高壓渦輪導向器扇形葉柵試驗及改進設計驗證

朱蘭，張劍，卿雄杰

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

高壓渦輪導向器扇形葉柵試驗及改進設計驗證

朱蘭，張劍，卿雄杰

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

對一高壓渦輪導向器扇形葉柵進行試驗，發現相鄰測試葉片流場的周期性較差，給導向器氣動性能試驗評估帶來極大困難。對試驗件的數值模擬亦給出了相同結果。為提高試驗評估精度，采用幾何設計和數值模擬迭代的方法，對試驗件進行了改進設計。對改進試驗件進行的試驗表明，高壓渦輪導向器扇形葉柵通道內的周期性得到明顯改善，該試驗結果可較為準確地評估導向器的氣動性能。

渦輪導向器；扇形葉柵；數值模擬；改進設計；試驗驗證；周期性

1 引言

隨著現代航空發動機推重比和膨脹比的不斷提高，高壓渦輪導向器的氣動負荷不斷提高，葉片出口工作狀態往往達到超聲速狀態，激波強度明顯增強；同時，葉片采用大量冷氣進行冷卻，冷氣與主氣摻混顯著；葉片二次流動顯著增強，三維流動效應明顯。以上現象造成葉片中的流動損失急劇增加，故快速獲取高壓渦輪導向器的損失特性，驗證設計結果，縮短設計周期，具有十分重要的意義。

扇形葉柵試驗是快速獲取導向器損失特性的重要手段。通過扇形葉柵試驗，獲得渦輪導向器的損失特性和三維流動結構，可準確評價其性能指標和設計水平，驗證渦輪氣動設計模型精度，并為校核三維CFD軟件提供準確數據[1-2]。

本文以一高壓渦輪導向器扇形葉柵為研究對象，首次在葉片表面等葉高截面上布置大量測點，詳細研究其流場結構及氣動性能。但試驗結果表明，相鄰測試葉片流場周期性較差，無法有效驗證導向器葉片性能。為解決這一問題，采用CFD軟件對真實試驗件進行了數值模擬，指導完成了試驗件結構改進設計和補充加工，并完成了改進后的試驗驗證。

2 試驗

2.1 試驗件

某高壓渦輪導向器由32片葉片組成，設計狀態導向器出口絕對馬赫數為1.05。受試驗設備能力限制，試驗件(圖1)由4個完整真實葉片、2個半葉片構成。測量表面靜壓分布的A、B兩組葉片，其結構差異見圖2。測量葉片由兩半加工組成，其中A葉片在壓力面對開，B葉片在吸力面對開，以便準確測量A葉片壓力面靜壓和B葉片吸力面靜壓。為詳細研究扇形葉柵流場細節，在根(10%)、中(50%)、尖(90%)三個截面布置76點，緣板布置60點，進出口截面布置148點用于靜壓測量。在導向器扇形葉柵出口截面(X=0.07 m)，詳細測量葉片出口流場。

圖1 扇形葉柵試驗件Fig.1 Sector cascade section

2.2 試驗設備和測試

試驗在中國燃氣渦輪研究院超、跨聲速平面葉柵風洞中進行[3]。該設備是一座暫沖吹入大氣式超、跨聲速平面葉柵吹風試驗器，通過葉柵出口特設的調節凸塊，調節出口流場徑向壓力梯度，以模擬導向器出口真實流場。可進行不同出口馬赫數和不同冷氣流量比下，扇形葉柵的氣動性能測量。

圖2 測壓葉片示意圖Fig.2 Blades for pressure measurement

扇形葉柵試驗測試內容：①測量不同狀態下扇形葉柵各種損失沿葉高的分布；②測量不同狀態下扇形葉柵出口靜壓、氣流角等沿葉高的分布；③測量不同狀態下扇形葉柵出口氣流角、總壓、靜壓等沿周向的分布(由二維位移機構帶動五孔壓力探針[4]，在出口流場測量截面上沿周向2個柵距、葉高方向12個截面測量)；④測量不同出口壓力梯度條件下扇形葉柵性能參數變化。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

