大，因此，如何確定葉頂間隙大小及結(jié)構(gòu)進(jìn)而有效減少葉頂泄漏損失對進(jìn)一步提高葉輪機(jī)械的性能有重要意義。為此，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的控制間隙流動減小間隙能量損失的數(shù)值模擬、理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，提出了端壁機(jī)匣處理技術(shù)，葉頂特殊處理技術(shù)，葉頂微噴氣，葉片彎掠及等離子激勵(lì)等方法，其中端壁機(jī)匣處理技術(shù)、葉頂特殊處理技術(shù)及葉片彎掠在葉輪機(jī)械領(lǐng)域備受關(guān)注。

3、葉頂間隙對葉輪機(jī)械性能的影響

　　葉頂間隙內(nèi)的泄漏流動是造成葉頂流場流動特征的重要影響因素，其影響了葉頂附近壓力的特征分布，而葉頂泄漏渦的產(chǎn)生則加劇了這一現(xiàn)象，形成低能流體集聚區(qū)和能量耗散區(qū)域，成為造成葉頂流場能量損失的主要根源，因此適當(dāng)改變?nèi)~頂間隙的大小和形狀，進(jìn)而改善葉頂間隙流及泄漏渦的發(fā)展成為改善葉輪的性能的有效途徑。

　　3.1、端壁機(jī)匣處理技術(shù)

　　端壁機(jī)匣處理即通過對葉頂處的機(jī)匣進(jìn)行一定的處理來改變?nèi)~頂間隙的形狀及大小，并研究處理前后葉輪機(jī)械性能及噪聲的變化情況，以此尋求優(yōu)化葉輪性能的措施。

　　3.1.1、梯狀間隙的影響

　　Thompson等針對某跨音速壓氣機(jī)，研究了頂部間隙大小以及梯狀間隙結(jié)構(gòu)對壓氣機(jī)性能的影響，結(jié)果表明梯狀間隙結(jié)構(gòu)能有效減小頂部區(qū)域阻塞團(tuán)的負(fù)面影響，在一定程度上提高了壓氣機(jī)的壓比、效率和流量范圍。盧新根等采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法研究梯狀間隙結(jié)構(gòu)對軸流壓氣機(jī)性能的影響，研究表明，與實(shí)壁機(jī)匣結(jié)構(gòu)相比，梯狀間隙結(jié)構(gòu)改善了壓氣機(jī)的失速裕度，同時(shí)使所有流量工況下的壓比和效率均有一定程度的提高。梯狀間隙結(jié)構(gòu)見圖1。You等采用大渦模擬對轉(zhuǎn)子葉頂間隙流流場進(jìn)行了預(yù)測和分析，研究了葉頂間隙大小和端壁槽在葉頂間隙垂直結(jié)構(gòu)對速度和壓力場的影響，提出了減少葉柵粘性損失的措施。端壁槽的設(shè)置如圖2所示，模擬結(jié)果表明，端壁槽通過減小泄漏渦內(nèi)的雷諾應(yīng)力及壓力波動的大小有效的改善了葉頂泄漏流動，而端壁槽的最佳尺寸及開槽位置仍有待繼續(xù)研究。

圖1 梯狀間隙結(jié)構(gòu)示意

圖2 端壁槽的設(shè)置示意

5、展望

　　關(guān)于葉頂間隙及其對葉輪性能及噪聲的影響的研究表明，端壁機(jī)匣處理、葉頂特殊處理及葉片彎掠等技術(shù)的實(shí)施，通過改邊了葉頂間隙的大小及結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變了葉頂處流體的流動分布特征，在一定程度上有效地改善了葉輪的性能，并在一定范圍內(nèi)達(dá)到控制噪聲的目的。近年來，隨數(shù)值模擬軟件的廣泛應(yīng)用，使得葉頂間隙處復(fù)雜的三維流動形式可以更加直觀準(zhǔn)確的表現(xiàn)出來，為葉頂間隙流的研究提供了方便，因此這一研究領(lǐng)域在葉輪機(jī)械尤其是大容量葉輪機(jī)械中有著廣闊的發(fā)展前景。葉頂間隙對軸流式葉輪機(jī)械的影響在以下幾方面值得進(jìn)一步深入研究和完善:

　　(1)軸流式葉輪機(jī)械葉頂間隙大小及形狀對葉輪性能有很大的影響，但目前關(guān)于大容量軸流風(fēng)機(jī)葉頂間隙的研究還比較少，因此可以參照其他葉輪機(jī)械的處理方式，對軸流風(fēng)機(jī)的葉頂或者端壁機(jī)匣進(jìn)行特殊處理等方法，開展有意義的探索，尋求優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能的措施;

　　(2)鑒于影響軸流式葉輪機(jī)械性能的參數(shù)不是唯一的，因此可以、將葉頂間隙及其他影響葉輪機(jī)械性能的因素(如葉片安裝角)等綜合考慮來研究其性能及噪聲的變化;

　　(3)葉片對流體做功提高風(fēng)機(jī)全壓的過程是一個(gè)不可逆過程，必然存在不可逆損失，因此考慮從熱力學(xué)角度出發(fā)，用熵產(chǎn)這一描述不可逆過程的一個(gè)特征參數(shù)來反映不同大小和形狀的葉頂間隙因流動變化所引起的內(nèi)部損失，以此作為優(yōu)化葉頂間隙改善葉輪機(jī)械性能及控制噪聲的依據(jù);

　　(4)在機(jī)匣及葉頂處理改變?nèi)~頂間隙的研究中，綜合考慮葉輪性能及噪聲的變化情況，在保證噪聲變化在允許范圍內(nèi)的前提下尋求優(yōu)化葉輪性能的措施;

　　(5)針對大容量葉輪機(jī)械變工況運(yùn)行的特點(diǎn)，對不同間隙和流量下的葉頂間隙流動進(jìn)行研究，為葉輪機(jī)械的變工況調(diào)節(jié)提供參考依據(jù)。