兩類(lèi)葉型探針對(duì)擴(kuò)壓葉柵流場(chǎng)影響的對(duì)比

向宏輝，任銘林，馬宏偉，賀 象，姜正禮

(1.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 江油621703；2.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100083)

1 引言

多級(jí)軸流壓氣機(jī)葉排布局緊湊、流動(dòng)空間狹窄，常規(guī)探針在級(jí)間流場(chǎng)測(cè)量中會(huì)受到很大限制。為實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的多點(diǎn)接觸測(cè)量，近年來(lái)葉型探針技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1～4]。不過(guò)葉型探針通常需要在靜葉排上選取數(shù)個(gè)葉片焊接探頭和埋設(shè)測(cè)壓管，會(huì)對(duì)壓氣機(jī)環(huán)形葉片排局部流場(chǎng)產(chǎn)生額外擾動(dòng)，在氣流摻混與轉(zhuǎn)靜干涉作用下，進(jìn)而影響壓氣機(jī)的宏觀氣動(dòng)性能和穩(wěn)定性。

為量化級(jí)間葉型探針對(duì)多級(jí)壓氣機(jī)性能的影響程度，進(jìn)一步提高壓氣機(jī)原始試驗(yàn)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[5]基于大量軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理統(tǒng)計(jì)，分析了葉型探針對(duì)壓氣機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)的影響，結(jié)果表明對(duì)于靜葉高度不低于20 mm的軸流壓氣機(jī)，其性能數(shù)據(jù)測(cè)量誤差范圍約在2%以內(nèi)，并且壓氣機(jī)級(jí)增壓能力所受到的影響程度與流道堵塞比有關(guān)。為揭示葉型探針對(duì)壓氣機(jī)性能及內(nèi)部流場(chǎng)的影響規(guī)律，文獻(xiàn)[6]采用葉柵試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合方法，研究了壓氣機(jī)葉柵在安裝葉型探針前后的性能變化和探頭繞流渦系在葉柵流道內(nèi)部的發(fā)展演化規(guī)律。文獻(xiàn)[7]針對(duì)壓氣機(jī)第1級(jí)靜葉前緣安裝葉型探針前后的性能變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明葉型探針對(duì)靜葉中部載荷影響很大，而對(duì)葉片端壁附近的載荷影響較小，并且認(rèn)為葉型探針對(duì)高速、高壓比壓氣機(jī)性能的影響更大。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩種安裝結(jié)構(gòu)的葉型探針，針對(duì)擴(kuò)壓葉柵環(huán)境中兩類(lèi)葉型探針的影響特性進(jìn)行對(duì)比研究，通過(guò)定性與定量分析兩類(lèi)葉型探針在葉柵不同工況下的影響，以評(píng)估兩類(lèi)葉型探針的工程適用性，為葉型探針安裝結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

模擬葉型探針安裝結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)靜子平面葉柵性能試驗(yàn)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院超、跨聲速平面葉柵風(fēng)洞(見(jiàn)圖1)上進(jìn)行。試驗(yàn)段風(fēng)口尺寸為160 mm(高)×300 mm(寬)，進(jìn)口馬赫數(shù)范圍為 0.4～2.0，進(jìn)口氣流角范圍為20°～95°，最大空氣流量為22.4 kg/s，穩(wěn)定工作時(shí)間大于4 min，壓力波動(dòng)不大于0.3%。

2.2 葉柵試驗(yàn)件

選取一套經(jīng)驗(yàn)證的基準(zhǔn)葉柵試驗(yàn)件為研究對(duì)象，葉柵主要參數(shù)為：葉片數(shù)N=9，葉片弦長(zhǎng)b=70.12 mm，葉高h(yuǎn)=160 mm，柵距t=48.55 mm，葉片安裝角γ=60.1°，葉片幾何進(jìn)口角 β1k=35.4°，葉片幾何出口角β2k=82.3°，設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)M1=0.73。選擇其中2個(gè)葉片分別安裝雙面焊接的Kiel探頭(簡(jiǎn)稱A類(lèi)探針)和單面焊接的Kiel探頭(簡(jiǎn)稱B類(lèi)探針)，如圖2所示，兩類(lèi)探針安裝結(jié)構(gòu)及測(cè)壓管排布方式完全相同。探頭直徑2.5 mm，總長(zhǎng)度7.5 mm，伸出葉片前緣長(zhǎng)度2.5 mm，測(cè)壓管直徑1 mm。探針?lè)謩e位于葉片10%、50%和90%葉高位置，測(cè)壓管緊貼在葉盆表面，最終在50%弦長(zhǎng)位置合并后沿展向從端壁引出。

