高負(fù)荷渦輪扇形葉柵變攻角氣動(dòng)試驗(yàn)研究

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078; 2.海軍駐哈爾濱七〇三所軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150078; 3.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

隨著燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率的增大，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)濟(jì)性的要求也在不斷提高。為提高機(jī)組的內(nèi)效率，需要?dú)鈩?dòng)性能優(yōu)良、損失系數(shù)小的葉片，對(duì)于靜葉柵而言，其流動(dòng)損失主要包括葉型損失和二次流損失[1-5]，因此詳細(xì)研究高負(fù)荷渦輪內(nèi)的流動(dòng)對(duì)現(xiàn)代渦輪葉片的設(shè)計(jì)具有重要意義。

文獻(xiàn)[6]通過(guò)良好的端壁成型改善了流道內(nèi)端壁區(qū)域的流動(dòng)狀況，大大減少了二次流損失。文獻(xiàn)[7-9]采用彎曲葉型控制端區(qū)二次流的研究方法，指出導(dǎo)葉尾跡和輪轂通道渦的二次流相互作用占主要地位。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為，葉型積疊方式及葉型的幾何選擇在很大程度上能影響流道內(nèi)二次流的生成與發(fā)展。文獻(xiàn)[11]表明攻角變化對(duì)二次流造成的損失有較大影響。本文利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別分析了不同出口氣流馬赫數(shù)和不同進(jìn)氣攻角條件下，渦輪靜葉柵的氣動(dòng)性能。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

渦輪靜葉吹風(fēng)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，氣流由氣源產(chǎn)生，然后經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入穩(wěn)壓筒，再經(jīng)過(guò)蜂窩器整流，接著依次通過(guò)收斂器、進(jìn)口段、活動(dòng)側(cè)板，最終進(jìn)入葉柵試驗(yàn)段。葉柵嵌裝于可轉(zhuǎn)動(dòng)的半圓盤(pán)上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)該圓盤(pán)來(lái)調(diào)節(jié)葉柵的入口氣流角從而改變?nèi)~柵攻角。

渦輪葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集：在方變扇段上游的風(fēng)洞穩(wěn)壓箱內(nèi)布置總溫、總壓探針采集試驗(yàn)件進(jìn)口總溫、總壓；在扇形葉柵中間三個(gè)葉片上的10%、50%、90%葉高處設(shè)置表面靜壓孔采集葉片靜壓；在葉柵出口用五孔探針測(cè)量葉柵出口的氣流情況。

2 研究對(duì)象及試驗(yàn)內(nèi)容

本次葉柵試驗(yàn)段由7葉片6通道構(gòu)成，在扇形葉柵中間三個(gè)葉片上的10%、50%、90%葉高處分別開(kāi)設(shè)27、25和26個(gè)靜壓孔，并在試驗(yàn)葉柵的前部向前延長(zhǎng)70 mm，在后部向后延長(zhǎng)70 mm，為確保葉柵試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，預(yù)定輪轂與機(jī)匣厚度為25 mm。其實(shí)物如圖2所示。

試驗(yàn)內(nèi)容為在進(jìn)口氣流偏離軸向23°條件下，試驗(yàn)出口馬赫數(shù)分別為0.7、0.8、0.9；在出口馬赫數(shù)為0.8的條件下，攻角為0、±7.5°與±15°，對(duì)葉柵進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3是不同相對(duì)葉高處在不同馬赫數(shù)下靜壓系數(shù)的分布情況。在葉片壓力面中前部，三個(gè)工況下的靜壓系數(shù)基本不變。隨著馬赫數(shù)的增加，整體上葉片表面靜壓系數(shù)下降，說(shuō)明氣流的加速能力增強(qiáng)，同時(shí)可以看到葉片的負(fù)荷增加，并且在葉片中部和尾緣附近比較明顯。同時(shí)，隨著馬赫數(shù)的增加，在尾緣處的相對(duì)靜壓相差較大，最大負(fù)荷值增加，但是最大負(fù)荷位置變化不大，這意味著來(lái)流馬赫數(shù)影響葉片的負(fù)載特性。而在葉根和中間葉高位置的葉型最大負(fù)荷位置靠后，為后加載形式；在葉頂部分，葉型則趨向于均勻加載，可能原因是上通道渦對(duì)葉頂附近氣流的牽引影響了葉片載荷分布。