試驗測量了導向器扇形葉柵根部出口等熵馬赫數Ma2hwav=0.70、0.80、0.90、1.00、1.10、1.20狀態下，兩組葉片根、中、尖截面表面的等熵馬赫數分布，及上、下緣板靜壓。本文只分析Ma2hwav=1.10狀態。

圖3 A、B葉片表面等熵馬赫數分布Fig.3 Comparison of the isentropic Mach number distribution on blade A and blade B surface

Ma2hwav=1.10時，A葉片和B葉片根、中、尖截面表面的等熵馬赫數分布對比如圖3所示。可見，A、B葉片各測量截面的峰值馬赫數相差較大，尤其是葉尖截面相差近0.43。B葉片等熵馬赫數峰值最高值出現在尖截面，接近1.85；A葉片等熵馬赫數峰值最高值出現在中截面，接近1.70。B葉片的工作狀態明顯高于A葉片。同時，該導向器扇形葉柵試驗狀態為Ma2hwav=1.10，試驗結果反映出導向器各截面峰值馬赫數均異常偏高。綜上所述，導向器扇形葉柵未能保證流場周期性，同時測量的兩個葉片工作狀態均比設計狀態高。

圖4是在上、下緣板測量的槽道等熵馬赫數分布。可見，在上、下緣板，B葉片吸力面喉部后均存在較強激波，峰值馬赫數均達到了1.60左右；A葉片吸力面喉部后激波明顯減弱，且下緣板峰值馬赫數比上緣板高。這與圖3反映的葉片載荷分布一致，表明A、B葉片的流場周期性均較差。

圖4 槽道等熵馬赫數分布云圖Fig.4 Contours of isentropic Mach number distribution

導向器扇形葉柵試驗測量結果是否可靠、有效，其前提條件是試驗件通道中的流場信息具有周期性。通過本次試驗結果可知，該導向器扇形葉柵通道中流場周期性較差，試驗測量結果不能準確評估導向器性能。

3.2 結果分析

采用數值模擬，分析導向器扇形葉柵流場結構，并與試驗結果對比。根據試驗件真實形狀，采用UG建立實體模型。采用ICEM CFD 12.0[5]劃分四面體網格，在壁面劃分了附面層，網格節點數403 245，網格單元數1 533 353，計算網格見圖5。

圖5 計算網格Fig.5 Computational grids

采用商業流體軟件CFX 12.0[6]進行導向器扇形葉柵試驗件的三維粘性數值模擬。進口給定總壓、總溫，出口邊界給定靜壓沿徑向分布，其余壁面均為無滑移、絕熱壁面。調整出口靜壓，保證計算時根截面出口等熵馬赫數與試驗測量結果一致，約為1.10。

圖6 A、B葉片表面等熵馬赫數分布計算值與試驗值對比Fig.6 Comparison of the isentropic Mach number distribution on blade A and blade B surface between computation and experiment

A葉片和B葉片根、中、尖截面的等熵馬赫數分布和試驗結果對比見圖6。數值模擬結果表明，在各截面，B葉片峰值馬赫數均比A葉片高，這與試驗結果規律一致。在葉根截面吸力面，喉道前計算的等熵馬赫數與試驗結果吻合較好，峰值馬赫數均比試驗值高；在葉中和葉尖截面，A、B葉片吸力面峰值馬赫數均逐漸降低。可見，數值模擬結果較好地反映了試驗結果，有利于進一步發現造成扇形葉柵試驗件流場周期性較差的原因。

圖7為計算的試驗件根、中、尖截面的馬赫數分布云圖。可見，試驗件通道內，喉道前馬赫數分布周期性較好，喉道后馬赫數分布不具有周期性。自上往下，第二、第三個完整葉片分別是試驗測量的B葉片和A葉片。在根、中、尖截面，B葉片喉部激波強度均明顯強于A葉片。

