非軸對稱端壁設(shè)計的高負(fù)荷渦輪氣熱性能研究進(jìn)展

李 軍 ，宋立明，孫 皓，郭振東

（1.西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所，西安710049；2.先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191；3.重慶通用工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401336）

0 引言

高端裝備自主化的國家重大需求和對高性能燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)越來越高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性要求推動了氣動設(shè)計的不斷發(fā)展，先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)通流精細(xì)化設(shè)計可顯著提高渦輪的熱功轉(zhuǎn)換效率和運(yùn)行安全性。向更高溫度、更高壓力方向發(fā)展的燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)要求熱功轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件渦輪葉片具有優(yōu)良的氣動效率[1]。

渦輪進(jìn)口溫度和壓力的升高在提高了燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率、降低了熱耗率的同時，也推動了渦輪向高功率方向發(fā)展。為保持渦輪結(jié)構(gòu)的緊湊性，減輕其質(zhì)量，同時降低渦輪的制造成本，對渦輪采用高負(fù)荷葉型設(shè)計。葉型負(fù)荷的提高，意味著葉柵通道中周向壓力梯度的增強(qiáng)和端壁二次流強(qiáng)度的增加，從而引起二次流損失的增加。對于具有小展弦比和高負(fù)荷特性的燃?xì)鉁u輪第1級靜葉，50%以上的氣動損失來源于二次流損失[2]。減少二次流損失是現(xiàn)代高負(fù)荷渦輪設(shè)計的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

在高負(fù)荷渦輪葉柵減少二次流損失的端壁設(shè)計方面，Dossena等[3]通過軸對稱端壁成型來減少高壓導(dǎo)葉的二次流損失，其幾何造型的特點(diǎn)是采用收縮性通道，葉片通道進(jìn)、出口速度比增大，從而改變?nèi)~片根部載荷分布，以此減少二次流損失，但是這種方法在減少二次流損失的同時，有可能造成中葉展負(fù)荷的增加，導(dǎo)致型面損失增大，局部氣動性能惡化；王仲奇和鄭嚴(yán)[4]、Sonoda等[5]采用彎葉片通過形成“C”型壓力分布，達(dá)到降低葉片端部的載荷，減小周向壓力梯度和二次流損失；Rose[6]率先提出采用非軸對稱端壁造型來減少二次流損失，其基本原理是在吸力面附近形成凹面，而在壓力面附近形成凸面，從而改變當(dāng)?shù)亓鲌龅乃俣群蛪毫Ψ植?，抑制二次流發(fā)展。

非軸對稱端壁造型結(jié)合3維葉片設(shè)計由于在減少二次流損失和提高葉柵出口氣流角均勻度方面的特點(diǎn)而受到重視[7-8]，在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)高負(fù)荷渦輪設(shè)計中得到應(yīng)用。本文簡要介紹了渦輪葉柵中的二次流模型，給出了非軸對稱端壁設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上綜述了非軸對稱端壁設(shè)計的高負(fù)荷渦輪氣動性能和傳熱特性的研究和應(yīng)用進(jìn)展及需要繼續(xù)深入開展的工作，旨在為高性能渦輪精細(xì)化氣動設(shè)計提供借鑒。

1 高負(fù)荷渦輪非軸對稱端壁設(shè)計

1.1 二次流模型

非軸對稱端壁造型技術(shù)減少二次流損失的出發(fā)點(diǎn)基于對二次流產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理的深入認(rèn)識。在渦輪中，二次流定義為方向與主流方向不同的流動，但不包含間隙泄漏流。在渦輪葉柵中，二次流作為1種十分復(fù)雜的流動，包含馬蹄渦、通道渦、角渦和尾跡脫落渦等渦系，其強(qiáng)度和葉片的轉(zhuǎn)折角、負(fù)荷以及進(jìn)口邊界層的狀態(tài)等多種因素有關(guān)[9-10]。Vogt和ZiPPel[9]所提出的二次流模型較為系統(tǒng)和全面，如圖1所示。

在前緣附近，進(jìn)口邊界層接近滯止?fàn)顟B(tài)，邊界層中的總壓梯度轉(zhuǎn)化為徑向壓力梯度，在其作用下，進(jìn)口邊界層在前緣附近即鞍點(diǎn)位置分離，形成馬蹄渦壓力面分支和吸力面分支。馬蹄渦形成的意義在于把進(jìn)口邊界層中的周向渦量轉(zhuǎn)化為流向渦量。

圖1 Vogt和Zippel提出的二次流模型[9]

在葉柵通道中，馬蹄渦的壓力面分支在周向壓力梯度的作用下向吸力面運(yùn)動，到達(dá)吸力面時形成通道渦。進(jìn)口邊界層在吸力面馬蹄渦附近分離，被卷入通道渦中并成為通道渦的損失核心。同時，在壓力面馬蹄渦對應(yīng)的分離線后的端壁面上形成新的邊界層，在周向壓力梯度的作用下，這部分低能流體不斷進(jìn)入通道渦中并增強(qiáng)了通道渦，被稱為周向次流。馬蹄渦吸力面分支靠近吸力面運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)方向與通道渦相反，其空間位置受通道渦強(qiáng)度的影響，在和其它流體的摻混中不斷減弱。在端壁和吸力面交界處，受通道渦的影響，還會誘發(fā)出角渦，其空間尺寸較小，方向和通道渦相反，強(qiáng)度與葉型轉(zhuǎn)折角有關(guān)。

