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

    2011-07-14 01:53:52向宏輝任銘林馬宏偉姜正禮
    燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究 2011年3期
    關(guān)鍵詞:葉背葉柵葉型

    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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