葉柵試驗技術(shù)綜述

凌代軍,代秋林,朱榕川,王 暉,趙建通

中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院,四川 綿陽 621000

0 引 言

葉片是現(xiàn)代航空燃氣輪機典型且重要的零件,是構(gòu)成其核心部件——壓氣機和渦輪——的基礎(chǔ)。葉型性能直接決定壓氣機和渦輪部件性能,進而影響發(fā)動機推重比、耗油率等關(guān)鍵的性能指標。葉柵試驗是在空氣動力學試驗技術(shù)的基礎(chǔ)上為滿足葉型氣動性能試驗驗證需求而發(fā)展起來的一項試驗技術(shù),已廣泛應(yīng)用于高性能葉輪機械的葉型設(shè)計方法研究、葉型工程設(shè)計驗證、葉輪機內(nèi)部流動機理探索和新技術(shù)驗證等環(huán)節(jié)。燃氣渦輪發(fā)動機80余年的發(fā)展表明,壓氣機和渦輪葉片葉型設(shè)計技術(shù)的每一次進步都促進了航空發(fā)動機性能的提升,也推動了葉柵試驗技術(shù)的進步和發(fā)展;同時,葉柵試驗技術(shù)的發(fā)展和完善也為葉型設(shè)計技術(shù)進步和燃氣輪機產(chǎn)品性能提升提供了有力支持。

1 葉柵試驗技術(shù)發(fā)展歷史

1.1 葉柵試驗發(fā)展的技術(shù)背景

時至今日,在輪轂和機匣環(huán)面邊界內(nèi),對具備轉(zhuǎn)-靜干涉特征的葉輪機多葉片排內(nèi)流場特性進行試驗測試研究,依然是一件復(fù)雜困難的工作。在航空燃氣輪機發(fā)展初期,葉輪機內(nèi)流氣動熱力學理論體系尚未完全建立,更不具備計算機建模和CFD仿真條件,試驗研究成為獲取葉輪機性能、驗證設(shè)計結(jié)果、進行內(nèi)流機理探索的核心技術(shù)手段。在這個階段,葉型設(shè)計的半經(jīng)驗特性更是讓平面葉柵試驗成為獲取并驗證葉型性能的主要途徑。

航空發(fā)動機葉型設(shè)計最初源于孤立的飛機翼型和螺旋槳葉型設(shè)計。平面葉柵(Plane cascade)是用圓柱/圓錐面切割壓氣機/渦輪葉片排后周向展開、二維拉伸而形成的(圖1),試驗件葉片沿葉高型面相同,也稱為線性葉柵(Linear cascade)。平面葉柵試驗以有限、直線排列的葉片模擬葉輪機截面周向展開流場,通過吹風試驗獲取葉型性能參數(shù)和葉片間流場特征,進而研究不同葉型性能以及葉型幾何、氣動參數(shù)對性能的影響規(guī)律,為葉型設(shè)計理論研究和工程設(shè)計驗證提供支撐,是葉輪機內(nèi)流氣動熱力學領(lǐng)域的基礎(chǔ)性試驗技術(shù)[1-2]。

圖1 葉柵原理示意圖Fig.1 schematic diagram of cascade

1.2 葉柵試驗技術(shù)發(fā)展的作用

自20世紀40年代航空燃氣輪機問世以來,基于大量平面葉柵吹風試驗建立的葉柵性能試驗數(shù)據(jù)庫已成為國際上各航空發(fā)動機公司設(shè)計體系的技術(shù)核心[3-5]。世界航空動力強國在其航空發(fā)動機技術(shù)和產(chǎn)品研究中都進行了大量、成系列的葉柵試驗,形成了較為完善的葉型設(shè)計和試驗體系[6],并通過建設(shè)數(shù)據(jù)庫對大量葉柵試驗和設(shè)計數(shù)據(jù)進行管理和應(yīng)用,為其在該領(lǐng)域領(lǐng)先的技術(shù)和產(chǎn)品奠定了堅實的基礎(chǔ),如美國NACA-65、俄羅斯BC-6、英國C-4葉型系列。這時的平面葉柵試驗以二維、定常流動為基礎(chǔ),重點研究葉型幾何參數(shù)(曲率、厚度分布、安裝角、幾何構(gòu)造角、稠度、葉片前緣和尾緣形狀等)、氣動參數(shù)(攻角、馬赫數(shù)、負荷等)對葉型性能的影響。

