探針支桿尾跡特性對(duì)壓氣機(jī)葉柵性能的影響

高 杰，向宏輝，代秋林，幸曉龍，王 暉

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng) 621000)

1 引言

目前，軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)中，試驗(yàn)件內(nèi)部參數(shù)主要采用接觸式探針測(cè)量[1-2]。受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、測(cè)量原理等影響，接觸式探針通常需要將探頭固定在具有一定厚度的支桿上，這會(huì)對(duì)迎風(fēng)氣流產(chǎn)生阻礙，形成背風(fēng)低壓低速尾跡區(qū)，對(duì)下游流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。隨著軸流壓氣機(jī)技術(shù)指標(biāo)的不斷提高，高氣動(dòng)負(fù)荷緊湊結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)已成為未來(lái)高性能壓氣機(jī)技術(shù)的重要特征，這將導(dǎo)致軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)中接觸式探針對(duì)被測(cè)流場(chǎng)的擾動(dòng)問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。

針對(duì)接觸式探針對(duì)被測(cè)流場(chǎng)的擾動(dòng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究并取得積極進(jìn)展。Jose[3]、Coldrick[4]、Mersinligil[5]等開(kāi)展了考慮探針堵塞擾動(dòng)效應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正方法研究。美國(guó)GE公司在E3十級(jí)高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)的探針擾動(dòng)考慮了1.4%的效率損失修正[6]。Coldrick等[7]數(shù)值研究了探針支桿對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明探針支桿的存在改變了周圍流場(chǎng)的壓力和速度分布，并使壓氣機(jī)流量降低。馬宏偉等[8-9]以大尺寸低速壓氣機(jī)試驗(yàn)器為依托，研究了探針支桿對(duì)轉(zhuǎn)子出口流場(chǎng)的影響。向宏輝等[10-12]采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究方法，圍繞葉型探針結(jié)構(gòu)布局對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行研究，探索了葉型探針局部擾動(dòng)效應(yīng)與壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制；同時(shí)還開(kāi)展了葉型探針對(duì)壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能影響的試驗(yàn)與數(shù)值研究，分析了葉柵在安裝葉型探針前后的性能變化。

為進(jìn)一步探索軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中探針支桿擾流對(duì)下游流場(chǎng)的影響，本文以某壓氣機(jī)試驗(yàn)所用圓柱狀方向探針為研究對(duì)象，開(kāi)展了探針支桿尾部結(jié)構(gòu)橢圓狀修型，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法分析了探針支桿尾跡特性對(duì)壓氣機(jī)葉柵性能的影響。

2 數(shù)值分析

該圓柱狀方向探針的支桿為?10 mm 的圓柱。以探針支桿為原型對(duì)其尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行橢圓化修型，見(jiàn)圖1。根據(jù)不同橢圓長(zhǎng)短半軸比(ER=LR/SR)設(shè)計(jì)了9 組對(duì)比方案，分別為ER=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0。對(duì)上述各方案建立二維計(jì)算域，計(jì)算域進(jìn)口距修型支桿中心200 mm，距出口邊界500 mm，整個(gè)計(jì)算域?qū)?00 mm(參考葉柵試驗(yàn)段)。對(duì)整個(gè)計(jì)算域采用ANSYS ICEM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；數(shù)值計(jì)算采用ANSYS FLUENT商業(yè)流體計(jì)算軟件中基于壓力定常耦合求解器；湍流模型選擇Spalart-Allmaras模型。進(jìn)口邊界按標(biāo)準(zhǔn)大氣條件給定總壓、總溫，出口設(shè)置平均靜壓，上下端壁及支桿表面等固壁面則采用固體無(wú)滑移壁面邊界。

圖1 修型支桿橫截面示意圖Fig.1 Sketch of the probe support

圖2示出了所有計(jì)算狀態(tài)下整個(gè)計(jì)算域相對(duì)總壓損失隨進(jìn)口馬赫數(shù)(Ma1)和ER的變化云圖。相對(duì)總壓損失定義為δr=δe/δc，其中δ=下標(biāo)c、e 分別表示圓柱支桿和修型支桿，下標(biāo)1、2 分別表示進(jìn)、出口截面。由圖可看出，修型支桿所產(chǎn)生的相對(duì)總壓損失隨著ER的增大而逐漸減小。當(dāng)Ma1≤0.50 時(shí)，支桿尾部修型后流場(chǎng)相對(duì)總壓損失隨著ER的增大而急劇減??；當(dāng)ER=5.0 時(shí)，與圓柱支桿(ER=1.0)相比，修型后流場(chǎng)總壓損失最大下降了約44%。當(dāng)Ma1＞0.50時(shí)，修型后流場(chǎng)相對(duì)總壓損失隨著ER的增大而緩慢降低。