圖4是不同出口馬赫數(shù)下出口總壓損失分布圖，由圖4可以看出，在出口尾跡區(qū)域附近存在上下兩個(gè)高損失的通道渦區(qū)域，大概位于1/3和2/3相對(duì)葉高位置。此外，每個(gè)工況下的通道渦在出口位置均表現(xiàn)為上通道渦的影響范圍大于下通道渦。從圖4中還可以看出，在馬赫數(shù)為0.9的工況下，損失核心區(qū)的總壓損失較高，而0.7馬赫數(shù)工況下總壓損失則較低。由此可以推測(cè)出，隨著馬赫數(shù)的增加，總壓損失系數(shù)會(huì)隨之增加，同時(shí)上下通道渦的強(qiáng)度也會(huì)隨之增加。

圖5為不同馬赫數(shù)下，葉柵出口氣流角沿徑向的分布圖。從圖中可以看出，隨著馬赫數(shù)的增加，出口氣流角變化相對(duì)緩和，且隨著馬赫數(shù)的增加，氣流角略微減小，這是由于更大的馬赫數(shù)減小了葉型落后角所致。

圖6是葉片不同相對(duì)葉高處在不同進(jìn)口攻角情況下的靜壓系數(shù)分布圖。從圖中可以看出在葉片壓力面一側(cè)存在較為明顯的區(qū)別，進(jìn)口攻角越大，壓力面上的靜壓系數(shù)則相對(duì)越大，而同時(shí)葉片吸力面的中部和尾緣區(qū)別不大，因此葉片前緣的壓力載荷隨著進(jìn)口攻角的增加而增大，但變化幅值并不太明顯。在不同來(lái)流攻角工況下的三個(gè)相對(duì)葉高處均有相似的分布規(guī)律。葉片中部的壓力載荷隨著攻角增大而略有增加，但最大載荷位置幾乎不變，葉片后部壓力變化不明顯。因此，進(jìn)口攻角的變化對(duì)葉片中部與尾緣的壓力載荷影響不大。由此可知此扇形葉柵葉型具有較佳的對(duì)攻角變化的敏感性。

圖7是不同進(jìn)口氣流攻角時(shí)出口總壓損失系數(shù)分布圖。從圖7中可以看出，五種來(lái)流攻角工況下的出口總壓損失分布具有相似的特點(diǎn)，即存在上下兩個(gè)高總壓損失的通道渦區(qū)域，且上通道渦的損失影響范圍要明顯大于下通道渦。從圖8中可以看出，隨著來(lái)流攻角從零到正/負(fù)的變化，總壓損失系數(shù)均增加。因?yàn)橹挥挟?dāng)進(jìn)口攻角為0°或者接近0°時(shí)，氣流才能較好地流經(jīng)葉片表面，具有較小的流動(dòng)損失，否則氣流沖擊葉片，造成較大的流動(dòng)損失。

圖9是葉柵出口節(jié)距平均總壓損失系數(shù)沿葉高的分布情況，在圖中約70%和30%相對(duì)葉高位置，總壓損失系數(shù)存在兩個(gè)峰值，這是上下通道渦所在的位置，并且通道渦所在位置的節(jié)距平均總壓損失系數(shù)明顯比其他位置要大，其中上通道渦產(chǎn)生了最大的損失。此外，隨著進(jìn)口氣流攻角的增大，峰值位置逐漸向葉片中部靠近，即表示通道渦逐漸向葉片中部靠近，而隨著來(lái)流攻角的變化，出口氣流角的峰值逐漸向中間葉高位置移動(dòng)，并且中間葉高位置的出口氣流角不斷增加，這同樣印證了通道渦隨進(jìn)口攻角變化的規(guī)律。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)對(duì)渦輪扇形靜葉柵的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，得出渦輪扇形靜葉柵的流動(dòng)特性，具體情況如下：

(1)隨著出口馬赫數(shù)的增加，葉片表面靜壓系數(shù)下降，表明葉片氣流加速能力增強(qiáng)，且葉片載荷增大；

(2)隨著出口馬赫數(shù)的增加，通道渦增強(qiáng)，出口總壓損失隨之增加，出口氣流角有所減小；通道渦位置隨著出口馬赫數(shù)的增加向中間靠攏，且上通道渦的影響范圍更大；

(3)葉片前緣的壓力載荷隨著進(jìn)口攻角的增加而增大，但進(jìn)口攻角的變化對(duì)葉片中部與尾緣的壓力載荷影響不大，葉柵葉型對(duì)攻角變化具有較佳的敏感性；

(4)隨著進(jìn)口攻角從零到正/負(fù)的變化過(guò)程中，上下兩個(gè)通道渦影響范圍逐漸增大，在攻角為0°時(shí)，葉柵出口總壓損失具有最小值，隨著來(lái)流攻角由負(fù)到正的變化過(guò)程中，出口氣流角的峰值逐漸向中間葉高位置移動(dòng)，且中間葉高位置的出口氣流角不斷增加。