葉尖間隙對渦輪性能影響的試驗(yàn)研究

谷雪花，郝晟淳，張東海，盧俊崧

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

渦輪葉尖間隙對渦輪的流場結(jié)構(gòu)、流場品質(zhì)有著重要影響[1-3]，從而對渦輪效率、發(fā)動機(jī)推力和油耗產(chǎn)生重大影響，進(jìn)而影響到航空發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[4-6]。研究結(jié)果表明，葉尖間隙與葉高之比每增加1%，渦輪效率就會降低約0.8%～1.2%，發(fā)動機(jī)的耗油率增加約2%[7]。為了揭示渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)，國外開展了大量的試驗(yàn)研究工作[8-9]，分析了葉尖間隙對渦輪性能的影響規(guī)律[10-12]、對渦輪效率的影響因素[13-14]。國內(nèi)綦蕾等[15-16]學(xué)者也在葉尖間隙對渦輪的性能影響方面開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

本文基于某型發(fā)動機(jī)高壓渦輪性能試驗(yàn)，在中國首次實(shí)現(xiàn)了高壓渦輪第1、2 級葉尖間隙的分級和主動調(diào)控，進(jìn)行各級葉尖間隙對高壓渦輪級性能的影響試驗(yàn)，獲取渦輪效率、換算流量、換算功率以及出口流場隨間隙的變化規(guī)律，為深入探索某型發(fā)動機(jī)高壓渦輪性能提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

可用于全尺寸動力渦輪、低壓渦輪、高壓渦輪性能試驗(yàn)的試驗(yàn)器主要性能參數(shù)見表1。

2 試驗(yàn)方法

壓縮氣體自氣源站經(jīng)過濾、干燥、流量調(diào)節(jié)后進(jìn)入孔板測量其流量，然后經(jīng)進(jìn)氣調(diào)節(jié)進(jìn)入渦輪，作功后或經(jīng)環(huán)形引射器抽吸后排入大氣。試驗(yàn)過程控制方法如下：

表1 渦輪試驗(yàn)器參數(shù)

（1）試驗(yàn)狀態(tài)控制。通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣管路上閥門開度調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力；通過調(diào)節(jié)渦輪出口排氣閥門開度調(diào)節(jié)抽吸壓力；通過調(diào)節(jié)水力測功器進(jìn)、排水閥門開度控制轉(zhuǎn)速；通過調(diào)節(jié)空氣系統(tǒng)閥門改變主氣與冷氣的流量比，到達(dá)預(yù)定狀態(tài)后，即可采集所有測試參數(shù)。

（2）葉尖間隙控制。高壓渦輪機(jī)匣單元體間隙調(diào)節(jié)原理如圖1 所示。第1、2 級中層機(jī)匣采用盒型整環(huán)結(jié)構(gòu)，盒型結(jié)構(gòu)內(nèi)腔通有加熱氣，通過控制加熱氣的溫度控制中層機(jī)匣的變形，隨中層機(jī)匣徑向位移調(diào)整葉尖間隙。

圖1 葉尖間隙調(diào)節(jié)原理

（3）測試布置。高壓渦輪測試截面布置如圖2 所示。從圖中可見，渦輪導(dǎo)向器進(jìn)口A-A 測量截面布置有總溫測試探針、總壓測試探針，B-B 截面周向均布壁面靜壓探針，渦輪轉(zhuǎn)子出口C-C 測試截面布置總溫、總壓、壁面靜壓、氣流方向探針?？倻?、總壓、氣流方向探針沿徑向測點(diǎn)的分布均采用等環(huán)面方式布置，各探針沿周向均布。第1、2 級渦輪動葉葉尖沿周向各均布4 支傳感器，實(shí)時(shí)測量間隙動態(tài)變化值。各測試參數(shù)測量精度見表2。從表中可見，傳感器的測試精度高，測量的參數(shù)可靠，可滿足渦輪效率、換算流量等數(shù)據(jù)的誤差要求。

圖2 各探針布置截面

表2 試驗(yàn)參數(shù)測量精度

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

單獨(dú)調(diào)控第1、2 級葉尖間隙至某數(shù)值后，會保持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。為探究第1、2 級相對葉尖間隙分別對渦輪性能的影響規(guī)律，并比較二者的影響因子，分別進(jìn)行第1、2 級相對葉尖間隙ΔR 變化時(shí)渦輪性能變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，ΔR＝R/h×100，其中，R 為葉尖間隙值，h 為葉高，R 的設(shè)計(jì)變化范圍為0.3～2.0 mm。葉尖間隙變化測試工況見表3。

表3 各級葉尖間隙變化測試矩陣

3.1 葉尖間隙對渦輪效率的影響

試驗(yàn)獲得的第1、2 級葉尖不同間隙值下渦輪效率見表4，渦輪效率隨渦輪第1、2 級葉尖間隙的變化分別如圖3、4 所示。

表4 各試驗(yàn)工況下的渦輪效率

從圖3 中可見，在第2 級葉尖間隙不變的前提下，當(dāng)?shù)? 級相對葉尖間隙由0.65 增大至0.96 時(shí)，渦輪效率降低0.16%，當(dāng)相對葉尖間隙值再增大至1.54時(shí)，渦輪效率降低0.38%。從圖4 中可見，在第1 級葉尖間隙不變的前提下，當(dāng)?shù)? 級相對葉尖間隙由0.42增大至0.65 時(shí)，渦輪效率降低0.29%，當(dāng)相對葉尖間隙值再增大至0.96 時(shí)，渦輪效率降低0.21%，渦輪效率降低趨勢變緩。