圖2 探針支桿相對(duì)總壓損失隨進(jìn)口馬赫數(shù)和ER 的變化Fig.2 The contour map of relative total pressure loss of probe support with inlet Mach number and ER

圖3、圖4分別列出了圓柱支桿、修型支桿(ER=3.0)在Ma1=0.50、0.75 時(shí)流場(chǎng)總壓損失分布云圖。當(dāng)Ma1=0.50 時(shí)，圓柱支桿駐點(diǎn)偏移近90°位置點(diǎn)處發(fā)生了固壁面附面層分離，并向下游逐步形成大分離、高強(qiáng)度尾跡區(qū)；對(duì)圓柱支桿橢圓修型可以減小圓柱支桿分離點(diǎn)附近的逆壓梯度，將附面層分離點(diǎn)位置向下游推移，減小附面層分離形成的尾跡區(qū)，從而使支桿尾跡寬度明顯變窄，降低了支桿的尾跡損失。當(dāng)Ma1=0.75時(shí)，圓柱支桿橢圓修型后未能有效大幅降低尾跡損失，此時(shí)在支桿駐點(diǎn)偏移90°位置點(diǎn)附近存在超聲速區(qū)域(圖5)，產(chǎn)生激波-附面層干涉，誘發(fā)支桿表面附面層分離，從而導(dǎo)致支桿尾部修型后未能將分離點(diǎn)位置向下游推移，不能顯著降低整個(gè)支桿的尾跡損失。

圖3 Ma1=0.50時(shí)流場(chǎng)總壓損失分布Fig.3 The contour map of total pressure loss when Ma1=0.50

圖4 Ma1=0.75時(shí)流場(chǎng)總壓損失分布Fig.4 The contour map of total pressure loss when Ma1=0.75

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)件

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了三種探針支桿結(jié)構(gòu)，分別為圓柱支桿(ER=1.0)、修型支桿1(ER=2.0)和修型支桿2(ER=3.0)。選用某軸流壓氣機(jī)靜葉根部截面前加載葉型進(jìn)行平面葉柵試驗(yàn)件設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。為研究探針支桿擾流對(duì)下游葉柵氣動(dòng)性能的影響規(guī)律，在柵前對(duì)應(yīng)葉柵中間兩個(gè)柵距范圍內(nèi)開(kāi)設(shè)5個(gè)安裝孔，位置編號(hào)分別為P1、P2、P3、P4、P5；每個(gè)位置沿氣流方向?qū)?yīng)一個(gè)柵距內(nèi)位置，由壓力面至吸力面分別為40%、0%、60%、20%、80%，見(jiàn)圖6。

圖5 Ma1=0.75時(shí)流場(chǎng)馬赫數(shù)等值線分布Fig.5 The Mach number contour line when Ma1=0.75

表1 葉柵試驗(yàn)件主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 The main design parameters of the cascade test rig

3.2 試驗(yàn)裝置

在某超跨聲速平面葉柵試驗(yàn)器上開(kāi)展葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)。該試驗(yàn)器為暫沖式超跨聲速平面葉柵風(fēng)洞，主要由閘閥、快速閥、調(diào)壓閥、穩(wěn)壓段、噴管段、試驗(yàn)段、收集器、坐標(biāo)架、引射器、抽氣裝置和尾板等組成。試驗(yàn)段橫截面尺寸為300 mm(高)×160 mm(寬)，穩(wěn)定工作時(shí)間大于4 min，壓力波動(dòng)不大于0.3%。

3.3 數(shù)據(jù)測(cè)試方法

圖6 葉柵試驗(yàn)件及探針支桿安裝位置示意圖Fig.6 Schematic illustration of cascade test rig and probe support

