切向進(jìn)汽平面葉柵試驗(yàn)與TCS 計(jì)算分析

王姍， 吳博， 王娟麗， 鐘主海， 王松， 勒亞峰

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

對(duì)于新設(shè)計(jì)或開發(fā)葉型， 使用平面葉柵試驗(yàn)來獲取葉型的氣動(dòng)性能是常用手段， 可以詳細(xì)地獲得葉型的氣動(dòng)性能以及不同馬赫數(shù)和攻角特性下的氣動(dòng)特性。 平面葉柵試驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┰敱M的葉片氣動(dòng)性能及葉片表面壓力分布， 并對(duì)數(shù)值分析程序不能準(zhǔn)確處理的問題如附面層轉(zhuǎn)捩和激波處理提供數(shù)據(jù)積累。 現(xiàn)在亞音速汽輪機(jī)葉片的平面葉柵實(shí)驗(yàn)已經(jīng)很成熟[1]， 國內(nèi)外逐步對(duì)跨音速和超音速葉型進(jìn)行平面葉柵試驗(yàn)， 研究跨音速和超音速葉型的氣動(dòng)性能。

采用試驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合的研究方法，通過對(duì)所涉及型線采用平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)， 研究其在不同馬赫數(shù)條件下和不同攻角情況下的性能，既得到了葉片的性能信息， 又驗(yàn)證了自主研發(fā)的軟件TCS 的正確性。

2 試驗(yàn)和軟件介紹

2.1 試驗(yàn)設(shè)備簡介

本試驗(yàn)在公司亞音速平面葉柵風(fēng)洞上進(jìn)行。圖1 是平面葉柵試驗(yàn)臺(tái)示意圖。 試驗(yàn)臺(tái)主要由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、 擴(kuò)壓段、 整流器、 穩(wěn)流段、 收縮段、試驗(yàn)段和測(cè)針位移機(jī)構(gòu)組成， 試驗(yàn)段出口面積為300 mm×120 mm。 設(shè)備本體用于安裝、 調(diào)整試驗(yàn)段、 固定位移機(jī)構(gòu)等。 通過蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)調(diào)整葉柵進(jìn)氣角， 轉(zhuǎn)盤調(diào)節(jié)范圍為0°～90°， 試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)氣角變化最大可達(dá)到30°～130°。

圖1 平面葉柵試驗(yàn)臺(tái)示意圖

試驗(yàn)由D900 風(fēng)機(jī)提供風(fēng)源， 通過改變?cè)囼?yàn)進(jìn)氣閥與放空閥開度， 調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力， 保證在試驗(yàn)過程中進(jìn)口壓力保穩(wěn)定， 最大波動(dòng)需小于0.3%。

通過PSI 壓力掃描閥進(jìn)行壓力參數(shù)的測(cè)量，PSI 壓力掃描閥使用了先進(jìn)的傳感器技術(shù)和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)，可滿足多點(diǎn)壓力的高速率和高精度測(cè)量[2]，測(cè)量精度達(dá)到0.05%， 總溫采用鉑熱電阻測(cè)量，大氣壓力由羅斯蒙特高精度壓力變送器測(cè)量。 葉柵出口參數(shù)由位移機(jī)構(gòu)夾持楔形探針沿柵距方向移動(dòng)測(cè)量， 移動(dòng)精度可達(dá)0.03 mm。 所有測(cè)量參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)連接至計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

2.2 計(jì)算軟件簡介

本文計(jì)算使用軟件Tubine Cascade Simulation（簡稱TCS） 為公司自主研發(fā)的二維計(jì)算葉片平面葉柵特性的一款軟件， 具有操作界面簡便、 易操作的特點(diǎn)。

3 TCS 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 計(jì)算葉型

選取如圖2 所示的4 種葉型， 保證相同弦長50 mm， 出氣邊小圓直徑0.3 mm。 葉型的幾何特性參數(shù)見表1。

圖2 4 種切向進(jìn)汽葉型示意圖

表1 葉型的幾何特征參數(shù)