在航空燃氣輪機葉型研究中,壓縮部件葉型設(shè)計經(jīng)歷了常規(guī)亞聲速葉型,適應(yīng)超、跨聲速需求的雙圓弧葉型,多圓弧葉型,優(yōu)化設(shè)計葉型的演變,壓氣機壓比、效率和穩(wěn)定性得到了快速提升(圖2);在渦輪葉型設(shè)計方面,經(jīng)葉柵試驗驗證和完善起來的跨聲速高負荷葉型設(shè)計、計入葉片流道內(nèi)的冷氣-主流摻混氣動損失模型以及考慮二次流控制及影響的葉型設(shè)計為渦輪部件性能提升奠定了基礎(chǔ)[7-11]。事實上,壓氣機、渦輪葉型設(shè)計與試驗技術(shù)已成為航空發(fā)動機和燃氣輪機氣動性能提升最重要的技術(shù)推動力。

圖2 葉型設(shè)計對壓氣機壓比和效率影響趨勢Fig.2 The influence of profile design on compressor pressure ratio and efficiency

1.3 葉柵試驗技術(shù)現(xiàn)狀

因航空發(fā)動機和燃氣輪機在軍事和工業(yè)領(lǐng)域有著十分重要的意義,美、俄、英、法等國家的航空航天研究院、企業(yè)和高等院校在技術(shù)研究過程中都建設(shè)有為數(shù)不菲的葉柵試驗設(shè)施,其功能和技術(shù)指標可滿足從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用研究到工程設(shè)計驗證的全技術(shù)流程,對應(yīng)的吹風速度涵蓋低速、亞聲速、跨聲速和超聲速領(lǐng)域。

葉柵試驗技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、地面/艦船用燃氣輪機、蒸汽輪機等葉輪機械產(chǎn)品的葉型研發(fā)工作中。當前,常規(guī)的葉柵試驗技術(shù)以雷諾數(shù)自模、定常、均勻來流吹風為典型特征。根據(jù)吹風速度可分為低速、亞聲速、跨聲速和超聲速試驗;根據(jù)研究目標和內(nèi)容可分為葉型性能試驗和葉柵流場特征測試試驗。

隨著葉輪機內(nèi)流氣動熱力學理論的發(fā)展和葉輪機設(shè)計技術(shù)的進步,葉輪機氣動設(shè)計向黏性、三維、非定常領(lǐng)域發(fā)展,現(xiàn)代葉柵試驗需要從關(guān)注氣動、幾何參數(shù)對葉型總性能的影響,延伸至關(guān)注引起葉型性能變化的流動機理研究、流場結(jié)構(gòu)特征測量與診斷以及性能演變規(guī)律與分析等研究領(lǐng)域。葉柵試驗技術(shù)也需要從傳統(tǒng)二維、雷諾數(shù)自模、定常流動的平面葉柵試驗向更真實流動環(huán)境模擬平面葉柵、扇形/環(huán)形葉柵的領(lǐng)域拓展。

2 葉柵試驗技術(shù)研究進展

2.1 葉柵試驗流場周期性

葉柵試驗本質(zhì)上是多葉片試驗件的吹風,以有限數(shù)量直線排葉片模擬真實葉片周期工作條件。流場周期性是試驗數(shù)據(jù)準確可信的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)葉柵試驗相似原理和準則,至少需要保證3個葉片通道具有較好的周期性(葉片流道進口、葉片槽道、出口流場對應(yīng)點速度矢量在允許的偏差范圍內(nèi)相等),以實現(xiàn)在幾何相似的條件下確保葉柵流場的運動相似和動力相似。

相對于常規(guī)外流風洞壁面軸向等長的特點,葉柵試驗攻角的模擬方式?jīng)Q定了大部分工況下試驗段流道上、下壁面會出現(xiàn)一定長度差ΔL,從噴管出口到各葉片前緣的側(cè)壁長度不同(圖3),尤其是在小進口氣流角(額向)條件下這種影響更甚?？傮w來說,影響葉柵流場周期性的因素包括:

圖3 葉柵試驗段上下駐室面長度偏差示意圖Fig.3 Schematic ofthe ceiling length difference of the cascade test section

1)試驗件葉片數(shù)量(傳統(tǒng)要求不小于5～7片);

2)葉柵進口前流道固體壁面長度不同會引起各通道固體壁面附面層發(fā)展不均衡;

3)柵前來流率先在試驗件上部的頭葉片前緣出現(xiàn)繞流加速或激波(超聲條件下),對相鄰下一葉片進口流場造成干擾;

4)試驗段側(cè)壁、葉片端面、導流板與頭末葉片間漏氣;5)試驗段流場內(nèi)的結(jié)構(gòu)件對流場的干擾。

由于流場周期性是葉柵試驗的基礎(chǔ)性要求,國內(nèi)外學者在葉柵試驗流場周期性模擬和調(diào)控方面開展了大量的研究工作[12-17],主要包括:

1)在試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,增加試驗件葉片數(shù)、增大葉片展弦比(h/b),可以有效地提升周期流場品質(zhì),降低端壁渦系和附面層對葉柵中截面周期流場的影響。對于高負荷葉型,試驗件葉片數(shù)量從常規(guī)的5～7片,增加到10片以上,國外部分超跨聲速葉柵試驗葉片數(shù)甚至超過15片,其周期流場通道數(shù)量和質(zhì)量都顯著提升;

2)通過試驗段上、下駐室和側(cè)壁附面層抽吸、微擴流道調(diào)節(jié),控制和削弱附面層發(fā)展對流場周期性的影響,可采取多腔獨立控制抽氣方式進行控制;

3)通過采用充氣密封、提升葉片端面加工精度等方式降低或消除漏氣對流場周期性的干擾;

4)通過探針安裝及驅(qū)動改進、試驗段駐室位置調(diào)整及修型、探針槽封堵等方式減小和消除結(jié)構(gòu)件對流場的干擾;

5)通過尾板長度、型面以及角度調(diào)整改善試驗流場周期性。

在壓氣機和渦輪葉型試驗中,根據(jù)流場特征不同,一般前者更注重考核葉柵進口流場周期性、后者更關(guān)注葉柵出口流場周期性?？奢o助判斷流場周期性的參數(shù)包括:

1)柵前(壓氣機葉柵)、柵后(渦輪葉柵)壁面靜壓分布;

2)各葉片通道紋影圖像;

3)葉片表面壓力分布;

4)葉柵尾跡測量參數(shù);

5)葉片表面油流顯示圖。

2.2 流場二元性影響與模擬

根據(jù)試驗原理,平面葉柵試驗主要研究和驗證葉片某一截面的葉型性能,不考慮葉片排子午流道沿徑向的擴張和收斂對葉片間流動特征和葉型性能的影響。平面葉柵試驗件以等徑向截面直葉片和平行柵板端壁為典型特征。軸向速度密度比(Axial Velocity Density Ratio,AVDR)在葉柵試驗初期是試驗流場二元性及數(shù)據(jù)有效性的重要判據(jù),理論上平面葉柵試驗AVDR＝1．00左右,真實試驗中因附面層影響,AVDR＞1．00。早期壓氣機級壓比較低,葉型負荷不高,在展弦比(h/b＞2．00)條件下,端壁附面層發(fā)展形成通道徑向收斂與葉型真實工作流場子午面收斂偏差不大,對葉柵中截面流場影響可忽略,葉柵流場二元性容易保證,平面葉柵試驗結(jié)果可以在級性能分析中得到較好的應(yīng)用。

