兩類葉型探針對擴壓葉柵流場影響的對比

向宏輝，任銘林，馬宏偉，賀 象，姜正禮

(1.中國燃氣渦輪研究院，四川 江油621703；2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京100083)

1 引言

多級軸流壓氣機葉排布局緊湊、流動空間狹窄，常規探針在級間流場測量中會受到很大限制。為實現多級壓氣機內部流場的多點接觸測量，近年來葉型探針技術得到了廣泛應用[1～4]。不過葉型探針通常需要在靜葉排上選取數個葉片焊接探頭和埋設測壓管，會對壓氣機環形葉片排局部流場產生額外擾動，在氣流摻混與轉靜干涉作用下，進而影響壓氣機的宏觀氣動性能和穩定性。

為量化級間葉型探針對多級壓氣機性能的影響程度，進一步提高壓氣機原始試驗結果的有效性和準確性，文獻[5]基于大量軸流壓氣機試驗數據的整理統計，分析了葉型探針對壓氣機各項性能參數的影響，結果表明對于靜葉高度不低于20 mm的軸流壓氣機，其性能數據測量誤差范圍約在2%以內，并且壓氣機級增壓能力所受到的影響程度與流道堵塞比有關。為揭示葉型探針對壓氣機性能及內部流場的影響規律，文獻[6]采用葉柵試驗與數值模擬結合方法，研究了壓氣機葉柵在安裝葉型探針前后的性能變化和探頭繞流渦系在葉柵流道內部的發展演化規律。文獻[7]針對壓氣機第1級靜葉前緣安裝葉型探針前后的性能變化進行了數值模擬，結果表明葉型探針對靜葉中部載荷影響很大，而對葉片端壁附近的載荷影響較小，并且認為葉型探針對高速、高壓比壓氣機性能的影響更大。

本文在前期研究的基礎上，設計了兩種安裝結構的葉型探針，針對擴壓葉柵環境中兩類葉型探針的影響特性進行對比研究，通過定性與定量分析兩類葉型探針在葉柵不同工況下的影響，以評估兩類葉型探針的工程適用性，為葉型探針安裝結構形式的優化設計提供技術支持。

2 試驗方案

2.1 試驗裝置

模擬葉型探針安裝結構的壓氣機靜子平面葉柵性能試驗在中國燃氣渦輪研究院超、跨聲速平面葉柵風洞(見圖1)上進行。試驗段風口尺寸為160 mm(高)×300 mm(寬)，進口馬赫數范圍為 0.4～2.0，進口氣流角范圍為20°～95°，最大空氣流量為22.4 kg/s，穩定工作時間大于4 min，壓力波動不大于0.3%。

2.2 葉柵試驗件

選取一套經驗證的基準葉柵試驗件為研究對象，葉柵主要參數為：葉片數N=9，葉片弦長b=70.12 mm，葉高h=160 mm，柵距t=48.55 mm，葉片安裝角γ=60.1°，葉片幾何進口角 β1k=35.4°，葉片幾何出口角β2k=82.3°，設計進口馬赫數M1=0.73。選擇其中2個葉片分別安裝雙面焊接的Kiel探頭(簡稱A類探針)和單面焊接的Kiel探頭(簡稱B類探針)，如圖2所示，兩類探針安裝結構及測壓管排布方式完全相同。探頭直徑2.5 mm，總長度7.5 mm，伸出葉片前緣長度2.5 mm，測壓管直徑1 mm。探針分別位于葉片10%、50%和90%葉高位置，測壓管緊貼在葉盆表面，最終在50%弦長位置合并后沿展向從端壁引出。

2.3 測試方法

將裝有葉型探針的葉片依次換裝原型葉柵中間通道的葉片完成對比試驗。試驗時，來流總壓、總溫在穩壓段內測取，葉柵前、后靜壓通過開設在柵板上的兩排靜壓孔測?。蝗~片表面壓力只在50%葉高位置測量，分別在安裝葉型探針葉片的葉背、相鄰兩側葉片的葉背與葉盆開設靜壓孔。在葉柵出口測量截面距葉片尾緣0.45t處，采用楔形三孔探針在葉柵50%葉高位置沿額線方向移動3個柵距(考慮3個相鄰葉片的尾跡寬度)共測量61點，通過校準曲線插值得到柵后總壓、靜壓、氣流角及馬赫數等氣動參數。

