低壓渦輪導(dǎo)向葉片平面葉柵試驗(yàn)及數(shù)值模擬

劉建明，王東，馬永峰

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

低壓渦輪導(dǎo)向葉片平面葉柵試驗(yàn)及數(shù)值模擬

劉建明，王東，馬永峰

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

劉建明(1984)，男，工程師，主要從事平面葉柵、扇形葉柵、渦輪級(jí)性能試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究工作。

基于低壓渦輪導(dǎo)向葉片平面葉柵設(shè)計(jì)性能的研究，進(jìn)行了平面葉柵試驗(yàn)，并采用商用CFD軟件NUMECA建立了平面葉柵3維計(jì)算模型，得到了各性能參數(shù)隨出口等熵馬赫數(shù)的變化曲線、葉片表面等熵馬赫數(shù)分布曲線、以及S1流面等熵馬赫數(shù)分布。計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；本葉柵具有后加載特性，亞聲速段的損失較小；在設(shè)計(jì)工況時(shí)流動(dòng)狀態(tài)較好，流道中沒有出現(xiàn)超聲速區(qū)和激波現(xiàn)象。

平面葉柵；渦輪；導(dǎo)向葉片；試驗(yàn)；數(shù)值模擬

0 引言

平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)是獲得葉柵速度及攻角特性的常規(guī)試驗(yàn)手段。通過試驗(yàn)可以方便、經(jīng)濟(jì)、快速，并詳盡地研究平面葉柵中的基本流動(dòng)現(xiàn)象，如葉片表面馬赫數(shù)分布，激波的強(qiáng)度、形狀、位置，激波與附面層的相互作用等[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬越來越多地應(yīng)用于葉片機(jī)內(nèi)流場(chǎng)研究。試驗(yàn)和數(shù)值模擬相輔相成，試驗(yàn)研究可以對(duì)數(shù)值分析程序尚不能準(zhǔn)確處理的問題提供詳實(shí)的原始數(shù)據(jù)積累[2]，而數(shù)值模擬則可以得到試驗(yàn)過程中很難捕捉的試驗(yàn)現(xiàn)象，并指導(dǎo)試驗(yàn)。試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合廣泛地應(yīng)用于葉柵研究[3-8]。葉柵數(shù)值模擬常用的軟件有NUMECA、FLUENT、CFX和MISES[9]等。

本文為驗(yàn)證本葉柵的設(shè)計(jì)性能，并為進(jìn)行大子午擴(kuò)張角導(dǎo)向葉片的設(shè)計(jì)積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行平面葉柵試驗(yàn)分析和研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

試驗(yàn)在近聲速平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)器上進(jìn)行。壓縮空氣通過進(jìn)氣閥流經(jīng)進(jìn)氣段、擴(kuò)散段、穩(wěn)流段、收斂段，最后進(jìn)入試驗(yàn)段。

試驗(yàn)件葉柵及葉型參數(shù)見表1。

表1 葉柵及葉型參數(shù)

表中：t為柵距；b為弦長(zhǎng)；β1k為進(jìn)口構(gòu)造角；β2k為出口構(gòu)造角；i為設(shè)計(jì)攻角。

出口等熵馬赫數(shù)Ma2ad設(shè)計(jì)值為0.676。在攻角范圍內(nèi)(-30°～＋10°，間隔為5°，包括設(shè)計(jì)攻角)進(jìn)行該平面葉柵變Ma2ad(其范圍為0.4～1.1)的試驗(yàn)。

2 計(jì)算建模

采用NUMECA軟件進(jìn)行建模計(jì)算，選用Spalart-Allmaras一方程湍流模型求解雷諾平均N-S方程的雷諾應(yīng)力。計(jì)算邊界條件包括進(jìn)口邊界、出口邊界、周期性邊界和固壁邊界。進(jìn)口邊界給定總壓、總溫、湍流黏性和氣流方向，出口給定平均壁面靜壓，壁面條件為無滑移和絕熱。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

3 結(jié)果及分析

3.1 總壓恢復(fù)系數(shù)

圖2 σ-Ma2ad曲線

3.2 能量損失系數(shù)