數(shù)十年來,發(fā)動機壓縮系統(tǒng)級壓比已從第一代發(fā)動機的1．15提升到第四代的1．45～1．50,風扇級壓比甚至達2．20以上;壓縮部件總增壓比也從早期的3.00提升到目前的35．00～40．00,壓氣機子午流道徑向收斂明顯,葉型AVDR也從1．00左右增至1．30～1.40。此時,AVDR綜合了葉型通道周向葉片間流道和徑向子午流道收斂的雙重影響,但傳統(tǒng)平面葉柵的平行端壁已無法有效模擬流道徑向收斂的影響。由于葉型負荷增加,流動逆壓力梯度增大,更易誘發(fā)流動分離,致使近壁區(qū)二次流及各渦系對葉片徑向流場影響增大,使得高負荷葉型平面葉柵試驗流場特性與真實截面工況相差甚遠。因此,現(xiàn)代平面葉柵試驗需要從試驗?zāi)M和數(shù)據(jù)分析兩個方面充分考慮AVDR的影響。國內(nèi)外學者在葉柵流場二元性模擬方面開展了大量試驗研究[18-25],其主要思路是通過葉柵通道端壁的抽吸氣(圖4)使AVDR保持在0.95～1．15范圍內(nèi)。

圖4 通過抽氣控制葉柵試驗AVDR[18]Fig.4 AVDR regulation and control by air bleed or suction[18]

對于亞聲速、未堵塞工況,采用抽氣調(diào)節(jié)AVDR對葉型性能影響不明顯,總體來說靜壓比、損失系數(shù)隨AVDR增大略有減小,但在大攻角近失速條件下AVDR調(diào)控對葉型的性能影響較大[18-20]。NASA和DLR的研究則表明超聲速葉柵試驗AVDR對性能(損失和氣流轉(zhuǎn)折角)影響較大[21-22]。此外,Hergt等的研究表明AVDR隨攻角增大而增加,由此帶來的附加流動損失會使葉型損失也增大[23]。Jouini等的研究也表明AVDR值受攻角影響較大,當攻角i＝－14．5°時,AVDR＜1．00,當i＝14．5時,AVDR＝1.25,并認為此時葉柵流動已不再保持二元性[24]。

對于級壓比較高的葉型,葉片間包括子午流面在內(nèi)的立體空間流道存在較大的收斂,流場三維特性已無法忽略,傳統(tǒng)平面葉柵流場已無法表征葉型基元立體通道的收－擴特征,即便通過抽氣控制AVDR獲得的試驗數(shù)據(jù)也僅能反映葉片基元葉型葉片間流道的擴壓或膨脹能力,無法提供流道徑向變化對性能的影響,這在應(yīng)用平面葉柵試驗數(shù)據(jù)進行壓氣機或渦輪級性能分析時尤其需要注意。

此外,根據(jù)理論分析,還可以在平面葉柵葉片通道的平行柵板間引入附加幾何或者氣動的收斂來模擬和調(diào)控流場徑向收斂度,以模擬真實基元葉型的徑向收斂,進而獲取較傳統(tǒng)平面葉柵更接近真實工況的葉柵性能參數(shù)。NASA在20世紀70年代開展了端壁收斂的葉柵試驗(圖5),并采取端壁抽氣控制附面層的影響,獲得AVDR變化對葉型性能的影響[25]。中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院在亞聲速高負荷葉柵試驗中也采用楔形附加柵板來調(diào)控AVDR,形成徑向(沿葉高方向)的收斂通道,抑制端壁區(qū)和葉片吸力面的流動分離,減小端壁二次流和附面層對葉柵中截面影響。試驗表明:AVDR增大,損失系數(shù)降低,出口氣流角、靜壓比減小,這與周向、徑向通道收斂和出口速度增大是相匹配的;但收斂端壁設(shè)計復(fù)雜、通用性差、效率低,尚待進一步發(fā)展和優(yōu)化。

圖5 美國NASA某超聲速壓氣機葉柵試驗[25]Fig.5 A supersonic compressor cascade test(NASA)[25]

2.3 低雷諾數(shù)葉柵試驗?zāi)M技術(shù)

雷諾數(shù)自模(Re＞3×105)是傳統(tǒng)葉柵試驗所需遵從的相似準則之一;但高空狀態(tài)下,葉片實際工作雷諾數(shù)可能低于自模雷諾數(shù),高空小尺寸發(fā)動機葉片工作雷諾數(shù)更是可低至104量級。低雷諾數(shù)條件下發(fā)動機壓縮系統(tǒng)性能和穩(wěn)定工作裕度退化,渦輪部件效率降低,發(fā)動機推力降低、耗油率顯著提升,已在PW545(圖6)和AE3007H發(fā)動機的試驗和分析數(shù)據(jù)中得到了證明[26]。已有研究表明:葉型流動分離和二次流增強是低雷諾數(shù)下的發(fā)動機性能惡化的主要原因。低雷諾數(shù)條件下葉片表面的附面層呈現(xiàn)層流特點,抗分離能力減弱,容易發(fā)生不可再附的流動分離,從而增大葉型損失,導致壓縮系統(tǒng)和渦輪部件效率降低,進而影響發(fā)動機性能。這種影響是非線性的,雷諾數(shù)在1×105以上時,效率下降趨勢較緩,當雷諾數(shù)處于104量級時,雷諾數(shù)的降低將導致渦輪效率的急劇下降[27-28]。

