氣冷高壓渦輪模擬試驗研究

陳 強，郝晟淳，丁 健，馬永峰，才彥雙

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度的不斷提高，對渦輪葉片冷卻提出了更高要求，冷卻葉片的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，高壓渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片的表面氣膜孔也相應(yīng)增加。大量的冷氣射流與主流氣體摻混，勢必對渦輪氣動性能產(chǎn)生影響[1]。自20世紀(jì)以來，國外學(xué)者針對冷氣射流摻混對渦輪流場和氣動性能的影響開展了大量研究[2-5]。目前國內(nèi)在氣冷渦輪氣動設(shè)計驗證方面已經(jīng)開展過一些平面葉柵或環(huán)形葉柵試驗，而氣冷渦輪部件性能試驗并不多見，冷氣摻混在渦輪級性能變化中的實際表現(xiàn)也不十分明確[6-8]。對于新設(shè)計的氣冷渦輪，有必要通過試驗驗證的方法進(jìn)行量化評估。同時，目前不同的研究機(jī)構(gòu)對氣冷渦輪的效率定義不明確，也不統(tǒng)一。對同一渦輪，采用不同的效率定義方法計算出的效率差別很大，給量化評估帶來極大困難。

本文以某氣冷高壓渦輪為研究對象，采用冷氣射流動量比相似的?；椒ǎM(jìn)行氣冷渦輪性能評估試驗，并在氣冷渦輪上開展冷氣流量因素、氣膜孔位置因素的影響研究。此外，還分析了3種氣冷渦輪試驗數(shù)據(jù)處理方法的特點。

1 試驗總體思路

1.1 試驗?zāi)M方法

在地面試驗中試驗渦輪一般選擇與原型渦輪尺寸一致，因此滿足幾何相似。在氣動相似方面許多有關(guān)渦輪的文獻(xiàn)[1，9-10]中都給出渦輪性能試驗的相似準(zhǔn)則，即在雷諾數(shù)相同或雷諾數(shù)自?；≧e≥1.8×105）時，保證換算轉(zhuǎn)速和總壓膨脹比相同，就能保證渦輪流動相似。該相似準(zhǔn)則所考慮的是無冷氣渦輪試驗的氣動相似問題，文獻(xiàn)[11]認(rèn)為在無冷氣渦輪模擬試驗準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，增加主流與冷氣的流量比Kw、溫度比Kt與原型渦輪一致，可滿足氣冷渦輪模擬試驗氣動相似。而受試驗設(shè)備能力的限制，在中溫中壓模擬試驗中原型渦輪溫度比Kt遠(yuǎn)高于試驗渦輪的。雖然文獻(xiàn)[11]提及溫度比所產(chǎn)生的影響較小，但該影響目前仍有待試驗驗證。

在冷卻氣對主流摻混產(chǎn)生的氣動效應(yīng)方面，Holdeman等[12]研究認(rèn)為動量比J是對氣動性能產(chǎn)生影響的主要參數(shù)，也是流場結(jié)構(gòu)的決定因素。Osnaghi等[13]研究也表明，產(chǎn)生流動損失的關(guān)鍵因素是動量比。保持流量比Kw和溫度比Kt相似即可保證主流與冷氣的動量比相似[14]。由于試驗狀態(tài)溫度比與原型渦輪的相差較大，僅流量比相似，動量比會產(chǎn)生嚴(yán)重偏離，冷氣的吹離覆蓋等特性都會有很大差異。因此本氣冷高壓渦輪模擬試驗選擇的相似參數(shù)為Re、換算轉(zhuǎn)速、膨脹比、冷氣與主流動量比J

式中：Dr為密度比；Vj為冷氣速度；Um為主流速度。

由于發(fā)動機(jī)狀態(tài)渦輪設(shè)計主流溫度、冷氣溫度為定值，試驗器的主流溫度和冷氣溫度基本固定。近似認(rèn)為總溫比與靜溫比相同，重新匹配冷氣流量比即可保證試驗狀態(tài)動量比與發(fā)動機(jī)狀態(tài)相同。