3 對比試驗結果

圖3(a)給出了M1=0.73下葉柵不同葉片表面等熵馬赫數(Mis)分布。從圖中可知，相比原型葉片，安裝A類探針葉片葉背在整個弦長范圍內馬赫數分布形態變化不大，只是整體向低馬赫數方向移動。與A類探針的影響相比，安裝B類探針葉片葉背馬赫數受到的影響程度和范圍均有減小，53%弦長后馬赫數分布與原型葉片基本重合。A類探針對相鄰葉片葉背前緣附近的流動影響較小，不過隨著流動向下游方向發展，探針所在葉片的非光滑葉盆表面的流動開始惡化，通道橫向壓力梯度增大，導致相鄰葉片葉背馬赫數均高于原型葉片，表明葉片氣動負荷有所提高，但相鄰葉片葉盆馬赫數沒有受到影響。與A類探針的影響相比，B類探針會導致相鄰葉片葉背馬赫數進一步升高，并且相鄰葉片葉盆馬赫數也略有升高，表明B類探針對相鄰兩側葉片流動的影響作用更大。以上分析表明，在設計進口馬赫數條件下，兩類探針對葉柵不同位置葉片表面流動的影響規律略有差異。

圖3 葉片表面等熵馬赫數分布Fig.3 Isentropic Mach number distribution on the blade surface

當M1=0.85時(如圖3(b)所示)，原型葉片葉背表面出現局部超聲區，馬赫峰處于35%弦長位置，其值達1.3，超聲區內形成一道較強的通道正激波，激波與葉背表面附面層發生干擾，導致波后附面層明顯增厚。相比原型葉片，A類探針所在葉片葉背表面流動出現明顯惡化，從29%弦長開始馬赫數急劇降低，附面層出現嚴重分離，堵塞影響范圍較大，占據了一定比例的葉柵流道寬度。與A類探針的影響相比，B類探針所在葉片葉背馬赫數分布明顯不同，葉背進口段膨脹加速，流動趨勢更強，導致馬赫峰后移至約47%弦長位置，且靠近葉片尾緣附近的馬赫數降低，雖然導致流向逆壓力梯度增大，但附面層此時仍未出現分離，影響程度要小于A類探針。A類探針對相鄰葉片葉背馬赫數分布的影響與上述B類探針對其所在葉片的影響極為相似，通道激波位置后移，下游減速擴壓段縮小，逆壓梯度進一步增大；相鄰葉片葉盆流動也受到A類探針繞流作用的影響，表面馬赫數降低，這是由于隨著進口馬赫數的增大，葉盆表面附面層增厚，其低速氣流對相鄰流道內探針的擾動更加敏感。與A類探針的影響相比，B類探針誘導相鄰葉片葉背附面層出現分離，但損失程度要小于A類探針所在葉片，且相鄰葉片葉盆表面馬赫數所受到的影響也更小。上述分析表明，在高馬赫數條件下，無論是探針所在葉片還是相鄰兩側葉片，A類探針的影響程度均要大于B類探針。

為量化對比兩類葉型探針對葉柵總體性能的影響程度，本文對柵后不同葉片的性能參數進行了平均處理。圖4、圖5分別給出了葉柵平均出口氣流角(β2)和總壓損失系數(ω)的變化。 如圖4所示，兩類探針均會造成葉柵出口氣流角減小，氣流出現欠偏轉現象，葉片加功擴壓能力降低；相比之下，A類探針的影響程度要大于B類探針，并且隨著進口馬赫數的增大偏差幅度逐漸增大，在M1=0.85時接近1.5°。圖5中，當進口馬赫數較低時，A類探針帶來的總壓損失略小于B類探針，但隨著進口馬赫數的增大，A類探針帶來的總壓損失最終大于B類探針。結合葉片表面等熵馬赫數分析結果可知，兩類探針對葉柵損失特性的影響差異與葉柵通道內是否出現激波有關。對于葉柵通道內沒有激波的亞聲速流動環境，A類探針帶來的總壓損失更??；而對于葉柵通道內會形成強激波的跨聲速流動環境，B類探針帶來的總壓損失更小。

圖4 兩類探針對葉柵出口氣流角的影響Fig.4 The influence of two types of airfoil probes on cascade outlet flow angle