圖6 PW545低壓渦輪效率隨雷諾數(shù)的變化[26]Fig.6 PW545 low pressure turbine efficiency variation with Reynolds number[26]

因此,在低雷諾數(shù)工況下的葉型設(shè)計方法研究中,雷諾數(shù)自模已經(jīng)無法完全滿足驗證需求,需要真實低雷諾數(shù)葉柵試驗?zāi)芰Φ闹С?以研究高空低雷諾數(shù)下壓縮系統(tǒng)和渦輪部件性能衰減誘因、量化低雷諾數(shù)對葉型性能影響,為建立適用于低臨界雷諾數(shù)的壓氣機、渦輪葉型設(shè)計模型提供支持。

國內(nèi)外在低雷諾數(shù)葉型和部件性能試驗方面也開展了較多的研究工作。在葉柵試驗中要實現(xiàn)低雷諾數(shù),可采用低速、小特征尺寸、低密度(低壓)的方法[29-35]。在具有工程應(yīng)用價值的高亞聲速、跨聲速領(lǐng)域,為研究局部超聲速區(qū)和激波影響,試驗需滿足與設(shè)計馬赫數(shù)相等的條件,不宜用低速方法來降低雷諾數(shù);小弦長試驗葉片需考慮葉片負荷、強度以及加工限制,葉片表面靜壓測量引壓孔加工會削弱葉片強度,故不宜采用過小弦長的試驗葉片;降低試驗介質(zhì)密度(壓力)是目前低雷諾數(shù)葉柵試驗常用的方法,如比利時馮·卡門流體力學研究所的S－1/C高速變密度風洞[36]和德國慕尼黑高速葉柵風洞[37]就采用了低壓回流循環(huán)試驗?zāi)Ｊ健Ｖ袊桨l(fā)四川燃氣渦輪研究院、中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司等單位也已開展基于節(jié)流進氣－抽氣排氣為條件的低密度試驗葉柵研究,亞聲速葉型的工作雷諾數(shù)可降至104量級,基本滿足現(xiàn)階段低雷諾數(shù)葉型試驗驗證需要。

2.4 三維扇形葉柵試驗

如前文所述,葉型的真實工作流場環(huán)境具有三維特性,三維真實流場模擬是葉柵試驗發(fā)展的方向。NASA早在1969年就發(fā)表了在有6個葉片的扇形試驗件上研究脈動射流(Jet-flapped)對高負荷渦輪靜子葉片性能影響的研究報告[38]?，F(xiàn)在三維葉柵試驗除關(guān)注流量特性、壓力損失等總特性外,更多關(guān)注的是流場氣動參數(shù)的徑向、周向分布及葉片間流場細節(jié)特征。在三維全葉片氣動性能及流場特征研究中,由于環(huán)形葉柵試驗件制造和試驗氣源成本高,國內(nèi)外學者多采用更為經(jīng)濟的扇形葉柵試驗?zāi)Ｊ絒39]開展研究。

國內(nèi)外扇形/環(huán)形葉柵試驗多集中在低速壓氣機靜子和渦輪導向器方面,特點是進口流速低,進氣角徑向梯度小,流場模擬難度低,易于實現(xiàn)。與平面葉柵試驗類似,采用多葉片數(shù)即較大圓心角的扇形試驗件可有效提高試驗流場質(zhì)量,但需綜合平衡流場品質(zhì)、氣源條件以及加工、試驗成本等因素。國內(nèi)外既有6個葉片(圓心角36°)的研究成果[40],也有用14個葉片(圓心角144°)獲得7～10葉片周期流動的實踐[41]。除增加葉片數(shù)外,研究者還通過端壁導流板型面及尾板結(jié)構(gòu)來調(diào)控試驗流場品質(zhì),尤其在超跨聲速扇形葉柵試驗中,需要調(diào)整尾板角度和長度,避免近端壁葉片出口激波反射對流場周期性的破壞[42-43]。另外,適當位置的抽吸氣也有助于扇形葉柵流場品質(zhì)及周期性的優(yōu)化[44]。