綜上分析，導向器扇形葉柵試驗不能準確反映整環導向器中的流動，也不能通過其準確評價導向器性能。在導向器扇形葉柵試驗件設計中，為引導出口氣流流動，在兩側加了導流板。而導流板限制了導葉出口氣流流動，對第一和第二個導葉的吸力面尾緣激波產生反射，擾亂了試驗件中流場，破壞了流場周期性。因此，葉片數/通道數較少時，必須精心設計試驗件兩側導流板的結構形式。

圖7 試驗件根、中、尖截面馬赫數分布云圖(計算)Fig.7 Contours of Mach number distribution

4 試驗件改進設計及試驗驗證

4.1 改進設計

激波在固體壁面上的反射對葉柵出口流場的周期性有很大影響。為保證葉柵出口流場的周期性，在設計扇形葉柵試驗件時，必須過濾掉激波。

為充分利用資源，在該試驗件基礎上用最小代價完成改進設計。將試驗件兩側導流板在導向葉片尾緣軸向位置處截斷(圖8)，消除導流板對激波的反射，使扇形葉柵中流動盡量接近全環導向器中的真實流動。通過數值分析評判改進效果，從而達到一次即可加工完成、減少試驗次數和經費的目的。

4.2 數值模擬

為真實模擬試驗件中流動，三維分析模型按試驗件真實實體建立，并考慮大氣環境影響。整個試驗件被包圍在一有限大氣環境中。采用CFX 12.0對改進后的扇形葉柵試驗件進行三維流場分析。采用ICEM CFD 12.0劃分四面體網格，網格節點數563 870，網格單元數1 663 512，計算網格見圖9。

圖8 改進設計后的試驗件模型Fig.8 Test section model after improvement

圖9 改進設計后的計算網格Fig.9 Computational grids after improvement

計算狀態為Ma2hwav=1.10，進口給定總壓、總溫，外界大氣采用opening邊界，給定大氣靜壓，其余壁面均為光滑、無滑移、絕熱壁面。

A葉片和B葉片根、中、尖截面的表面等熵馬赫數計算結果見圖10。可見，在Ma2hwav=1.10狀態下，改進導流板后葉片表面的等熵馬赫數峰值基本降到了1.20以下，與基準葉柵設計結果基本相符。與原試驗件計算的葉片表面等熵馬赫數相比，峰值馬赫數大幅降低。同時，A、B葉片各截面的表面等熵馬赫數分布基本一致，只在峰值處有細微差異，最大相差約0.10。

圖11為改進設計后，試驗件根、中、尖截面的等熵馬赫數分布云圖。可見，自上而下，除第一個通道喉部位置處激波較強外，A、B葉片工作狀態基本一致，在葉柵吸力面相同位置都有激波存在，且激波強度基本接近。在離葉片尾緣較近的軸向位置，周期性較好；隨著出口位置離葉片尾緣距離的增加，周期性逐漸變差。由于出口凸塊的影響，尖截面上流體速度在凸塊處突變為0。

圖12是改進設計后試驗件出口X=0.05 m截面和測試截面(X=0.07 m)上的馬赫數分布云圖。可見，X=0.05 m截面葉柵出口馬赫數分布具有一定周期性，X=0.07 m截面馬赫數分布周期性逐漸變差。這是由于切除部分導流板后，葉片吸力面后的空氣由于引射作用，逐漸摻混進入測試截面。

圖10 改進設計后A、B葉片表面等熵馬赫數分布(計算)Fig.10 Isentropic Mach number distribution of blade A and blade B surface after improvement

圖11 改進設計后試驗件根、中、尖截面馬赫數分布云圖Fig.11 Contours of Mach number distribution after improvement

圖12 改進設計后試驗件出口截面上的馬赫數分布云圖(計算)Fig.12 Mach number distribution contours at different outlet cross section after improvement

綜上所述，改進后扇形葉柵試驗件能較為真實地反映全環導向器葉柵中流動，A、B葉片所在通道區域流場周期性明顯改善，滿足改進設計要求。

4.3 試驗驗證

按照三維粘性分析結果，對原扇形葉柵試驗件結構進行了補充加工，切除了導向器尾緣軸向位置以后的導流板，出口總壓、總溫和馬赫數測量截面與原試驗件測量位置相同。在設備上重新進行試驗。