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要由PSI9816 電子壓力掃描閥、VXI數(shù)采系統(tǒng)、數(shù)采計(jì)算機(jī)等組成。在試驗(yàn)器穩(wěn)壓段內(nèi)測(cè)量葉柵進(jìn)口總壓與總溫，在柵前圓盤(pán)壁面測(cè)壓孔上測(cè)量葉柵進(jìn)口靜壓，在噴管出口側(cè)壁測(cè)壓孔上測(cè)量噴管出口靜壓，在葉柵出口距離葉片尾部0.45倍柵距處采用三孔楔形壓力探針測(cè)量葉柵出口連續(xù)4個(gè)柵距內(nèi)的總壓。選擇中間通道兩個(gè)葉片作為測(cè)壓葉片，分別在葉片葉盆與葉背表面開(kāi)設(shè)15個(gè)壁面靜壓孔測(cè)量葉片表面靜壓。同時(shí)，采用油流法對(duì)葉片表面及柵板端壁的表面流線軌跡進(jìn)行可視化顯示。試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)布局位置示意見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)布局位置示意圖Fig.7 Sketch of experimental measurement positions

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為分析探針支桿擾流對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響，首先開(kāi)展圓柱支桿周向安裝位置對(duì)葉柵性能影響的吹風(fēng)試驗(yàn)，以確定不同安裝位置支桿擾流對(duì)葉柵性能的影響；然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定支桿擾流影響最大和最小的安裝位置，開(kāi)展探針支桿尾部修型對(duì)葉型性能影響的吹風(fēng)試驗(yàn)，分析探針擾流對(duì)壓氣機(jī)平面葉柵氣動(dòng)性能的影響。

4.1 無(wú)支桿葉柵試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8為無(wú)支桿葉柵不同進(jìn)口馬赫數(shù)下出口總壓損失分布和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布。圖中，隨進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，葉柵出口尾跡深度加深、寬度增大，并由吸力面向壓力面方向擴(kuò)張。Ma1=0.87 時(shí)，出口尾跡最大總壓損失達(dá)1.2。Ma1=0.75時(shí)葉片吸力面附面層未發(fā)生分離，而Ma1增大至0.80 以后吸力面在葉片弦長(zhǎng)37%位置處發(fā)生了氣流分離。圖9為Ma1=0.87時(shí)無(wú)支桿葉柵吸力面油流分布，從中也可清晰看到葉片吸力面發(fā)生了嚴(yán)重的氣流分離。

圖8 無(wú)支桿葉柵出口總壓損失和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.8 Distribution of total pressure loss at outlet and surface isentropic Mach number of the cascade without probe support

圖9 Ma1=0.87無(wú)支桿葉柵葉片吸力面油流圖像Fig.9 The oil flow image on suction surface of the cascade without probe when Ma1=0.87

4.2 支桿周向安裝位置對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響

表2列出了不同位置安裝圓柱支桿后葉柵的總壓損失?？梢?jiàn)，與無(wú)支桿葉柵相比，柵前安裝支桿導(dǎo)致葉柵總壓損失系數(shù)顯著增大。所有進(jìn)口馬赫數(shù)條件下，當(dāng)支桿安裝于葉片中部區(qū)域(P3位置)時(shí)，葉柵總壓損失相對(duì)較小；而當(dāng)支桿安裝于葉片前緣區(qū)域(P2或P4位置)時(shí)，葉柵總壓損失相對(duì)較大。這表明在葉柵上游存在支桿擾流影響最小的安裝位置。

表2 不同位置安裝圓柱支桿后葉柵的總壓損失Table 2 The total pressure loss of cascade with cylindrical probe support installed at different positions