在尾緣附近的低雷諾數(shù)條件下，在擴(kuò)壓區(qū)逆壓梯度的作用下，會出現(xiàn)吸力面邊界層流動分離現(xiàn)象，從而在尾緣附近形成回流區(qū)。在環(huán)形葉柵中，在尾緣附近的徑向壓力梯度的作用下，受通道渦的影響，會誘發(fā)出與通道渦反向的尾跡脫落渦，二者相互作用形成出口面上的高損失區(qū)。

Denton[2]指出：二次流所引起的氣動損失主要源于和主流的摻混以及端壁邊界層內(nèi)的摩擦損失。同時，二次流渦系會在葉柵出口引起氣流角的過偏轉(zhuǎn)和欠偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，引發(fā)下游相鄰葉排進(jìn)口的正攻角和負(fù)攻角現(xiàn)象，從而導(dǎo)致攻角損失的增加并引起渦輪氣動性能的降低。

通道渦是葉柵通道內(nèi)部二次流主要流動形態(tài)，進(jìn)口邊界層越厚，葉片載荷越高，葉型轉(zhuǎn)折角越大，通道渦的強(qiáng)度越大。因此，就二次流的控制技術(shù)來說，葉片彎曲、傾斜和非軸對稱端壁設(shè)計這些方法的著眼點(diǎn)都在降低葉片的載荷上，即通過減弱葉柵通道中的周向壓力梯度，以達(dá)到減少進(jìn)入通道渦內(nèi)的周向次流，抑制通道渦發(fā)展的目的。

基于渦輪葉柵二次流產(chǎn)生機(jī)理，減小葉柵端壁面橫向壓力梯度，抑制從壓力面向吸力面的橫向流動，可以減少二次流損失，特別是高負(fù)荷渦輪葉柵的橫向壓力梯度增大的情況。

1.2 非軸對稱端壁造型方法

端壁造型方法是非軸對稱端壁技術(shù)能否在應(yīng)用中取得良好效果的關(guān)鍵，其基本原理是：當(dāng)端壁形成凸面時，由于流線的彎曲，當(dāng)?shù)亓鲌龅乃俣忍岣?，壓力降低；反之，?dāng)端壁形成凹面時，當(dāng)?shù)亓鲌龅乃俣冉档?，壓力提高?/p>

國內(nèi)外科研人員提出和發(fā)展了不同的非軸對稱端壁造型設(shè)計方法。Rose[6]提出了基于傅里葉級數(shù)法的非軸對稱端壁造型方法。在6個不同的軸向位置通過3階傅里葉級數(shù)生成端壁面的徑向位移擾動，即在周向根據(jù)傅里葉級數(shù)生成曲線，并沿流向通過B樣條曲線把不同軸向位置的曲線聯(lián)結(jié)起來，從而生成1個非軸對稱端壁面。

Nagel等[11]提出了基于衰減函數(shù)法的非軸對稱端壁造型方法?？臻g曲面由沿流向的衰減函數(shù)和周向的余弦函數(shù)疊加而成，每個非軸對稱端壁面包括15個設(shè)計變量。吸力面和壓力面上的衰減曲線，均由2個B樣條或者NURBS曲線生成，每個樣條曲線生成1個“波峰”或者“波谷”，并由1個參數(shù)來控制“波峰”和“波谷”的平坦度。在周向方向，吸力面和壓力面上的樣條曲線通過1個正余弦半周期或全周期函數(shù)聯(lián)結(jié)在一起。

李國君等[12-13]提出了三角函數(shù)法和壓差端壁造型法，并根據(jù)這些方法針對渦輪葉柵進(jìn)行了非軸對稱端壁設(shè)計，對流場進(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)研究。其中三角函數(shù)法利用了正余弦函數(shù)自身具有的單調(diào)、連續(xù)的特點(diǎn)，而壓差端壁造型法則根據(jù)流場內(nèi)壓力面和吸力面之間的壓力差來決定端壁造型幅度。

非軸對稱端壁造型方法可以分為2類：第1類是利用優(yōu)化方法來設(shè)計渦輪葉柵端壁，要求對應(yīng)的非軸對稱端壁造型方法能夠勾畫出各種形狀的端壁形式，也即具有完整的優(yōu)化空間，如上文提及的傅里葉級數(shù)法、衰減函數(shù)法以及NURBS方法。這類方法的缺點(diǎn)是在周向和軸向的定義形式過于繁瑣，導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計變量過多，端壁造型的設(shè)計周期較長。