渦輪平面葉柵的能量損失系數(shù)ζ為

式中：p2為平面葉柵出口壁面靜壓；k=1.4。

ζ隨Ma2ad變化曲線如圖3所示。由圖可見，隨著Ma2ad的增加，ζ的變化趨勢(shì)為先減小后增大。在Ma2ad＜0.8范圍內(nèi)，隨著馬赫數(shù)的增加，葉片表面附面層逐漸變薄導(dǎo)致附面層所帶來的能量損失越來越小；當(dāng)0.8＜Ma2ad時(shí)，葉片尾緣附近有激波生成，使得能量損失增加。

圖3 ζ-Ma2ad曲線

3.3 負(fù)荷系數(shù)

渦輪導(dǎo)向葉片的負(fù)荷系數(shù)反映氣流膨脹、轉(zhuǎn)折能力的大小。在平面葉柵試驗(yàn)中，此參數(shù)表示變工況時(shí)葉柵負(fù)荷變化的特性。負(fù)荷系數(shù)Cu表示為

式中：λ1、λ2分別為進(jìn)、出口速度系數(shù)；β1、β2分別為進(jìn)、出口氣流角。

通過Cu－Ma2ad曲線可以看出，計(jì)算值與試驗(yàn)值比較接近，如圖4所示，Cu隨Ma2ad的增大而增大。隨著Ma2ad的增大，氣流在斜切口膨脹，當(dāng)相鄰葉片尾緣發(fā)出的最后1道膨脹波打到尾緣時(shí)，其反壓再降低也不能改變?nèi)~片上的壓力，因而葉片壓力不再增加，此時(shí)就達(dá)到了極限負(fù)荷。從圖4中可見，在試驗(yàn)范圍內(nèi)（Ma2ad≤1.1），不能得到極限負(fù)荷。

圖4 Cu-Ma2ad曲線

3.4 阻塞馬赫數(shù)

當(dāng)葉柵流道進(jìn)入阻塞狀態(tài)后，其柵前來流進(jìn)口馬赫數(shù)Ma1也不再增加，并達(dá)到最大值，此時(shí)Ma1稱為柵前阻塞馬赫數(shù)。在設(shè)計(jì)攻角下，Ma1隨Ma2ad的變化曲線如圖5所示。通過曲線外插值得到設(shè)計(jì)攻角下阻塞馬赫數(shù)試驗(yàn)值為0.3406，計(jì)算值為0.3124，2者比較接近。

3.5 臨界馬赫數(shù)

圖5 Ma2ad曲線

臨界馬赫數(shù)Macr是指葉片葉背表面氣流等熵速度達(dá)到聲速時(shí)所對(duì)應(yīng)的出口等熵馬赫數(shù)。在所試攻角下，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量得到各個(gè)出口等熵馬赫數(shù)下葉背表面等熵馬赫數(shù)分布，找出最大的馬赫數(shù)，從而得到最大馬赫數(shù)（Mamax）隨出口等熵馬赫數(shù)的變化曲線，再通過插值得到當(dāng)Mamax=1.0時(shí)的Ma2ad值。Mamax隨Ma2ad變化曲線如圖6所示。由圖可見，葉柵在設(shè)計(jì)攻角時(shí)，Macr的試驗(yàn)值為0.805，計(jì)算值為0.775。在設(shè)計(jì)攻角時(shí)，Macr與設(shè)計(jì)等熵馬赫數(shù)之間存在較大裕度。

圖6 Mamax-Ma2ad曲線

3.6 出口氣流角

出口氣流角β2對(duì)渦輪速度三角形、攻角設(shè)計(jì)、流量確定具有重要意義。β2隨Ma2ad的變化趨勢(shì)如圖7所示，由圖可見，β2先隨Ma2ad的增大而減小，且趨勢(shì)較緩；當(dāng)Ma2ad達(dá)到一定值時(shí)，隨Ma2ad的增大而增大，且趨勢(shì)較快，原因是超臨界以后，葉柵流道內(nèi)有激波產(chǎn)生，氣流穿過激波發(fā)生了轉(zhuǎn)折，氣流角出現(xiàn)較明顯的變化。

圖7 β2-Ma2ad曲線

3.7 葉片表面等熵馬赫數(shù)