圖10 給 出 了Ma1=0.87 時(shí)P2 與P3 位置安裝支桿后葉柵出口總壓損失分布和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布。對(duì)比圖8 中尾跡可看出，安裝支桿后A、D 葉片尾跡強(qiáng)度明顯低于無(wú)支桿葉柵的。這是由于該試驗(yàn)中采用進(jìn)口總壓作為試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)，受支桿對(duì)流道的堵塞效應(yīng)影響，導(dǎo)致安裝支桿后葉柵進(jìn)口真實(shí)馬赫數(shù)低于無(wú)支桿葉柵，從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。在后續(xù)試驗(yàn)中采用噴管出口等熵馬赫數(shù)作為狀態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)解決此問(wèn)題。由于P2位置位于B葉片前緣，支桿尾跡直接沖擊B 葉片，并在葉片前緣分別順葉片兩面流入BC、AB兩個(gè)葉片通道，導(dǎo)致兩個(gè)葉片通道的尾跡分布受到影響。其中流入BC 葉片通道的尾跡低能流體誘發(fā)C葉片吸力面附面層提前在26%弦長(zhǎng)處發(fā)生分離，使C葉片尾跡損失增大。由于P3位置位于BC葉片通道中間，支桿尾跡大部分流入該通道，使得C 葉片表面流動(dòng)進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致BC 葉片通道主流區(qū)充滿低能流體，使整個(gè)BC葉片通道出口形成一個(gè)大尺度尾跡區(qū)，但由于支桿尾跡主要進(jìn)入BC葉片通道，使得B葉片尾跡損失大幅減小。與P2位置相比，受支桿尾跡的影響，P3位置時(shí)BC葉片通道的氣動(dòng)負(fù)荷明顯進(jìn)一步減小。

圖11示出了設(shè)計(jì)狀態(tài)下P2和P3位置的葉片吸力面油流分布。當(dāng)支桿位于P2位置時(shí)，B葉片吸力面幾乎被油流完全覆蓋，C 葉片明顯比其他葉片提前發(fā)生了氣流分離。當(dāng)支桿位于P3位置時(shí)，B葉片吸力面與A、D 葉片的油流分布基本相同，表明B 葉片吸力面尾跡受支桿尾跡影響較?。欢鳦 葉片在葉片前緣附近弦長(zhǎng)不到10%區(qū)域即發(fā)生了氣流分離，其余部分完全被油流所覆蓋。

4.3 支桿尾部修型對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響

表3為不同修型方案下葉柵出口總壓損失系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。可看出，不同馬赫數(shù)下，安裝在葉片前緣(P2位置)的探針支桿的葉柵總壓損失均大于安裝在葉片通道中間(P3 位置)的，這與前述試驗(yàn)結(jié)果相吻合。Ma1=0.50 時(shí)，與圓柱支桿相比，支桿尾部修型可大幅降低葉柵總壓損失，且隨著ER的增大該損失進(jìn)一步降低。這表明隨著ER的增大，修型支桿可有效降低支桿尾跡對(duì)下游葉柵的干擾。與在葉片前緣和葉片通道中間安裝圓柱支桿相比，安裝ER=3.0 的修型支桿的葉柵總壓損失分別降低了約60%和40%。Ma1=0.87 時(shí)，與圓柱支桿相比，修型支桿未有效降低葉柵總壓損失。綜上可知，上游探針支桿尾跡與下游葉柵擴(kuò)壓流動(dòng)間存在強(qiáng)烈的氣動(dòng)耦合效應(yīng)，進(jìn)口馬赫數(shù)、周向安裝位置與支桿尾部結(jié)構(gòu)等均直接影響探針尾跡對(duì)下游葉柵的擾流強(qiáng)度。

圖10 Ma1=0.87葉柵出口總壓損失和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.10 Distribution of total pressure loss at outlet and surface isentropic Mach number of the cascade with probe when Ma1=0.87

圖11 探針不同安裝位置下的葉片吸力面油流分布Fig.11 The oil flow images on cascade suction surface with probe support installed at different positions

表3 不同修型方案的葉柵總壓損失系數(shù)Table 3 Total pressure loss coefficient of cascade of different reconstruction schemes

圖12為Ma1=0.50安裝不同探針支桿時(shí)葉片表面的等熵馬赫數(shù)分布。當(dāng)支桿安裝在葉片前緣時(shí)，壓力面測(cè)壓葉片表面等熵馬赫數(shù)明顯增大，表明此時(shí)葉片表面靜壓大幅降低。同時(shí)，在支桿尾跡低能流體擠壓和摻混作用下，BC葉片通道有效流通面積減小，使得靠近吸力面測(cè)壓葉片的葉背局部氣流馬赫數(shù)增大。當(dāng)安裝修型支桿后，隨著ER的增大，支桿擾流對(duì)壓力面測(cè)壓葉片的影響減弱，使測(cè)壓通道壓力面等熵馬赫數(shù)逐漸減小，BC葉片通道有效流通面積增大，吸力面等熵馬赫數(shù)有所下降。當(dāng)支桿安裝在葉片通道中間位置時(shí)，壓力面測(cè)壓葉片表面等熵馬赫數(shù)略有增大，吸力面測(cè)壓葉片等熵馬赫數(shù)大幅減小，整個(gè)測(cè)壓葉片通道擴(kuò)壓能力大幅下降。此時(shí)對(duì)支桿尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修型，減小了支桿擾流作用，使吸力面與壓力面的等熵馬赫數(shù)分別增大和減小，整個(gè)測(cè)壓葉片通道的減速擴(kuò)壓能力得到一定改善，氣動(dòng)負(fù)荷有所提升。