第2類方法則是在充分理解和掌握葉柵流場特性以及非軸對稱端壁造型機(jī)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)流場的特點(diǎn)按照合理的端壁造型方法來設(shè)計非軸對稱端壁。具有代表性工作如李國君等所采用的三角函數(shù)法[12]，鄭金等提出的壓差端壁造型法[13]。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計周期短、調(diào)整靈活；缺點(diǎn)是這些方法對設(shè)計者自身的專業(yè)水平要求較高，不利于非軸對稱端壁技術(shù)在渦輪通流設(shè)計中的廣泛應(yīng)用。

孫皓等[14-15]提出了基于控制型線曲率分布與壓力變化和二次流強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的渦輪非軸對稱端壁造型方法——雙控制型線法。非軸對稱端壁造型如圖2所示。在周向，控制型線直接采用正余弦半周期或者全周期函數(shù)，從而在吸力面附近形成端壁凹區(qū)，以提高這一區(qū)域的壓力，而在壓力面形成凸起區(qū)域，以減小這一區(qū)域的壓力。在軸向，根據(jù)控制點(diǎn)的坐標(biāo)值生成B樣條曲線，在某一軸向位置，軸向控制型線的徑向位置即為周向控制型線的幅值，從而決定了端壁凹區(qū)和凸區(qū)的造型幅度。孫皓等提出的非軸對稱端壁造型方法在軸向B樣條控制點(diǎn)采用5個即可，且控制點(diǎn)軸向位置不變只沿葉高方向調(diào)整，因此，如果周向控制型線采用半周期函數(shù)時，每個端壁面只有5個設(shè)計變量。與傅里葉級數(shù)法采用1階形式（12個參數(shù)）相比，設(shè)計變量減少了58%，而與衰減函數(shù)法（15個參數(shù)）相比，設(shè)計變量減少了66%。設(shè)計變量的減少必然極大地提高優(yōu)化設(shè)計的效率，縮短葉柵非軸對稱端壁的設(shè)計周期。

圖2 非軸對稱端壁造型方法[14]

非軸對稱端壁造型方法是減少高負(fù)荷渦輪葉柵二次流損失，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)。非軸對稱端壁設(shè)計方法的進(jìn)步極大地促進(jìn)了高負(fù)荷渦輪氣動性能的提高。

2 高負(fù)荷渦輪非軸對稱端壁氣熱性能

高負(fù)荷渦輪葉柵氣動性能的提高在減少二次流損失的同時，對于端壁面提出了需要優(yōu)良傳熱冷卻性能的要求。因此高負(fù)荷渦輪葉柵非軸對稱端壁設(shè)計在氣動性能和傳熱冷卻特性方面需要綜合考慮才能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

2.1 非軸對稱端壁渦輪葉柵的氣動性能

非軸對稱端壁設(shè)計需要掌握高負(fù)荷渦輪葉柵二次流發(fā)展和損失生成機(jī)理，才能切實(shí)可靠地實(shí)現(xiàn)抑制二次流發(fā)展，減少流動損失，提高氣動性能。Coull[16]在保持展弦比和進(jìn)口邊界層厚度一定時采用數(shù)值模擬方法研究了氣流角、葉型厚度、吸力面升力等對直列葉柵端壁損失的影響。研究結(jié)果表明端壁損失主要包括端壁邊界層耗散損失和二次流損失。

自Rose[6]提出非軸對稱端壁設(shè)計減少葉柵二次流損失的概念以來，科研人員在直列葉柵中進(jìn)行了設(shè)計和試驗(yàn)驗(yàn)證。Duden等[17]對高負(fù)荷渦輪葉柵進(jìn)行了非軸對稱端壁設(shè)計，并采用直列葉柵試驗(yàn)和3維數(shù)值計算對非軸對稱端壁造型葉柵的氣動性能和流場特性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：非軸對稱端壁設(shè)計可以大幅度降低二次流損失，但是型面損失和進(jìn)口損失的增加平衡掉了減小的二次流損失。非軸對稱端壁設(shè)計由于改變了二次流流動進(jìn)而明顯地降低了葉柵出口氣流角的偏差。非軸對稱端壁設(shè)計在多級渦輪中具有潛在的提高效率的優(yōu)勢。

Harvey等[18]和Hartland等[19]Durham直列葉柵完成了非軸對稱端壁設(shè)計并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)測量結(jié)果指出非軸對稱端壁設(shè)計的葉柵總壓損失系數(shù)相比于軸對稱端壁設(shè)計從0.1377減小到0.1108。而數(shù)值計算結(jié)果高估了非軸對稱端壁設(shè)計減少二次流損失的能力。Hartland等[19]試驗(yàn)研究了非軸對稱端壁設(shè)計的Durham直列葉柵的氣動性能。試驗(yàn)測量結(jié)果表明非軸對稱端壁設(shè)計的葉柵降低了葉柵出口二次流的強(qiáng)度和獲得了更加均勻的葉柵出口氣流角。Gregory-Smith等[20]發(fā)展了針對Durham葉柵的非軸對稱端壁造型方法，采用直列葉柵試驗(yàn)和3維RANS方法驗(yàn)證了發(fā)展的非軸對稱端壁設(shè)計方法可以有效地減少二次流強(qiáng)度和損失。