1.2 試驗研究方案

1.2.1 冷氣摻混影響的量化評估

冷氣摻混對高壓渦輪性能的影響一直是渦輪氣動設(shè)計領(lǐng)域的難題。氣冷渦輪的性能不僅取決于渦輪主流道的氣動完善程度，還取決于冷卻系統(tǒng)的設(shè)計水平。通過試驗對比無冷氣渦輪和有冷氣渦輪性能是量化評估冷氣引入對渦輪性能帶來影響的有效手段。但是，由于氣冷葉片表面的氣膜孔容易導(dǎo)致氣流的串流，而使二次流損失增加，在氣冷渦輪試驗中簡單將冷氣停供而得到的渦輪性能并不能代表該渦輪主流道的氣動性能結(jié)果。因此本試驗采用同一氣動方案的高壓渦輪無冷氣級性能試驗和有冷氣級性能試驗的方式對冷氣摻混影響進(jìn)行量化評估。試驗中無冷氣渦輪的結(jié)構(gòu)、測試布局與有冷氣渦輪的完全一致，只是將氣冷葉片換為相同葉型的實心葉片。

1.2.2 渦輪特性變化規(guī)律獲取

針對不同的冷卻需要，不同的發(fā)動機(jī)葉片所需的冷氣量并不相同，而不同冷氣量下渦輪的性能表現(xiàn)有很大差別。在低冷氣流量條件下，排入的冷卻空氣量達(dá)到1%燃?xì)饬髁繒r，將導(dǎo)致渦輪效率降低1%[15]。在模擬試驗中若能獲取渦輪一定流量比Kw范圍內(nèi)的渦輪特性變化規(guī)律，將對冷氣匹配設(shè)計有極大參考價值。因此試驗將測取相同換算轉(zhuǎn)速、總壓膨脹比下不同冷氣量狀態(tài)的渦輪特性參數(shù)。

1.2.3 氣膜孔位置因素影響獲取

對比國內(nèi)各型高壓渦輪，本渦輪氣膜孔排數(shù)比第3、4代發(fā)動機(jī)增加1倍以上，而且在葉背型線上增加了大量氣膜孔。氣膜出流引起的氣動損失隨氣膜噴射孔在葉型上的位置不同變化很大，氣體可用能差別也極大[16]。因此，需在級性能試驗件上開展氣膜孔位置因素對冷氣摻混的影響研究，現(xiàn)方案是對高壓渦輪導(dǎo)向葉片內(nèi)部冷氣腔進(jìn)行分區(qū)，并對各區(qū)域冷氣實施單獨控制。在試驗中保持渦輪進(jìn)、出口等參數(shù)不變，分別在各腔通以等量的冷卻氣，測取不同導(dǎo)葉冷氣腔供氣狀態(tài)下渦輪性能差異。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 國內(nèi)數(shù)據(jù)處理方法

綜合分析國內(nèi)已開展的氣冷渦輪試驗驗證研究，關(guān)于氣冷渦輪效率定義方法主要有初始效率和有效效率。

單級渦輪氣體流路如圖1所示。圖中0表示渦輪入口截面，41表示渦輪導(dǎo)葉出口截面，2表示渦輪出口截面，A、B分別表示渦輪導(dǎo)葉、動葉的冷卻氣體，a、c表示渦輪緣板的冷卻氣體，b表示渦輪盤輪緣的封嚴(yán)氣體。

圖1 單級氣冷渦輪氣體流路

初始效率常見于試驗標(biāo)準(zhǔn)，主要面向工程應(yīng)用，把氣冷渦輪簡化為只有1股氣流的無冷卻渦輪。不同的機(jī)構(gòu)簡化又有所不同：有的簡化為導(dǎo)向器出口氣流為主氣的無冷卻渦輪，即采用ηT41；有的簡化為導(dǎo)向器喉部氣流為主氣的無冷卻渦輪，即采用ηT4a。

式中：NT為軸功；R為氣體常數(shù)為膨脹比；k為比熱比為主流流量與轉(zhuǎn)子葉片前冷氣流量之和；為主流流量與導(dǎo)向葉片喉部前冷氣流量之和；為轉(zhuǎn)子進(jìn)口總溫為導(dǎo)向器喉部總溫。轉(zhuǎn)子進(jìn)口總溫、喉部總溫均利用加權(quán)公式計算獲得。