在設(shè)計(jì)攻角下，Ma2ad=0.676、Ma2ad=0.8、Ma2ad=0.9、Ma2ad=1.0時(shí)葉片表面等熵馬赫數(shù)Mas分布曲線（p表示葉盆，b表示葉背），分別如圖8～11所示，由圖可見，隨著馬赫數(shù)的增大，速度峰值位置向后移動(dòng)，但變化不大。葉背速度峰值位置靠近尾緣，大約在0.8～0.9倍軸向長(zhǎng)度的位置，表明為后加載。由于葉片吸力面后段采用了較大的曲率，即較大的尾緣彎折角δ（可達(dá)15～30°），使得峰值馬赫數(shù)隨Ma2ad的增加而增加，而其峰值位置靠后，且變化不大，從而保證了亞聲速段有較低的損失[10]。尾緣彎折角如圖12所示，其定義為喉寬葉背端點(diǎn)(切點(diǎn))處的切線和尾緣小圓與葉背曲線的切點(diǎn)處的切線間夾角，本葉柵的尾緣彎折角δ=20°。

圖8 Ma2ad=0.676時(shí)Mas分布曲線

圖10 Ma2ad=0.9時(shí)Mas分布曲線

圖11 Ma2ad=1.0時(shí)Mas分布曲線

3.8 S1流面等熵馬赫數(shù)

在Ma2ad=0.676、Ma2ad=0.9、Ma2ad=1.0時(shí)，S1流面等熵馬赫數(shù)分布如圖13～15所示，左圖為試驗(yàn)值，右圖為計(jì)算值。試驗(yàn)結(jié)果用流道端壁等熵馬赫數(shù)近似代替，計(jì)算結(jié)果為葉高50%處的流道值）。從圖中可見，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。從圖13中可知，在設(shè)計(jì)工況下，流道處于亞臨界流動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)狀態(tài)較好，沒有出現(xiàn)超聲速區(qū)和激波現(xiàn)象。從圖14、15中可見，當(dāng)Ma2ad=0.9時(shí)，葉背表面存在超聲速區(qū)；當(dāng)Ma2ad=1.0時(shí)，超聲速鼓包較大，說明生成的激波較強(qiáng)，激波與附面層干擾作用的損失明顯增加。從圖13～15中還可見，柵前氣流進(jìn)口速度較低，流道內(nèi)葉背的大部分區(qū)域是降壓增速運(yùn)動(dòng)，沿葉背速度變化相對(duì)平穩(wěn)。

圖12 尾緣彎折角

圖13 Ma2ad=0.676時(shí)S1流面等熵馬赫數(shù)

圖14 Ma2ad=0.9時(shí)S1流面等熵馬赫數(shù)

圖15 Ma2ad=1.0時(shí)S1流面等熵馬赫數(shù)

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)性能表明，總壓恢復(fù)系數(shù)、能量損失系數(shù)、負(fù)荷系數(shù)、阻塞馬赫數(shù)、臨界馬赫數(shù)、出口氣流角隨Ma2ad變化趨勢(shì)的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

（2）葉柵為亞聲速后加載葉柵，吸力面后段采用了較大的尾緣彎折角，使得峰值馬赫數(shù)隨Ma2ad的增加而增加，而峰值位置靠后且位置變化不大，從而保證葉柵亞聲速段有較低的損失。

（3）葉柵在設(shè)計(jì)工況下整個(gè)流道處于亞臨界流動(dòng)狀態(tài)，且沒有出現(xiàn)超聲速區(qū)和激波現(xiàn)象。

（4）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，表明數(shù)值模擬在預(yù)測(cè)和驗(yàn)證葉柵的性能以及指導(dǎo)試驗(yàn)和節(jié)省試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等方面具有重要作用。

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Experimentand Numerical Simulation of Low Pressure Turbine Guide Vane Planar Cascade

LIU Jian-m ing,W ANG Dong,MA Yong-feng
（AVICShenyangEngineDesignandResearch Institute,Shenyang110015,China）

The planar cascade experiment was executed based on the design performance investigation of low pressure turbine guide vane planar cascade.The threedimensional calcultationmodel of the planar cascadewas builtby the commercial CFD software NUMECA.The variational curves of each performance parameterwith the outlet isentropic Mach number,the isentropic Mach number distribution curves of the vane surface and the distribution nephograms of the isentropic Mach number of S1 flow surface were obtained.The calcultation and experiment results show that the simulation results accord wellwith the experimental results.The cascade has the aft-loaded characteristic.The loss in the subsonic section is low.The flow state iswell,and no supersonic section and shock wave exist in the flow channelunder design condition.

planar cascade;turbine;guide vane;experiment;numerical simulation

2012-09-21