Nagel等[11]采用發(fā)展的非軸對稱端壁設(shè)計優(yōu)化方法進(jìn)行了直列葉柵端壁造型設(shè)計，并采用試驗(yàn)測量的方法驗(yàn)證了非軸對稱端壁設(shè)計減少葉柵二次流損失的有效性。Corral等[21]提出了基于Adjoint方法的減少二次動能為目標(biāo)函數(shù)的葉柵非軸對稱端壁優(yōu)化設(shè)計方法。優(yōu)化設(shè)計得到的非軸對稱端壁低壓渦輪靜葉的結(jié)果表明：Adjoint優(yōu)化設(shè)計方法可以快速獲得非軸對稱端壁設(shè)計，優(yōu)化獲得的非軸對稱端壁葉柵減少了二次流損失，提高了氣動效率。

Ingram等[22]針對Durham直列葉柵非軸對稱端壁設(shè)計開展了試驗(yàn)測量和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)了非軸對稱端壁設(shè)計在近吸力面通道中的流動分離現(xiàn)象。定常RANS求解方法很難獲得非軸對稱端壁設(shè)計近端壁面的復(fù)雜紊流。Ingram等[23]采用直列葉柵試驗(yàn)和3維RANS方法對比分析了軸對稱和非軸對稱端壁設(shè)計的葉柵氣動性能，旨在量化非軸對稱端壁獲得減小二次流損失的收益。直列葉柵試驗(yàn)結(jié)果指出非軸對稱端壁設(shè)計相比于參考葉柵能夠減少二次流損失31%，但是3維RANS結(jié)果卻沒有這么明顯地提高。結(jié)果指出葉柵通道中轉(zhuǎn)捩流動不會影響端壁造型，3維RANS在預(yù)測二次流損失精度方面需要提高。

劉波等[24]和高增珣等[25]采用發(fā)展的非軸對稱端壁造型方法開展渦輪葉柵端壁設(shè)計，數(shù)值驗(yàn)證了非軸對稱端壁能夠減少二次流損失。Taremi等[26]在跨聲速直列葉柵試驗(yàn)臺上研究了非軸對稱端壁設(shè)計對其氣動性能的影響。測量了軸對稱和非軸對稱端壁跨聲速葉柵的負(fù)荷分布、總壓損失系數(shù)和二次動能分布。研究表明非軸對稱端壁設(shè)計弱化了二次流與葉片吸力面邊界層的相互作用。非軸對稱端壁能夠使得葉柵具有更小和更弱的渦系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致葉柵的二次動能和出口氣流角變化減弱。Sun等[27-28]提出了基于曲率分布與壓力場和二次流強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的雙控制型線渦輪葉柵非軸對稱端壁設(shè)計方法。建立了結(jié)合全局優(yōu)化方法自適應(yīng)差分進(jìn)化算法、非軸對稱端壁造型和氣動性能評價方法于一體的渦輪葉柵和渦輪級非軸對稱端壁優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，完成了渦輪葉柵和渦輪級的非軸對稱端壁優(yōu)化設(shè)計，并試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

趙剛劍等[29]采用端壁參數(shù)化、3維氣動性能評價方法和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遺傳算法優(yōu)化設(shè)計了渦輪導(dǎo)葉，優(yōu)化結(jié)果表明非軸對稱端壁設(shè)計的導(dǎo)葉總壓損失系數(shù)降低了3.724%。Luo等[30]采用伴隨方法優(yōu)化設(shè)計了渦輪葉柵非軸對稱端壁型線。在降低優(yōu)化設(shè)計時間的同時，Luo的優(yōu)化方法獲得的葉片在設(shè)計工況和非設(shè)計工況均具有更高的氣動性能。

2.2 非軸對稱端壁與葉片聯(lián)合設(shè)計的葉柵氣動性能

結(jié)合3維彎曲葉片和非軸對稱端壁聯(lián)合設(shè)計進(jìn)一步提高渦輪葉柵氣動性能不僅可以減少二次流損失，還可以優(yōu)化葉片負(fù)荷分配。在高負(fù)荷渦輪葉柵設(shè)計中得到重視和發(fā)展。

Bagshaw等[31]提出采用葉片反向彎曲、非軸對稱端壁造型和端壁面葉型聯(lián)合設(shè)計方法來減少二次流損失，提高高負(fù)荷葉片氣動性能。數(shù)值模擬結(jié)果表明相比Durham，總壓損失系數(shù)減小了7%。Bagshaw等[32]在直列葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)臺上測量了采用反向彎曲和非軸對稱端壁設(shè)計的葉柵氣動性能，試驗(yàn)獲得了靜壓分布和葉片表面和端壁的流型。結(jié)果表明相比于參考Durham，采用反向彎曲和非軸對稱端壁設(shè)計的渦輪葉柵總壓損失系數(shù)從0.156減小到0.131。