式中：Cp4i為混合后比定壓熱容為混合后溫度；W0為主流流量；Cp0為主流比定壓熱容；為主流溫度；Wci為各路冷氣流量；Cpci為冷氣比定壓熱容；為冷氣溫度。

有效效率ηTH定義為把渦輪作為1個由熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩S功率的“黑匣子”，輸入“黑匣子”的是主流的能量和多股冷氣的能量。所有這些能量流都有從各自的總壓等熵膨脹到渦輪出口壓力的作功能力。有效效率焓熵如圖2所示。

圖2 有效效率焓熵

1.3.2 國外數(shù)據(jù)處理方法

國外經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究，關(guān)于氣冷渦輪效率的定義問題也有多種說法。其中廣泛被設(shè)計人員使用也最為經(jīng)典的氣冷渦輪定義由Hartsel[17]給出，即所謂的“哈特塞爾效率”，其計算方法與國內(nèi)的有效效率算法基本一致。

哈特塞爾效率并不考慮主流與冷氣摻混的影響，對此，Young及Horlock等[18]又假定主流與冷氣先經(jīng)過摻混后再進(jìn)入渦輪作功，并給出3種不同假設(shè)摻混過程的效率定義方法，而且認(rèn)為質(zhì)量-壓力加權(quán)的“Weighted-Pressure”方法（簡稱WP方法）較為準(zhǔn)確。計算公式為

WP方法假設(shè)冷氣與主流先在各自的壓強下進(jìn)行熱交換再經(jīng)過等溫可逆過程摻混，摻混后的溫度、壓力由式（7）、（8）確定，并以此計算摻混后的總焓

2 試驗裝置及試驗件

2.1 試驗裝置

試驗采用的動力渦輪試驗器是1個寬流量、大膨脹比范圍，并具備多路冷氣可調(diào)及葉尖間隙主動控制等能力的綜合試驗器，由主氣、冷氣、加溫、燃油、滑油、水等系統(tǒng)及水力測功器、扭矩測量儀等主要設(shè)備組成。試驗器參數(shù)見表1。

2.2 試驗件

試驗采用單級、單轉(zhuǎn)子高壓渦輪級性能試驗件，其尺寸為發(fā)動機(jī)原型渦輪冷態(tài)尺寸，主要由前承力機(jī)匣組件、進(jìn)氣機(jī)匣組件、進(jìn)口測量段、高壓渦輪導(dǎo)向器、高壓渦輪轉(zhuǎn)子組件、出口測量段、排氣機(jī)匣組件、封嚴(yán)篦齒、冷氣集氣腔等零部件組成。

表1 試驗器主要參數(shù)

圖3 導(dǎo)向葉片分腔結(jié)構(gòu)

圖4 導(dǎo)向葉片供氣結(jié)構(gòu)

由于要在級性能試驗件上開展氣膜孔位置因素影響研究，試驗件導(dǎo)向葉片的各冷卻腔單獨供氣，互不影響。導(dǎo)向葉片供氣結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。每個集氣腔通過機(jī)匣上的通氣孔與導(dǎo)向葉片的各冷卻腔連通；供氣管路、集氣腔與葉片冷卻腔一一對應(yīng)，各腔之間用隔板分隔，防止集氣腔之間冷氣互相泄漏，以確保導(dǎo)葉各腔的供氣路徑相互獨立。每個供氣管路上都設(shè)置有冷氣調(diào)節(jié)及測量設(shè)備。

渦輪設(shè)計狀態(tài)冷氣流量與進(jìn)口流量之比約為9%，由于試驗溫度較低，換算后的冷氣流量將占進(jìn)口流量的11.5%，導(dǎo)向器各腔冷氣流量范圍為0.4～1.2 kg/s。針對大流量的冷氣需求，在試驗件設(shè)計時需詳細(xì)考慮并計算冷氣流通過程中各截面的有效流通面積，防止出現(xiàn)冷氣量供應(yīng)不足的問題。

2.3 測試布置

為了準(zhǔn)確測取渦輪部件的氣動特性，采用ET5000HS扭矩測量儀測量試驗件輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，精度分別為±0.2%FS、±0.04%FS，其余試驗測試系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 試驗測試系統(tǒng)參數(shù)