圖13為Ma1=0.87安裝不同探針支桿時(shí)葉片表面的等熵馬赫數(shù)分布。當(dāng)支桿安裝在葉片前緣時(shí)，壓力面測(cè)壓葉片前緣等熵馬赫數(shù)下降，中后段等熵馬赫數(shù)則不斷升高；吸力面測(cè)壓葉片前緣膨脹加速略有提前，峰值馬赫數(shù)略有增大，表面附面層分離位置有所提前，且分離后表面等熵馬赫數(shù)增大。當(dāng)支桿安裝在葉片通道中間時(shí)，壓力面測(cè)壓葉片等熵馬赫數(shù)基本保持不變，吸力面測(cè)壓葉片等熵馬赫數(shù)則沿弦向緩慢降低。對(duì)比無(wú)支桿吸力面測(cè)壓葉片等熵馬赫數(shù)分布可看到，安裝支桿后原有的葉片前緣加速及激波系結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，這表明測(cè)壓葉片通道原有擴(kuò)壓能力顯著降低，葉片氣動(dòng)負(fù)荷大幅下降。對(duì)比尾部橢圓修型探針支桿對(duì)測(cè)壓葉片表面等熵馬赫數(shù)分布可知，此時(shí)隨著ER的增大，測(cè)壓葉片表面等熵馬赫數(shù)分布規(guī)律基本無(wú)變化。

圖12 不同探針支桿葉片表面等熵馬赫數(shù)分布(Ma1=0.50)Fig.12 The surface isentropic Mach number distribution of cascade installed different probes when Ma1=0.50

圖13 不同探針支桿葉片表面等熵馬赫數(shù)分布(Ma1=0.87)Fig.13 The surface isentropic Mach number distribution of cascade installed different probes when Ma1=0.87

圖14為Ma1=0.50時(shí)探針支桿對(duì)葉柵出口總壓損失分布的影響。當(dāng)探針支桿安裝于葉片前緣(P2位置)時(shí)，相比圓柱支桿，修型支桿能降低下游B 葉片出口尾跡損失。對(duì)比ER=2.0 和ER=3.0 兩支桿的擾流作用發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ER增大后，雖然B葉片吸力面出口總壓損失明顯降低，但B 葉片壓力面出口總壓損失略有增大。這是因?yàn)殡S著ER的增大，減小了修型支桿尾跡強(qiáng)度，削弱了影響B(tài) 葉片吸力面附面層分離的能力，從而大幅減小了B 葉片吸力面尾跡損失；同時(shí)，隨著ER的增大，減小了修型支桿沖擊B葉片壓力面的低能流體，使B 葉片壓力面氣流流速增大，導(dǎo)致其出口總壓損失略有增大。當(dāng)探針支桿安裝于葉片通道中間(P3 位置)時(shí)，探針支桿尾部結(jié)構(gòu)對(duì)下游葉柵對(duì)應(yīng)通道的尾跡分布具有明顯影響。相比圓柱支桿，修型支桿減弱了對(duì)BC葉片通道的流場(chǎng)擾動(dòng)，使葉柵流動(dòng)損失大幅降低，同時(shí)也削弱了對(duì)相鄰兩側(cè)通道流場(chǎng)的負(fù)面影響。且隨著ER的增大，探針支桿擾流作用受到更強(qiáng)的抑制。綜上可知，在Ma1=0.50 時(shí)支桿尾部結(jié)構(gòu)橢圓修型能在一定程度上抑制支桿尾跡損失，減小對(duì)下游葉柵流場(chǎng)的擾流影響，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖14 不同探針支桿對(duì)葉柵出口總壓損失分布的影響(Ma1=0.50)Fig.14 The total pressure loss distribution at cascade outlet with different probes when Ma1=0.50