除流場周期性外,體現(xiàn)扇形葉柵流場三維性的流場參數(shù)徑向分布梯度也非常關(guān)鍵,試驗中主要表現(xiàn)為徑向壓力梯度。模擬和調(diào)節(jié)出口流場徑向壓力梯度,可避免葉片根部流動分離,使得流場模擬和性能數(shù)據(jù)更真實可信,這對超、跨聲速渦輪導向器扇形葉柵根部、尖部區(qū)域葉型試驗尤為關(guān)鍵。徑向壓力梯度調(diào)節(jié)方法與試驗設(shè)施和試驗件結(jié)構(gòu)相關(guān),主要有以下幾種方法:

1)葉尖徑向扇形調(diào)節(jié)凸塊[45],調(diào)節(jié)簡便,但調(diào)節(jié)范圍窄,且可能在調(diào)節(jié)凸塊附近形成回流和附加旋渦,影響尖部流場測量;

2)設(shè)計不同堵塞度的排氣通道端壁[46];

3)在葉柵后增加具有消旋的導流葉片,模擬扇形區(qū)間的徑向壓力梯度(圖7)[47]。

圖7 扇形葉柵試驗段出口消旋葉片示意圖[47]Fig.7 2D unwrapped schematic of the working section of the annular sector heat transfer facility[47]

在具體應(yīng)用中還需要充分考慮柵后流場測量探針及位移機構(gòu)的空間定位、探針在出口流場中的附加激波對流場的影響。

此外,在拓展扇形葉柵進口氣流角及分布模擬方面,還有研究者采用換裝帶不同法蘭面夾角的扇形直管段(圖8)來調(diào)節(jié)葉柵進口攻角[48],以拓展扇形葉柵試驗適用范圍。

圖8 變進氣攻角轉(zhuǎn)接段[48]Fig.8 Variable inlet angle switching section for sector cascade[48]

2.5 葉柵非定常特性試驗

轉(zhuǎn)/靜葉片排在軸向的間隔布局和葉片在輪盤的周向排列決定了葉輪機內(nèi)流場固有的非定常特征。目前葉輪機械的設(shè)計體系主要還是以均勻、定常流假設(shè)為前提,真實流場的固有非定常特性在現(xiàn)有設(shè)計體系中還沒有得到充分的體現(xiàn)。葉輪機氣動設(shè)計從定常向非定常轉(zhuǎn)變將是未來技術(shù)發(fā)展的主要趨勢,非定常流動蘊含著很大的潛力,這也是未來航空發(fā)動機氣動熱力技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵方向[49]。國內(nèi)學者在21世紀初提出了葉輪機“非定常自然流”和“非定常耦合流”兩代非定?！傲餍汀崩碚?并進行了部分前瞻性探索[50-51]。根據(jù)葉輪機內(nèi)非定常效應(yīng)源及作用因素,葉柵內(nèi)流場非定常特性試驗研究可以分為以下3類:

1)葉柵流場非定常特性及控制試驗研究

葉柵流場的非定常特性是指在定常均勻來流情況下,葉片與流道固壁表面流體附面層發(fā)展、流動轉(zhuǎn)捩、激波干涉、逆壓力梯度等因素引起流動分離,以及尾跡、各類旋渦(角渦、馬蹄渦、通道渦等)運動和發(fā)展引起的流動非定常特性,都屬于流場內(nèi)生的非定?，F(xiàn)象。這些非定常流動通過分離及再附、尾跡摻混、端壁二次流對流道的收斂等宏觀方式影響流場結(jié)構(gòu),進而對葉型的性能產(chǎn)生影響。掌握葉柵非定常流動結(jié)構(gòu)特點和控制方法可以為提升葉輪機性能提供基礎(chǔ)支持。國內(nèi)外學者在葉柵流場非定常流特性的試驗和數(shù)值研究領(lǐng)域開展了大量研究[52-55],并利用流場的非定常特性開展了葉柵局部流場控制進而提升葉型性能的研究[56-58],其試驗在傳統(tǒng)葉柵試驗技術(shù)基礎(chǔ)上增加相應(yīng)動態(tài)測量裝置,對應(yīng)不同的非定常流動控制方法增設(shè)激勵發(fā)生器與控制裝置,比如零質(zhì)量射流、非定常聲激勵等。