高壓渦輪試驗件測量參數(shù)分布如圖5所示。在渦輪進(jìn)口截面（0-0、0’-0’截面）布置渦輪進(jìn)口總壓、總溫和內(nèi)外壁靜壓測量；在導(dǎo)向器出口截面（1-1截面）布置內(nèi)外壁靜壓測量；在渦輪出口截面（2-2、2’-2’截面）布置渦輪出口總壓、總溫、氣流角和內(nèi)外壁靜壓測量；在主進(jìn)氣管道布置流量孔板測量主進(jìn)氣流量；在空氣系統(tǒng)各腔布置壓力、溫度測量，并對導(dǎo)葉各腔冷卻氣、動葉冷卻氣進(jìn)行流量測量布置。

圖5 試驗件測試布局

3 試驗結(jié)果分析

3.1 效率評估方式分析

渦輪變冷氣量試驗的結(jié)果如圖6所示。從圖中可見，不同計算方法得到的渦輪效率差異較大，在Kw=9.8%時，效率相差近0.05。同時隨著冷氣流量增加渦輪效率呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

圖6 不同計算方式下效率的計算結(jié)果

（1）以ηT4a評價渦輪性能，隨著冷氣量增加渦輪的氣動特性明顯變好。其主要原因是在這種簡化處理中僅考慮了導(dǎo)葉喉部截面前流入主流道冷氣的可用能，而從喉部后流入的冷氣仍然能夠作功，總冷氣量越大計算中被忽略的能量就越大。

（2）以ηT41評價渦輪性能，隨著冷氣量增加渦輪的氣動特性變化不大。其原因是以41截面參數(shù)簡化的無冷氣渦輪，雖然導(dǎo)葉冷氣都算進(jìn)來了，當(dāng)冷氣溫度和主流溫度相近時，41截面溫度隨冷氣量增加變化并不明顯。

（3）以ηTH評價渦輪性能，隨冷氣流量增加渦輪效率逐漸降低。其原因是等量冷氣壓力勢能明顯高于主流的，但由于入射摻混問題，其能量利用要低于主流的，所以冷氣量越大計入的膨脹功就越高，而實際作功能力反而越低，計算出的效率就越低。

（4）以ηWP-mix評價渦輪性能，隨冷氣量增加渦輪效率也逐漸降低，降低幅度相比ηTH計算進(jìn)一步增大。這是因為這種計算方法對冷氣和主流的摻混方式進(jìn)行了假設(shè)，在計算摻混后氣體總焓時，低溫比試驗摻混后溫度降低很??；冷氣流量與供氣壓力成正比，流量越大摻混后的壓力經(jīng)過加權(quán)后就越高，從而計算的總焓越大，效率越低；在低溫比大冷氣量時其效率甚至低于全計算的有效效率。

綜上所述，有效效率ηTH計及了所有氣流，不存在對每股冷氣的作功能力的假設(shè)和簡化，所得到的曲線比較符合氣冷渦輪的理論特性。同時該方法在國內(nèi)外渦輪設(shè)計和試驗中均有使用，也最為經(jīng)典，適合用于評價渦輪氣動性能。

3.2 冷氣摻混對渦輪級性能影響的量化評估

在相同轉(zhuǎn)速下無冷氣渦輪試驗與有冷氣渦輪試驗結(jié)果對比如圖7所示。圖中有冷氣渦輪效率計算為ηTH。從圖中可見，在相同換算轉(zhuǎn)速時無冷氣渦輪和有冷氣渦輪效率隨膨脹比變化規(guī)律一致，通入冷氣渦輪效率降低，通入9.4%流量（發(fā)動機(jī)設(shè)計流量比）冷氣時渦輪效率降低0.04。

試驗同時在安裝氣冷葉片的渦輪試驗件上錄取了導(dǎo)葉冷氣全部停供狀態(tài)下的渦輪性能，在相同轉(zhuǎn)速下氣冷葉片渦輪試驗件效率與實心葉片渦輪試驗件效率相差較大，如圖8所示。從圖中可見，二者平均相差約0.025。這也證明要準(zhǔn)確評估冷氣對渦輪性能帶來的影響，有必要構(gòu)建結(jié)構(gòu)相同的實心葉片無冷氣渦輪來進(jìn)行對比。