圖15為Ma1=0.87時(shí)探針支桿對(duì)葉柵出口總壓損失分布的影響。對(duì)比不同探針支桿尾部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的葉柵出口流場(chǎng)，上游探針支桿無(wú)論是正對(duì)葉片通道中間還是正對(duì)葉片前緣，葉柵出口尾跡分布規(guī)律均非常接近。這表明在Ma1=0.87 時(shí)改變探針支桿尾部結(jié)構(gòu)無(wú)法有效抑制支桿尾跡擾流強(qiáng)度，這與之前葉柵出口總壓損失試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)論一致。

圖15 不同探針支桿對(duì)葉柵出口總壓損失分布的影響(Ma1=0.87)Fig.15 The total pressure loss distribution at cascade outlet with different probes when Ma1=0.87

圖16 為Ma1=0.50、0.87 時(shí)探針支桿安裝在P3位置時(shí)葉片吸力面油流分布。Ma1=0.50時(shí)，在圓柱支桿擾流作用下C 葉片吸力面氣動(dòng)負(fù)荷降低，導(dǎo)致其吸力面角區(qū)分離明顯減小，其油流痕跡與其他三個(gè)葉片明顯不同；在ER=3.0支桿擾流作用下，由于支桿尾跡強(qiáng)度減弱，C 葉片吸力面氣動(dòng)負(fù)荷相比圓柱支桿增加，導(dǎo)致C葉片端區(qū)角渦分離尺度變大，其吸力面油流痕跡與其他三個(gè)葉片已非常相似，進(jìn)一步表明ER=3.0支桿對(duì)葉柵流場(chǎng)的擾流影響作用非常小。Ma1=0.87時(shí)，支桿擾流尾跡誘發(fā)C葉片吸力面提前發(fā)生氣流分離，從油流痕跡上可明顯看到與其他葉片的差異；圓柱支桿與修型支桿擾流對(duì)C 葉片吸力面油流痕跡的影響基本一致，表明此時(shí)支桿尾部結(jié)構(gòu)修型對(duì)改善支桿擾流影響幾乎無(wú)作用。

圖16 探針支桿對(duì)葉片吸力面油流分布的影響Fig.16 The oil flow image on cascade suction surface with different probe

5 結(jié)論

圍繞軸流壓氣機(jī)性能試驗(yàn)領(lǐng)域存在的插入式測(cè)試探針對(duì)內(nèi)流場(chǎng)的擾動(dòng)問(wèn)題，以圓柱狀方向探針為研究對(duì)象，數(shù)值模擬分析了探針尾部結(jié)構(gòu)橢圓修型對(duì)探針支桿尾跡抑制作用的影響，并在跨聲速葉柵試驗(yàn)器上開(kāi)展了圓柱支桿與橢圓修型支桿對(duì)下游壓氣機(jī)平面葉柵氣動(dòng)性能影響的對(duì)比試驗(yàn)研究，分析了不同條件下支桿尾部結(jié)構(gòu)變化對(duì)下游葉柵流場(chǎng)的影響。主要得出以下結(jié)論：

(1)探針支桿擾流會(huì)導(dǎo)致下游葉柵總壓損失增大，使對(duì)應(yīng)葉片的尾跡損失急劇增大和常規(guī)葉片通道的減速擴(kuò)壓作用急劇惡化。相比于其他安裝位置，探針安裝在葉片通道中部對(duì)下游葉柵氣動(dòng)性能的影響較小。

(2)當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)為0.50 時(shí)，圓柱探針支桿尾部橢圓修型可減小支桿后半部分表面逆壓梯度，延緩支桿表面附面層氣流分離以大幅降低尾跡強(qiáng)度，從而減小尾跡對(duì)下游葉柵流場(chǎng)的干擾。

(3)當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)為0.87 時(shí)，支桿表面出現(xiàn)激波與附面層相干涉，導(dǎo)致支桿表面附面層發(fā)生分離，此時(shí)進(jìn)行支桿尾部橢圓修型不能有效降低支桿尾跡強(qiáng)度，無(wú)法減小支桿尾跡對(duì)下游葉柵流場(chǎng)的干擾。