2.3 測(cè)試方法

將裝有葉型探針的葉片依次換裝原型葉柵中間通道的葉片完成對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，來(lái)流總壓、總溫在穩(wěn)壓段內(nèi)測(cè)取，葉柵前、后靜壓通過(guò)開(kāi)設(shè)在柵板上的兩排靜壓孔測(cè)?。蝗~片表面壓力只在50%葉高位置測(cè)量，分別在安裝葉型探針葉片的葉背、相鄰兩側(cè)葉片的葉背與葉盆開(kāi)設(shè)靜壓孔。在葉柵出口測(cè)量截面距葉片尾緣0.45t處，采用楔形三孔探針在葉柵50%葉高位置沿額線方向移動(dòng)3個(gè)柵距(考慮3個(gè)相鄰葉片的尾跡寬度)共測(cè)量61點(diǎn)，通過(guò)校準(zhǔn)曲線插值得到柵后總壓、靜壓、氣流角及馬赫數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)。

3 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖3(a)給出了M1=0.73下葉柵不同葉片表面等熵馬赫數(shù)(Mis)分布。從圖中可知，相比原型葉片，安裝A類(lèi)探針葉片葉背在整個(gè)弦長(zhǎng)范圍內(nèi)馬赫數(shù)分布形態(tài)變化不大，只是整體向低馬赫數(shù)方向移動(dòng)。與A類(lèi)探針的影響相比，安裝B類(lèi)探針葉片葉背馬赫數(shù)受到的影響程度和范圍均有減小，53%弦長(zhǎng)后馬赫數(shù)分布與原型葉片基本重合。A類(lèi)探針對(duì)相鄰葉片葉背前緣附近的流動(dòng)影響較小，不過(guò)隨著流動(dòng)向下游方向發(fā)展，探針?biāo)谌~片的非光滑葉盆表面的流動(dòng)開(kāi)始惡化，通道橫向壓力梯度增大，導(dǎo)致相鄰葉片葉背馬赫數(shù)均高于原型葉片，表明葉片氣動(dòng)負(fù)荷有所提高，但相鄰葉片葉盆馬赫數(shù)沒(méi)有受到影響。與A類(lèi)探針的影響相比，B類(lèi)探針會(huì)導(dǎo)致相鄰葉片葉背馬赫數(shù)進(jìn)一步升高，并且相鄰葉片葉盆馬赫數(shù)也略有升高，表明B類(lèi)探針對(duì)相鄰兩側(cè)葉片流動(dòng)的影響作用更大。以上分析表明，在設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)條件下，兩類(lèi)探針對(duì)葉柵不同位置葉片表面流動(dòng)的影響規(guī)律略有差異。

圖3 葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.3 Isentropic Mach number distribution on the blade surface