Praisner等[33]基于CFD和梯度優(yōu)化方法針對典型負(fù)荷和2個高負(fù)荷的渦輪葉柵進(jìn)行了非軸對稱端壁設(shè)計。數(shù)值模擬和試驗(yàn)測量結(jié)果表明：非軸對稱端壁設(shè)計能夠有效地減少端部損失。前加載高負(fù)荷渦輪葉柵采用非軸對稱端壁設(shè)計能夠更加有效地提高其氣動性能。非軸對稱端壁設(shè)計的高負(fù)荷渦輪葉柵的損失相比于初始設(shè)計減少5%。論文同時指出需要更加精確的CFD方法來獲得非軸對稱端壁設(shè)計的渦輪葉柵流動細(xì)節(jié)，進(jìn)而掌握減少端壁損失機(jī)理。

林智榮等[34]采用改進(jìn)的余弦函數(shù)和Bezier樣條曲線的非軸對稱端壁造型方法，基于iSIGHT軟件實(shí)現(xiàn)了葉型與端壁聯(lián)合成型，優(yōu)化后絕熱效率提高了約0.43%。

郭振東等[35-36]建立了非軸對稱端壁和3維葉片聯(lián)合優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了3維葉型和非軸對稱端壁整體設(shè)計，最優(yōu)設(shè)計綜合了反彎設(shè)計和非軸對稱端壁設(shè)計。試驗(yàn)測量的參考葉片和非軸對稱端壁與葉片聯(lián)合優(yōu)化得到的葉片如圖3所示。試驗(yàn)和數(shù)值計算的參考葉片與非軸對稱端壁和葉片聯(lián)合設(shè)計的葉片總壓損失系數(shù)沿葉高分布的比較如圖4所示。數(shù)值優(yōu)化結(jié)果相對參考設(shè)計提高了0.41%；試驗(yàn)最優(yōu)設(shè)計相對參考設(shè)計提高了0.5%。在扇形葉柵試驗(yàn)臺上驗(yàn)證了所完成的非軸對稱端壁與葉片聯(lián)合設(shè)計結(jié)果的有效性。

圖3 軸對稱端壁和非軸對稱端壁/葉片聯(lián)合優(yōu)化[35]

圖4 出口截面總壓系數(shù)沿葉高分布[36]

2.3 考慮動、靜間隙射流的渦輪級氣動性能

渦輪葉柵端壁二次流的發(fā)展不僅受到上游葉柵尾跡的影響，還受到靜葉-動葉或者動葉-靜葉之間輪緣密封間隙射流的影響。輪緣密封射流強(qiáng)烈影響端壁二次流的發(fā)展。Brennan等[37]針對Trent500發(fā)動機(jī)高壓渦輪的靜葉和自帶圍帶的動葉進(jìn)行了非軸對稱端壁設(shè)計。直列葉柵試驗(yàn)結(jié)果表明非軸對稱端壁設(shè)計通過減少二次流損失而提高靜葉效率0.24%和動葉效率0.16%。采用非軸對稱端壁后，級效率提高的原因主要來自于2方面。一方面，靜葉根、頂部和動葉根部二次流受到抑制，氣動損失減少；另一方面，二次流所產(chǎn)生的靜葉氣流不均勻性，即過偏轉(zhuǎn)和欠偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到緩解，動葉攻角損失減少。Knezevici等[38]在低速直列葉柵試驗(yàn)臺上研究了非軸對稱端壁設(shè)計的渦輪葉柵氣動性能。非軸對稱端壁設(shè)計減小了近端壁面的橫向流動強(qiáng)度和葉片吸力面葉高方向的流動，減弱了通道渦，從而延遲了二次流的卷積。試驗(yàn)測量結(jié)果表明應(yīng)用非軸對稱端壁設(shè)計的葉柵可以減少二次流損失和二次動能。

Germain等[39]對1.5級渦輪進(jìn)行了非軸對稱端壁設(shè)計。試驗(yàn)測量結(jié)果指出通過非軸對稱端壁設(shè)計降低二次動能和二次流損失，能夠提高渦輪效率0.96%至1.04%。損失主要在第1列葉柵，但是非軸對稱端壁設(shè)計使得流場更加均勻，同樣對整體效率提高發(fā)揮了作用。Schupbach等[40]采用非定常試驗(yàn)測量方法闡明了非軸對稱端壁設(shè)計提高總總級效率1.0%±0.4%的作用機(jī)理。結(jié)果表明：非軸對稱端壁設(shè)計明顯改善了第1列靜葉出口流場，使得第1列靜葉的葉根和葉頂區(qū)域的二次流減弱和損失減少以及降低了尾跡渦的強(qiáng)度。動葉損失降低和二次流減弱主要集中在葉根區(qū)域。在動葉出口由于二次流減弱導(dǎo)致流場更加均勻。