4 數值模擬結果

為更直觀地了解擴壓葉柵中兩類葉型探針的影響規律，本文采用CFX軟件對設計進口馬赫數下的探針繞流特性進行了三維數值模擬。為克服三維葉片與葉型探針在網格尺度上的巨大差異，本文在構建計算模型時對葉型探針真實安裝結構進行了一定簡化，將探針等效為圓柱形實體探頭，并忽略了測壓管線，最終生成的兩類葉型探針結構化網格拓撲結構如圖6所示。有關數值計算方法介紹詳見文獻[6]。

圖7為50%葉高位置葉片表面馬赫數分布云圖。從圖7(a)中可以看出，雙面焊接的A類探針導致葉片表面被由前緣探頭繞流引起的具有一定厚度的低速氣流包圍，受低速氣流帶的影響，葉背側局部加速區與葉背表面沒有直接接觸，低速氣流帶從前緣開始逐漸加速，同時葉背表面附面層也在不斷發展增厚，這與葉片安裝探針后葉背表面馬赫數降低相對應。從圖中還可以看到，簡化后的A類探針在葉片前緣葉盆側形成一個明顯的后臺階，臺階下游為沉寂區，產生了較寬的尾跡流動區域，低速尾流與周圍氣流摻混后被不斷加速，影響范圍隨之增大，在葉柵出口幾乎達到20%通道寬度。圖7(b)中顯示，單面焊接的B類探針由于安裝位置更靠近葉盆，使得葉片葉背表面流動所受到的探針繞流影響相對較小。與A類探針繞流情況相比，B類探針在葉盆側形成了范圍更大的低速尾跡流動區域，出口尾跡寬度約為25%通道寬度。

圖8給出了距離葉柵尾緣0.45t位置的流場結構分布(含渦量與二次流流線)。圖中無量綱軸向渦量(Vorticity)定義為為葉柵進口流量平均速度；橫坐標表示葉柵周向，用柵距進行無量綱化；縱坐標表示葉柵展向，用葉高進行無量綱化；由于平面葉柵沿展向關于50%葉高截面完全對稱，因此只給出了葉片中部以下區域。從圖8(a)中可以看出，原型葉柵柵后0.45t位置仍處于角區分離渦影響區域，角區分離渦的渦量分布比較集中，在通道橫向壓力梯度作用下二次流流動趨勢很強，導致低能流體向葉背與端壁所形成的角區輸運和堆積，使得角區分離渦核心的損失程度很大。從圖8(b)中可知，安裝A類探針后，在前緣探針繞流作用影響下，柵后中部靠近葉盆側產生了明顯的對稱旋渦結構，上部斑點代表沿逆時針方向旋轉的渦，下部斑點則代表沿順時針方向旋轉的渦；而位于10%葉高位置的A類探針繞流渦對與角區分離渦的摻混和耗散非常強烈，導致探針繞流對稱渦顯著減小。從圖8(c)中可知，與A類探針繞流作用相比，B類探針繞流渦的演化規律基本一致，只是B類探針繞流對稱渦的尺寸更大，即渦量強度更大，以至于10%葉高位置探針繞流對稱渦在與角區分離渦摻混和耗散后仍保持了較為完整的對稱旋渦結構。

需要指出的是，由于數值模擬中對葉型探針安裝結構進行了簡化等效處理，因此本文所給出的計算結果與葉型探針真實繞流特性可能存在一定差異。

5 結論

(1)兩類葉型探針對其所在葉片及相鄰兩側葉片的表面流動會帶來不同程度的影響，葉片前緣探頭安裝形式影響葉型探針的實際繞流效果。

(2)對于葉柵通道內沒有激波的亞聲速流場環境，A類探針的綜合影響程度略小于B類探針；而對于葉柵通道內會形成強激波的跨聲速流場環境，A類探針的綜合影響程度要大于B類探針。

(3)兩類葉型探針所誘導的繞流渦發展演化機制基本相同，但B類探針繞流渦的尺度更大，在亞聲速擴壓葉柵中會帶來更大的總壓損失。

(4)文中工作是在平面葉柵條件下進行的，還不能反應真實葉片三維流動效應，并且葉型探針對葉柵內流的影響因素較多(包括探針尺寸、安裝位置及數量等)，還需進一步開展相關研究。

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