當(dāng)M1=0.85時(shí)(如圖3(b)所示)，原型葉片葉背表面出現(xiàn)局部超聲區(qū)，馬赫峰處于35%弦長(zhǎng)位置，其值達(dá)1.3，超聲區(qū)內(nèi)形成一道較強(qiáng)的通道正激波，激波與葉背表面附面層發(fā)生干擾，導(dǎo)致波后附面層明顯增厚。相比原型葉片，A類(lèi)探針?biāo)谌~片葉背表面流動(dòng)出現(xiàn)明顯惡化，從29%弦長(zhǎng)開(kāi)始馬赫數(shù)急劇降低，附面層出現(xiàn)嚴(yán)重分離，堵塞影響范圍較大，占據(jù)了一定比例的葉柵流道寬度。與A類(lèi)探針的影響相比，B類(lèi)探針?biāo)谌~片葉背馬赫數(shù)分布明顯不同，葉背進(jìn)口段膨脹加速，流動(dòng)趨勢(shì)更強(qiáng)，導(dǎo)致馬赫峰后移至約47%弦長(zhǎng)位置，且靠近葉片尾緣附近的馬赫數(shù)降低，雖然導(dǎo)致流向逆壓力梯度增大，但附面層此時(shí)仍未出現(xiàn)分離，影響程度要小于A類(lèi)探針。A類(lèi)探針對(duì)相鄰葉片葉背馬赫數(shù)分布的影響與上述B類(lèi)探針對(duì)其所在葉片的影響極為相似，通道激波位置后移，下游減速擴(kuò)壓段縮小，逆壓梯度進(jìn)一步增大；相鄰葉片葉盆流動(dòng)也受到A類(lèi)探針繞流作用的影響，表面馬赫數(shù)降低，這是由于隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，葉盆表面附面層增厚，其低速氣流對(duì)相鄰流道內(nèi)探針的擾動(dòng)更加敏感。與A類(lèi)探針的影響相比，B類(lèi)探針誘導(dǎo)相鄰葉片葉背附面層出現(xiàn)分離，但損失程度要小于A類(lèi)探針?biāo)谌~片，且相鄰葉片葉盆表面馬赫數(shù)所受到的影響也更小。上述分析表明，在高馬赫數(shù)條件下，無(wú)論是探針?biāo)谌~片還是相鄰兩側(cè)葉片，A類(lèi)探針的影響程度均要大于B類(lèi)探針。

為量化對(duì)比兩類(lèi)葉型探針對(duì)葉柵總體性能的影響程度，本文對(duì)柵后不同葉片的性能參數(shù)進(jìn)行了平均處理。圖4、圖5分別給出了葉柵平均出口氣流角(β2)和總壓損失系數(shù)(ω)的變化。 如圖4所示，兩類(lèi)探針均會(huì)造成葉柵出口氣流角減小，氣流出現(xiàn)欠偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，葉片加功擴(kuò)壓能力降低；相比之下，A類(lèi)探針的影響程度要大于B類(lèi)探針，并且隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大偏差幅度逐漸增大，在M1=0.85時(shí)接近1.5°。圖5中，當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)較低時(shí)，A類(lèi)探針帶來(lái)的總壓損失略小于B類(lèi)探針，但隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，A類(lèi)探針帶來(lái)的總壓損失最終大于B類(lèi)探針。結(jié)合葉片表面等熵馬赫數(shù)分析結(jié)果可知，兩類(lèi)探針對(duì)葉柵損失特性的影響差異與葉柵通道內(nèi)是否出現(xiàn)激波有關(guān)。對(duì)于葉柵通道內(nèi)沒(méi)有激波的亞聲速流動(dòng)環(huán)境，A類(lèi)探針帶來(lái)的總壓損失更??；而對(duì)于葉柵通道內(nèi)會(huì)形成強(qiáng)激波的跨聲速流動(dòng)環(huán)境，B類(lèi)探針帶來(lái)的總壓損失更小。

圖4 兩類(lèi)探針對(duì)葉柵出口氣流角的影響Fig.4 The influence of two types of airfoil probes on cascade outlet flow angle

4 數(shù)值模擬結(jié)果

為更直觀地了解擴(kuò)壓葉柵中兩類(lèi)葉型探針的影響規(guī)律，本文采用CFX軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)下的探針繞流特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。為克服三維葉片與葉型探針在網(wǎng)格尺度上的巨大差異，本文在構(gòu)建計(jì)算模型時(shí)對(duì)葉型探針真實(shí)安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，將探針等效為圓柱形實(shí)體探頭，并忽略了測(cè)壓管線，最終生成的兩類(lèi)葉型探針結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。有關(guān)數(shù)值計(jì)算方法介紹詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

圖7為50%葉高位置葉片表面馬赫數(shù)分布云圖。從圖7(a)中可以看出，雙面焊接的A類(lèi)探針導(dǎo)致葉片表面被由前緣探頭繞流引起的具有一定厚度的低速氣流包圍，受低速氣流帶的影響，葉背側(cè)局部加速區(qū)與葉背表面沒(méi)有直接接觸，低速氣流帶從前緣開(kāi)始逐漸加速，同時(shí)葉背表面附面層也在不斷發(fā)展增厚，這與葉片安裝探針后葉背表面馬赫數(shù)降低相對(duì)應(yīng)。從圖中還可以看到，簡(jiǎn)化后的A類(lèi)探針在葉片前緣葉盆側(cè)形成一個(gè)明顯的后臺(tái)階，臺(tái)階下游為沉寂區(qū)，產(chǎn)生了較寬的尾跡流動(dòng)區(qū)域，低速尾流與周?chē)鷼饬鲹交旌蟊徊粩嗉铀?，影響范圍隨之增大，在葉柵出口幾乎達(dá)到20%通道寬度。圖7(b)中顯示，單面焊接的B類(lèi)探針由于安裝位置更靠近葉盆，使得葉片葉背表面流動(dòng)所受到的探針繞流影響相對(duì)較小。與A類(lèi)探針繞流情況相比，B類(lèi)探針在葉盆側(cè)形成了范圍更大的低速尾跡流動(dòng)區(qū)域，出口尾跡寬度約為25%通道寬度。