Schuepbach等[41]在1.5級高負(fù)荷渦輪試驗(yàn)臺上研究了輪緣密封射流對非軸對稱端壁設(shè)計渦輪級氣動性能的影響。非定常試驗(yàn)測量和數(shù)值計算結(jié)果指出考慮輪緣密封射流降低了渦輪級采用非軸對稱端壁設(shè)計提高總總效率的幅度，降低了非軸對稱端壁設(shè)計提高渦輪級總總效率的收益。Jenny等[42]試驗(yàn)和數(shù)值研究了1.5級具有圍帶的渦輪級中輪緣密封射流在主流流動中的遷移和輸運(yùn)機(jī)理。1.5級的靜葉和動葉端壁采用非軸對稱端壁設(shè)計，3種輪緣密封射流比的研究結(jié)果指出非軸對稱端壁設(shè)計的1.5級渦輪效率在1.0%的射流流量下降低1.3%。非軸對稱端壁設(shè)計可以降低輪緣密封射流敏感度18%。非軸對稱端壁設(shè)計能夠成功地減弱輪緣密封射流與葉柵端壁二次流的相互作用。

Schobeiri和Lu[43]基于所提出的連續(xù)擴(kuò)散方法的非軸對稱端壁設(shè)計方法對1個3級試驗(yàn)渦輪的第2級動葉端壁進(jìn)行了設(shè)計。數(shù)值模擬結(jié)果表明非軸對稱端壁設(shè)計的第2級動葉氣動效率從88.82%提高至89.33%。

Poehler等[44]以渦輪級效率最大為目標(biāo)函數(shù)對1.5級渦輪的第1級靜葉和動葉進(jìn)行了非軸對稱端壁和3維葉片設(shè)計。對第1級靜葉的葉根和葉頂端壁進(jìn)行非軸對稱端壁設(shè)計，對第1級無圍帶動葉葉根進(jìn)行非軸對稱端壁設(shè)計（如圖5所示）。在Poehler等[44]非軸對稱端壁設(shè)計的基礎(chǔ)上，Niewoehner等[45]在1.5級試驗(yàn)臺（如圖6所示）上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)值分析。結(jié)果表明非軸端壁結(jié)合3維葉片設(shè)計可以提高級效率0.59%（如圖7所示）。第1級靜葉的非軸對稱端壁設(shè)計有效地改善了靜葉出口氣流角的均勻度，提高了下游動葉的氣動性能。

圖5 非軸對稱端壁和葉片聯(lián)合成型設(shè)計[44]

圖6 1.5級渦輪試驗(yàn)臺圖片和測量面位置[45]

圖7 非軸對稱端壁與葉片聯(lián)合設(shè)計的效率提升[45]

Shahpar等[46]發(fā)展了基于Adjoint方法和可信度響應(yīng)面模型的葉柵非軸對稱端壁設(shè)計方法。葉柵非軸對稱端壁設(shè)計考慮了靜葉與動葉間輪緣密封射流的影響。在一定輪緣密封射流流量和轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化設(shè)計得到的非軸對稱端壁渦輪級弱化了輪緣密封射流對渦輪級效率的影響，在葉片前緣上游的葉柵通道中采用非軸對稱端壁設(shè)計可以提高渦輪級氣動效率0.244%。Zimmermann等[47]在2級渦輪試驗(yàn)臺（如圖8所示）上對比了非軸對稱端壁設(shè)計的2維葉片和3維傾斜葉片的氣動性能。不同非軸對稱端壁設(shè)計的總壓系數(shù)沿葉高的分布如圖9所示。結(jié)果指出2維葉片采用非軸對稱端壁提高了氣動效率。同時驗(yàn)證了非軸對稱端壁設(shè)計在多級渦輪中仍然可以提高氣動效率0.96%。非軸對稱端壁設(shè)計影響了二次流并改變了通道渦的形成和葉片負(fù)荷。

圖8 2級渦輪試驗(yàn)臺子午流道[47]

圖9 總壓損失系數(shù)沿葉高分布[47]

應(yīng)用和發(fā)展非軸對稱端壁技術(shù)是減少渦輪葉柵二次流損失，提高高負(fù)荷渦輪氣動性能的有效途徑和合理選擇。關(guān)注葉片與端壁結(jié)合處的倒角影響，開展聯(lián)合成型設(shè)計綜合提高氣動性能是高負(fù)荷渦輪葉片精細(xì)化設(shè)計的發(fā)展方向[48]。

2.4 非軸對稱端壁設(shè)計的端壁傳熱特性

二次流所帶來的氣流不均勻性和高湍流度渦系不僅降低了靜葉的氣動性能，也導(dǎo)致形成端壁的高換熱系數(shù)區(qū)域。而非軸對稱端壁技術(shù)在降低二次流損失的同時，也對葉柵端壁的換熱特性有著顯著影響。