為了對(duì)比分析特性， 本文所有計(jì)算均使用弦長作為特征長度， 葉片出口幾何角計(jì)算公式均為：

式中： o 為喉寬， mm； t 為節(jié)距， mm。

3.2 TCS 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3.2.1 變進(jìn)口氣流角

圖3 為4 種葉型在不同進(jìn)汽角下TCS 計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)芰繐p失系數(shù)對(duì)比圖。

圖3 4 種葉型能量損失系數(shù)與進(jìn)口氣流角試驗(yàn)值和TCS 計(jì)算值整體對(duì)比圖

從圖3 可以得出以下結(jié)論。

（1） 從分布趨勢(shì)上看：

·TCS 計(jì)算值與試驗(yàn)值趨勢(shì)上吻合較好；

·TCS 計(jì)算的大約在氣流角130°能量損失系數(shù)才開始增大， 說明TCS 計(jì)算負(fù)攻角適用范圍比試驗(yàn)范圍大（其他葉型由于試驗(yàn)的限制， 并沒有做出能量損失系數(shù)開始增大的負(fù)攻角點(diǎn)）。

（2） 攻角適應(yīng)性來看：

·葉型1 到葉型4 幾種葉型的幾何進(jìn)口角分別為130°， 155°， 135°， 115°， 所有葉型負(fù)攻角適應(yīng)性均比正攻角適應(yīng)性好；

·葉型1 和葉型4 的攻角適應(yīng)性較好， 葉型2和葉型3 攻角適應(yīng)性較差。 從表1 可以看出， 葉型1 和葉型4 相對(duì)入口圓直徑大， 可以得到： 相對(duì)入口圓直徑較大時(shí)， 其攻角適應(yīng)性較好。

3.2.2 變出口馬赫數(shù)

圖4 所示為不同出口馬赫數(shù)下， 使用自主研發(fā)的TCS 軟件計(jì)算和通過試驗(yàn)測(cè)量的4 種葉型的能量損失系數(shù)對(duì)比圖。 可以看出：

·TCS 計(jì)算的能量損失系數(shù)隨出口馬赫數(shù)變化的趨勢(shì)和試驗(yàn)測(cè)量的趨勢(shì)相同： 葉片的出口馬赫數(shù)在0.2～0.9 時(shí)， 隨著出口馬赫數(shù)的增加， 4 種葉型能量損失系數(shù)基本呈線性降低。

·相比試驗(yàn)值， TCS 計(jì)算的能損隨出口馬赫數(shù)變化較平緩， 除葉型3， 其他TCS 計(jì)算的能量損失系數(shù)均比試驗(yàn)值高。

圖4 4 種葉型不同出口馬赫數(shù)下的能量損失系數(shù)曲線

3.2.3 變相對(duì)柵距變安裝角

圖5 所示為4 種葉型在不同相對(duì)柵距下TCS計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)芰繐p失系數(shù)對(duì)比圖， 可以得出以下結(jié)論。

趨勢(shì)上來看： 在保證出口幾何角不變的情況下， 試驗(yàn)和TCS 計(jì)算值都存在相對(duì)柵距越大（安裝角越?。?， 能量損失系數(shù)越小的趨勢(shì)。

從能量損失系數(shù)大小看： 除葉型3， 其他葉型TCS 計(jì)算值均都比試驗(yàn)值大。

圖5 4 種葉型不同相對(duì)柵距（安裝角）的能量損失系數(shù)曲線

4 結(jié)論

（1）自主開發(fā)的TCS 軟件整體與試驗(yàn)值比較吻合， 可以較好捕捉葉型特性變化的趨勢(shì)；

（2）進(jìn)口小圓相對(duì)直徑較大的葉片， 其攻角特性更好；

（3）在相同的入口湍流度下，出口馬赫數(shù)越大，葉片的能量損失系數(shù)越低； 葉片出口角相同， 相對(duì)柵距越大， 葉片的能量損失系數(shù)越低。