圖8給出了距離葉柵尾緣0.45t位置的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布(含渦量與二次流流線)。圖中無(wú)量綱軸向渦量(Vorticity)定義為為葉柵進(jìn)口流量平均速度；橫坐標(biāo)表示葉柵周向，用柵距進(jìn)行無(wú)量綱化；縱坐標(biāo)表示葉柵展向，用葉高進(jìn)行無(wú)量綱化；由于平面葉柵沿展向關(guān)于50%葉高截面完全對(duì)稱，因此只給出了葉片中部以下區(qū)域。從圖8(a)中可以看出，原型葉柵柵后0.45t位置仍處于角區(qū)分離渦影響區(qū)域，角區(qū)分離渦的渦量分布比較集中，在通道橫向壓力梯度作用下二次流流動(dòng)趨勢(shì)很強(qiáng)，導(dǎo)致低能流體向葉背與端壁所形成的角區(qū)輸運(yùn)和堆積，使得角區(qū)分離渦核心的損失程度很大。從圖8(b)中可知，安裝A類(lèi)探針后，在前緣探針繞流作用影響下，柵后中部靠近葉盆側(cè)產(chǎn)生了明顯的對(duì)稱旋渦結(jié)構(gòu)，上部斑點(diǎn)代表沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的渦，下部斑點(diǎn)則代表沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的渦；而位于10%葉高位置的A類(lèi)探針繞流渦對(duì)與角區(qū)分離渦的摻混和耗散非常強(qiáng)烈，導(dǎo)致探針繞流對(duì)稱渦顯著減小。從圖8(c)中可知，與A類(lèi)探針繞流作用相比，B類(lèi)探針繞流渦的演化規(guī)律基本一致，只是B類(lèi)探針繞流對(duì)稱渦的尺寸更大，即渦量強(qiáng)度更大，以至于10%葉高位置探針繞流對(duì)稱渦在與角區(qū)分離渦摻混和耗散后仍保持了較為完整的對(duì)稱旋渦結(jié)構(gòu)。

需要指出的是，由于數(shù)值模擬中對(duì)葉型探針安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化等效處理，因此本文所給出的計(jì)算結(jié)果與葉型探針真實(shí)繞流特性可能存在一定差異。

5 結(jié)論

(1)兩類(lèi)葉型探針對(duì)其所在葉片及相鄰兩側(cè)葉片的表面流動(dòng)會(huì)帶來(lái)不同程度的影響，葉片前緣探頭安裝形式影響葉型探針的實(shí)際繞流效果。

(2)對(duì)于葉柵通道內(nèi)沒(méi)有激波的亞聲速流場(chǎng)環(huán)境，A類(lèi)探針的綜合影響程度略小于B類(lèi)探針；而對(duì)于葉柵通道內(nèi)會(huì)形成強(qiáng)激波的跨聲速流場(chǎng)環(huán)境，A類(lèi)探針的綜合影響程度要大于B類(lèi)探針。

(3)兩類(lèi)葉型探針?biāo)T導(dǎo)的繞流渦發(fā)展演化機(jī)制基本相同，但B類(lèi)探針繞流渦的尺度更大，在亞聲速擴(kuò)壓葉柵中會(huì)帶來(lái)更大的總壓損失。

(4)文中工作是在平面葉柵條件下進(jìn)行的，還不能反應(yīng)真實(shí)葉片三維流動(dòng)效應(yīng)，并且葉型探針對(duì)葉柵內(nèi)流的影響因素較多(包括探針尺寸、安裝位置及數(shù)量等)，還需進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究。

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