Saha等[49]采用數(shù)值方法對比了軸對稱和非軸對稱端壁設(shè)計的渦輪葉柵氣動和傳熱特性，指出相比于軸對稱端壁，非軸對稱端壁設(shè)計的葉柵總壓損失系數(shù)減小，同時平均傳熱系數(shù)減小8.0%。Lynch等[50]采用直列葉柵試驗(yàn)研究了非軸對稱端壁的傳熱性能，表明非軸對稱端壁設(shè)計降低了渦輪葉柵通道渦的強(qiáng)度。相比于軸對稱端壁，在高傳熱區(qū)域，傳熱水平降低了20%。非軸對稱端壁設(shè)計的傳熱收益不受葉柵雷諾數(shù)變化的影響。

Lawson等[51]通過試驗(yàn)測量和數(shù)值模擬的方法研究了顆粒沉積對端壁氣膜冷卻性能的影響。分析了軸對稱端壁和非軸對稱端壁氣膜冷卻性能，結(jié)果表明非軸對稱端壁設(shè)計減弱了固體顆粒在氣膜孔附近的沉積。顆粒沉積降低了軸對稱端壁50%的氣膜冷卻效率和非軸對稱端壁40%的氣膜冷卻效率。

Schobeiri等[52]針對3級試驗(yàn)渦輪的第2級動葉進(jìn)行了非軸對稱端壁設(shè)計（如圖10所示）。為了研究非軸對稱端壁設(shè)計對動葉端壁氣動性能和氣膜冷卻效率的影響，Schobeiri等在不同吹風(fēng)比和轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)結(jié)果表明，非軸對稱端壁設(shè)計可以提高氣動性能和端壁冷卻效率，但是數(shù)值結(jié)果高估了氣動性能（如圖11所示）。研究表明吹風(fēng)比和轉(zhuǎn)速對端壁造型的氣膜冷卻效率具有重要影響。

圖10 非軸對稱端壁流動冷卻試驗(yàn)臺[52]

圖11 氣動性能和冷卻效率比較[52]

Mensch等[53]基于直列葉柵端壁氣膜冷卻和射流冷卻復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，采用試驗(yàn)和數(shù)值方法研究了非軸對稱端壁設(shè)計的總體傳熱性能。結(jié)果表明：非軸對稱端壁設(shè)計通過延遲通道渦和二次流的發(fā)展而降低了平均傳熱系數(shù)。因?yàn)榉禽S對稱端壁設(shè)計弱化了通道渦對端壁流動的影響，減弱了冷卻射流的摻混從而提高了端壁的氣膜冷卻效率。

Lynch和Thole[54]在直列葉柵試驗(yàn)臺上，采用LDV(Laser Doppler Velocimeter)和OFI(Oil Film Interferometry)方法試驗(yàn)對比了軸對稱和非軸對稱端壁設(shè)計的渦輪葉柵的3維邊界層流動。試驗(yàn)結(jié)果表明非軸對稱端壁設(shè)計降低了大尺寸通道渦的強(qiáng)度，同時通過提高紊流度而增強(qiáng)了傳熱性能，揭示了渦輪葉柵通道端壁邊界層受到軸向和橫向流動方向的壓力梯度以及大尺寸通道渦作用而具有明顯3維特征，強(qiáng)烈影響端壁的傳熱和摩擦系數(shù)。

Puetz等[55]和Kneer等[56]針對渦輪靜葉設(shè)計了考慮輪緣密封射流的非軸對稱端壁葉型氣動性能和氣膜冷卻效率直列葉柵試驗(yàn)臺。氣動性能試驗(yàn)結(jié)果表明非軸對稱端壁設(shè)計影響葉型和端壁的壓力分布以及端壁流場，對靜葉端壁氣膜冷卻效率的影響由于改變了端壁的流場進(jìn)而影響端壁的傳熱性能。

Panchai等[57]在跨聲速直列葉柵試驗(yàn)臺上研究了出口馬赫數(shù)分別為0.71、0.88和0.95時以氣動最優(yōu)、傳熱最優(yōu)的非軸對稱端壁設(shè)計的葉柵和軸對稱端壁葉柵的傳熱性能（如圖12所示）。試驗(yàn)結(jié)果表明無論氣動最優(yōu)還是傳熱最優(yōu)的非軸對稱端壁設(shè)計均可以明顯地降低平均傳熱系數(shù)約10%。端壁表面的Stanton數(shù)分布也表明在端壁的大部分區(qū)域降低了熱斑的幅值，但是試驗(yàn)測量到在前緣附近具有提高的Stanton數(shù)值。試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果均表明非軸對稱端設(shè)計能夠顯著地提高渦輪葉柵通道的傳熱性能。

圖12 氣動和傳熱性能最優(yōu)的非軸對稱端壁設(shè)計[57]