綜合考慮渦輪效率隨第1、2 級葉尖間隙的變化情況進(jìn)行等效換算可知：

（1）當(dāng)?shù)? 級渦輪相對葉尖間隙增大1%時(shí)，渦輪效率降低約0.58%；當(dāng)?shù)? 級渦輪相對葉尖間隙增大1%時(shí)，渦輪效率降低約0.69%；第2 級葉尖間隙變化對效率的影響更明顯。

（2）渦輪效率隨葉尖間隙的變化規(guī)律并非線性。依據(jù)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)?shù)? 級動葉相對葉尖間隙在0.9～1.5 范圍內(nèi)、第2 級動葉相對葉尖間隙在0.4～0.6 范圍內(nèi)變化時(shí)，對渦輪效率的影響較明顯。間隙變化對效率的影響存在1 個(gè)敏感區(qū)：在敏感區(qū)內(nèi)，渦輪效率隨葉尖間隙的變化較明顯，在敏感區(qū)外，葉尖間隙變化對渦輪效率影響較小。

通過分析可知產(chǎn)生這種規(guī)律的機(jī)理為：在敏感區(qū)內(nèi)，隨著葉尖間隙的增大，氣流泄漏量增加，降低了渦輪的有效作功能力；同時(shí)泄漏的氣體在渦輪周圍形成氣流場，降低了渦輪葉片葉盆與葉背的氣壓差。這2種因素導(dǎo)致葉尖間隙增大時(shí)渦輪效率降低。當(dāng)葉尖間隙增大到一定程度時(shí)，氣流泄漏量和氣流場對渦輪葉片壓差的影響接近飽和狀態(tài)，進(jìn)而會出現(xiàn)在敏感區(qū)之外葉尖間隙變化對渦輪效率影響減小的現(xiàn)象。

3.2 葉尖間隙對流量特性的影響

渦輪換算流量隨第1、2 級葉尖相對間隙的變化分別如圖5、6 所示。從圖5 中可見，當(dāng)1 級動葉相對葉尖間隙由0.65 增大至1.54 時(shí)，渦輪換算流量增加了0.4%；當(dāng)?shù)? 級動葉相對間隙由0.43 增大至0.99時(shí)，渦輪換算流量增加了0.1%。隨間隙值的增大，換算流量略有增加，其主要原因是當(dāng)渦輪葉尖間隙增大時(shí)，葉尖處氣流的泄漏量增加，葉尖流速增大，從而使渦輪流通能力提高。

圖5 渦輪換算流量隨第1 級相對葉尖間隙的變化

圖6 渦輪換算流量隨第2 級相對葉尖間隙的變化

3.3 葉尖間隙對出口流場的影響

在不同的第1 級動葉相對葉尖間隙下，出口總壓、總溫、氣流角沿徑向的分布分別如圖7～9 所示。從圖中可見，在不同的相對葉尖間隙下，從葉根到葉尖各參數(shù)分布趨勢較為一致，葉尖間隙變化對各參數(shù)沿徑向的分布基本無影響。

在不同的第2 級動葉相對葉尖間隙狀態(tài)下，出口總壓、總溫、氣流角沿徑向的分布分別如圖10～12 所示。與第1 級動葉變間隙狀態(tài)相似，出口總壓、總溫的分布趨勢基本一致，但在葉尖處的測點(diǎn)有輕微差異，尤其出口角度受第2 級動葉葉尖相對間隙的影響較為明顯，且隨著間隙的增大，出口角度與主流區(qū)的氣流角差異變大。

圖7 出口相對總壓隨第1 級相對葉尖間隙的變化

圖8 出口相對總溫隨第1 級相對葉尖間隙的變化

圖9 出口氣流角隨第1 級相對葉尖間隙的變化

圖10 出口相對總壓隨第2 級相對葉尖間隙的變化

圖11 出口相對總溫隨第2級相對葉尖間隙的變化

圖12 出口氣流角隨第2 級相對葉尖間隙的變化

4 結(jié)論

通過葉尖間隙對渦輪性能影響的試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）隨著渦輪葉尖間隙的增大，渦輪效率逐漸降低，相對葉尖間隙每增大1%，渦輪效率約降低0.58%～0.69%。且間隙對效率的影響存在1 個(gè)敏感區(qū)，在敏感區(qū)內(nèi)，效率受間隙變化的影響較明顯；在敏感區(qū)外，間隙對效率的影響減弱，其主要原因?yàn)椋涸诿舾袇^(qū)內(nèi)，隨著葉尖間隙的增大，氣流泄漏量多，降低了渦輪的有效作功能力；當(dāng)葉尖間隙增大到一定程度時(shí)，氣流泄漏量對渦輪葉片壓差的影響接近飽和狀態(tài)，減小了對渦輪效率的影響作用。

（2）隨著葉尖間隙的增大，渦輪換算流量略有增加，其主要原因?yàn)椋寒?dāng)葉尖間隙增大時(shí)，葉尖處氣流的泄漏量增加，葉尖流速增大，從而使渦輪流通能力提高，且隨著葉尖間隙的增大，葉尖部位的氣流角與主流區(qū)的氣流角度差異增大。