圖7 冷氣摻混對效率影響量化評估

圖8 實心葉片渦輪與空心葉片渦輪效率對比

3.3 冷氣量影響的試驗結(jié)果分析

圖9 變冷氣量條件下渦輪效率的變化

試驗錄取了渦輪在設(shè)計換算轉(zhuǎn)速、不同膨脹比和不同冷氣流量下的性能。結(jié)合無冷氣渦輪的試驗數(shù)據(jù)得到渦輪效率隨冷氣流量比的變化曲線如圖9所示。從圖中可見，渦輪性能隨冷氣流量的增加逐漸惡化，渦輪在無冷氣狀態(tài)和有冷氣狀態(tài)下性能發(fā)生了明顯改變。其主要表現(xiàn)是：在低冷氣流量條件下渦輪效率降幅較大，即從無冷氣到通入3.2%冷氣，渦輪效率降低近0.021；而后加大冷氣量效率降低幅度減小，冷氣量從3.2%到9.4%，效率降低約0.018；后段即7.6%冷氣量以后效率降低幅度又呈現(xiàn)增大趨勢。從無冷氣狀態(tài)到冷氣引入狀態(tài)的效率降低幅度是決定該氣冷渦輪性能惡化的主要階段，在性能設(shè)計中需要重點考慮。

在進(jìn)行設(shè)計點變冷氣量試驗時，刻意保持渦輪進(jìn)口溫度、壓力、膨脹比、物理轉(zhuǎn)速等參數(shù)不變，得到渦輪的物理流量和輸出功曲線，如圖10所示。從圖中可見，隨冷氣流量比增大，渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口流量基本維持不變，冷氣的增加量與主流的減小量相當(dāng)。等量的冷氣在溫度與主流相差不大的情況下（試驗溫比1.3），其壓力勢能遠(yuǎn)高于主流的，而轉(zhuǎn)子的輸出功反而逐漸減小，減小量約為2.5%。這直接反映了冷氣與主流在入射和摻混過程中會有很大損失，隨冷氣量增加渦輪作功能力降低，性能隨之惡化。而在評價氣冷渦輪特性時以ηT4a和ηT41計算渦輪效率，其隨冷氣量增加反而是提高的，也證明了有效效率ηTH比較適合用來評估氣冷渦輪的性能變化。

圖10 渦輪流量和輸出功率變化

3.4 氣膜孔位置影響的試驗結(jié)果分析

為了解導(dǎo)葉不同位置供氣對冷氣摻混的影響，試驗中保持渦輪進(jìn)口壓力、溫度、膨脹比、物理轉(zhuǎn)速不變，分別對導(dǎo)葉1～4腔通入等量冷氣，錄取渦輪輸出功率等參數(shù)。冷氣量分別為1.41%和1.55%下渦輪效率變化曲線如圖11所示。從圖中可見，從1～4腔分別通等量冷氣，渦輪效率逐漸降低，4腔單獨供氣效率較1腔單獨供氣效率低約0.003～0.004。說明從前緣至尾緣，冷氣越靠后進(jìn)入主流道氣體能量利用率越低，渦輪效率越低。該結(jié)果雖然與一些吹風(fēng)試驗結(jié)果一致，但在級性能試驗件上只是宏觀表現(xiàn)，其中還不乏有其他供氣腔不通冷氣主氣串流帶來的影響。要詳細(xì)了解氣膜孔位置因素對性能的影響還需要進(jìn)一步策劃和論證。

圖11 不同位置通冷氣渦輪效率變化

4 結(jié)論

（1）在氣冷渦輪性能試驗中，效率計算方法的不同給渦輪性能評估帶來很大影響，甚至比試驗方法和控制精度帶來的影響更大。結(jié)合試驗結(jié)果分析，有效效率比較適合用來評估氣冷渦輪性能變化。

（2）通過構(gòu)建2個結(jié)構(gòu)和測試布局相同，但葉片分別為實心葉片和氣冷葉片的渦輪來進(jìn)行對比試驗，可以準(zhǔn)確量化評估冷氣摻混對高壓渦輪性能的影響。

（3）經(jīng)過冷氣量的動量比相似轉(zhuǎn)化，試驗錄取了多狀態(tài)下變冷氣量渦輪性能參數(shù)，試驗結(jié)果表明，渦輪性能隨冷氣流量的增加逐漸惡化，作功能力逐漸下降，效率降低幅度呈先小后大趨勢。

（4）首次在級性能試驗件上嘗試開展導(dǎo)葉不同位置供氣對冷氣摻混的影響試驗，結(jié)果表明，從前緣至尾緣，冷氣越靠后進(jìn)入主流道，氣體能量利用率越低，渦輪效率越低。