2.5 非軸對稱端壁設(shè)計的變工況氣動性能

對非軸對稱端壁渦輪變工況特性的研究分為葉柵和渦輪級2種，Vazquez等[58]對具有高展弦比、高轉(zhuǎn)折角和高負(fù)荷特點(diǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)低壓渦輪葉片進(jìn)行了不同雷諾數(shù)（1.20～3.15）×105和馬赫數(shù)（0.5～0.9）條件下的變工況特性研究，研究表明：雷諾數(shù)通過改變邊界層的狀態(tài)來影響葉柵氣動損失，對非軸對稱端壁葉柵的效果影響有限。而馬赫數(shù)的變化則會引起葉片表面壓力的明顯變化，對于其在試驗(yàn)中所采用的動葉葉型來說，在低馬赫數(shù)時，壓力分布趨向于前加載方式，而在高馬赫數(shù)時，葉片負(fù)荷變?yōu)楹蠹虞d方式，靜壓分布形式與設(shè)計工況時相差較大，這是非軸對稱端壁減少氣動損失的作用“失效”的主要原因。

為評估非軸對稱端壁渦輪級在不同工況下的氣動特性，RR公司對Trent 500發(fā)動機(jī)高、中壓渦輪級在80%、100%和120%設(shè)計轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了試驗(yàn)測試[59-60]。在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，相對于軸對稱端壁渦輪級，非軸對稱端壁高壓渦輪級效率約提高0.5%，隨著輸出功率的變化，效率提高的變化幅度不大。中壓渦輪級在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，級效率約提高1.0%，但在輸出功率大于設(shè)計值時，隨著渦輪級氣動性能的惡化，非軸對稱端壁減少氣動損失的效果明顯減弱。Snedden等[61]對非軸對稱端壁渦輪級在不同轉(zhuǎn)速下的氣動性能進(jìn)行了試驗(yàn)測量和數(shù)值模擬，結(jié)果表明當(dāng)渦輪級負(fù)荷減小時，與軸對稱端壁渦輪級相比，效率提高的幅度有所增大。

目前，關(guān)于非軸對稱端壁渦輪變工況特性的研究工作還處于起步階段，已有的結(jié)論還需要進(jìn)行深入研究。

3 結(jié)束語

科研人員采用直列葉柵、環(huán)形葉柵和旋轉(zhuǎn)渦輪級試驗(yàn)驗(yàn)證了非軸對稱端壁設(shè)計在減少渦輪葉柵二次流損失和提高氣動性能的有效性。非軸對稱端壁聯(lián)合葉片優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代高負(fù)荷渦輪氣動設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

非軸對稱端壁設(shè)計技術(shù)可以減少葉柵出口氣流角的偏轉(zhuǎn)，有利于減少下游葉柵的攻角損失。試驗(yàn)和數(shù)值驗(yàn)證在多級渦輪葉柵中采用非軸對稱端壁設(shè)計技術(shù)能夠提高渦輪整體氣動性能，降低了動靜間輪緣密封射流對渦輪氣動性能影響的敏感度。

直列葉柵和級試驗(yàn)與數(shù)值模擬證明了非軸對稱端壁設(shè)計能夠提高端壁面的冷卻效率。非軸對稱端壁設(shè)計改善渦輪葉柵端壁面換熱主要集中在2個區(qū)域：在通道中部，由于非軸對稱端壁降低了周向壓力梯度，減弱了端壁上的周向次流，壓力面附近的換熱系數(shù)明顯降低；在吸力面后部，強(qiáng)度減弱的馬蹄渦和通道渦引起角渦強(qiáng)度的降低，也使得吸力面后部區(qū)域的換熱特性得到改善。

4 展望

高負(fù)荷渦輪非軸對稱端壁設(shè)計需要清楚掌握端壁面凹凸形式、葉片與端壁連接的倒角結(jié)構(gòu)、壓力分布以及渦系強(qiáng)度變化之間的聯(lián)系，根據(jù)葉片表面的壓力分布對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，優(yōu)化設(shè)計非軸對稱端壁造型，這是掌握非軸對稱端壁設(shè)計在抑制通道渦發(fā)展，減少二次流損失的流動機(jī)理基礎(chǔ)上從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用必須開展的研究工作，包括可靠的數(shù)值模擬方法和精準(zhǔn)的試驗(yàn)測試技術(shù)。

在渦輪級非軸對稱端壁設(shè)計時，不僅需要考慮級效率的提高，還需關(guān)注級功率的變化。非軸對稱端壁在抑制通道渦的同時，一定程度上增大了喉部尺寸，改變了級反動度。非軸對稱端壁設(shè)計需要在級環(huán)境下考慮其對反動度、動葉攻角等級參數(shù)的影響，全面把握設(shè)計工況和變工況下非軸對稱端壁對級氣動性能的影響。闡明非軸對稱端壁設(shè)計對渦輪級設(shè)計工況和變工況性能影響作用機(jī)制。

渦輪進(jìn)口參數(shù)的提高，需要對渦輪端壁的二次流損失減少的同時提高冷卻效率。開展考慮動靜間隙和端壁氣膜冷卻射流作用下動靜非定常相干時非軸對稱端壁設(shè)計的渦輪級氣熱性能和流熱耦合機(jī)理的研究，掌握非軸對稱端壁渦輪級氣熱性能耦合作用機(jī)制，發(fā)展綜合考慮氣動損失和冷卻效率的多學(xué)科非軸對稱端壁設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷渦輪級高效氣動和冷卻布局設(shè)計。

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