2)振蕩葉柵試驗研究

據(jù)統(tǒng)計,振動故障占發(fā)動機總故障的比例大于60%,其中葉片故障占比大于70%,由于葉輪機尤其是壓縮部件葉片的結(jié)構(gòu)特點和流場的非定常特性,壓氣機失速、喘振、顫振等不穩(wěn)定流動現(xiàn)象都和葉片振動－氣動非定常的耦合相關(guān)聯(lián)。通常將葉柵領(lǐng)域的此類研究稱為振蕩葉柵(Oscillating cascade),這類研究可以為葉輪機特別是壓氣機葉片顫振相關(guān)的氣－固耦合研究提供支持[59-61]。

振蕩葉柵試驗主要研究葉片在非定常外力作用下受迫振動以及葉片小幅度偏轉(zhuǎn)情況對流場特征和葉型性能的影響;研究外加激勵的模式、頻率、幅值等關(guān)鍵參數(shù)對流場特征和葉型性能影響的本質(zhì)原因及內(nèi)在規(guī)律。這類研究在傳統(tǒng)葉柵試驗基礎(chǔ)上需要根據(jù)試驗葉型特性進行特殊的試驗件和葉片激振系統(tǒng)設(shè)計。葉片激勵方式有機械、電磁等方式,其中機械驅(qū)動方式有電機直接驅(qū)動葉片[62-63]、凸輪或曲柄連桿驅(qū)動等方式[59,64-65]。

3)葉柵進出口流場的非定常影響試驗研究

葉柵進出口流場的非定常模擬,包括流場壓力和速度的空間分布與時序變化,源自上級葉片排尾跡掃掠、進氣壓力脈動、下游葉片排相對運動帶來的壓力波干涉等。

在進口非定常模擬方面,國內(nèi)外均有在葉柵進口通過運動的圓柱擾流尾跡來模擬上游葉片尾跡對壓氣機或者渦輪葉型性能影響的報告,通過改變圓柱直徑、間距、運動速度來模擬尾跡特征[66-70],以此研究尾跡擾流對葉片表面分離、葉型性能的影響及其規(guī)律。已有的試驗研究表明:在具有層流分離泡的渦輪葉片葉背表面,進口非定常尾跡抑制了葉型附面層發(fā)展,與定常流相比,減少了總壓損失。目前這類進口流場非定常模擬研究還僅限于低速機理試驗。

3 結(jié)論與展望

飛行器對動力的需求永無止境,葉輪機葉型設(shè)計方法和理論也不會止步于目前的成果。在葉型設(shè)計理論研究、設(shè)計方法發(fā)展以及葉型CFD計算校核中,葉柵試驗仍將發(fā)揮重要作用,繼續(xù)探索和拓展葉柵試驗技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實意義。

未來的葉柵試驗技術(shù)一方面需要針對現(xiàn)代高負荷、高性能超跨聲速葉型試驗需求,做好流場模擬的品質(zhì)控制與調(diào)節(jié);另一方面還需要適應(yīng)新類型試驗需求,做好具有低雷諾數(shù)、三維特性和非定常特性的流場模擬技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,滿足葉型設(shè)計技術(shù)發(fā)展對試驗驗證的需求。

此外,為更好響應(yīng)設(shè)計驗證需求,葉柵試驗需要在試驗環(huán)境模擬、非接觸無擾測量、多數(shù)據(jù)源流場重構(gòu)、流場診斷以及葉型性能分析等方面持續(xù)開展工作,尤其是亟需在具有工程應(yīng)用價值的超跨聲速領(lǐng)域取得突破,為先進葉型設(shè)計技術(shù)研究、設(shè)計方法改進和優(yōu)化提供有力支撐。