圖13為改進設計后Ma2hwav=1.10下，A、B葉片表面等熵馬赫數試驗值與計算值對比。可見，A、B葉片的三維粘性計算結果與試驗結果均吻合較好。試驗測量的葉片表面等熵馬赫數峰值均低于1.21，較改進前的1.80大幅降低，激波強度明顯減弱，證明該渦輪導向器設計比較合理。在Ma2hwav=1.10下，有效控制了激波強度。試驗測量的A、B葉片表面等熵馬赫數分布相似，峰值馬赫數相差在0.10范圍內。試驗件通道中周期性較好。

圖13 改進設計后A、B葉片表面等熵馬赫數分布計算值與試驗值對比Fig.13 Comparison of the isentropic Mach number distribution on blade A and blade B surface between computation and experiment after improvement

圖14為出口馬赫數分布云圖，可見圖12(b)的與此基本一致，數值結果較好地預測了試驗結果。

綜上所述，該高壓渦輪導向器扇形葉柵試驗件在切除兩側的導流板后，消除了導流板對激波的反射和對流場的限制，通道中激波強度大幅減弱，明顯改善了通道中流場周期性，準確獲得了導向器根、中、尖截面的載荷分布，改進設計取得良好效果。

圖14 改進設計后出口馬赫數分布云圖(試驗)Fig.14 Mach number distribution contours at outlet after improvement

5 結論

(1)通過導向器扇形葉柵試驗件結構改進設計，明顯改善了扇形葉柵流場的周期性，獲得的試驗結果能準確評價該渦輪導向器的性能。

(2)在通道數較少的情況下，必須精心設計導向器扇形葉柵試驗件兩側導流板的結構形式，以保證較好的流場周期性。

(3)通過該渦輪導向器扇形葉柵試驗件改進設計，積累了扇形葉柵試驗件設計經驗，為其他類似試驗件設計提供了技術支持，為快速、可靠評估導向器性能奠定了技術基礎。

[1]陳紹文，陳浮，徐文遠，等.變攻角下低壓渦輪導向器二次流的實驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2005，18 (4)：15—19.

[2]衛剛，王永明，王松濤，等.高性能低壓渦輪設計與試驗[J].燃氣渦輪試驗與研究，2013，26(2)：6—11.

[3]姜正禮，凌代軍，王暉.高壓渦輪導向器扇形葉柵試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2006，19(1)：17—20.

[4]張曉東，姜正禮，趙旺東.五孔探針在渦輪導向器出口流場測量中的應用[J].燃氣渦輪試驗與研究，2010，23 (4)：44—48.

[5]Guide to the ICEM CFD Documentation[M].Canonsburg：ANSYS Inc.，2010.

[6]Guide to the CFX Documentation[M].Canonsburg：ANSYS Inc.，2010.

Experiment and Improved Design Verification on the Sector Cascade of High Pressure Turbine Nozzle

ZHU Lan，ZHANG Jian，QING Xiong-jie
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

An experiment of the sector cascades of high pressure turbine nozzle without expected periodici?ty of flow fields brings difficulty to evaluate the aerodynamic performance of guide vane.The simulation re?sults verified this characteristic of nonperiodicity.In order to improve the accuracy of experiment assess?ment,the improved design of the test section was carried out by means of iteration between geometry design and numerical simulation.The experiment results of improved specimen indicate that the periodicity is obvi?ously improved in the sector cascade channels of high pressure turbine guide vane.The experiment results can be used to evaluate the aerodynamic performance of guide vane.

turbine nozzle；sector cascade；numerical simulation；improved design；experiment verification；periodicity

V 211.7；V235.11+3

：A

：1672-2620(2014)05-0019-06

2013-09-26；

：2014-08-19

朱蘭(1983-)，女，四川蒼溪人，工程師，碩士，主要從事航空發動機渦輪部件氣動設計。