非設計攻角對渦輪葉片葉型損失的影響特點分析

張宗辰,杜睆實，付海濤，馬麗萍，白 濤

(1.中國航空工業集團公司 中國飛行試驗研究院， 西安710089； 2.西安航空學院 飛行器學院， 西安710077)

非設計攻角對渦輪葉片葉型損失的影響特點分析

張宗辰1,杜睆實1，付海濤1，馬麗萍1，白 濤2

(1.中國航空工業集團公司 中國飛行試驗研究院， 西安710089； 2.西安航空學院 飛行器學院， 西安710077)

為了得到非設計攻角下渦輪葉片的葉型損失規律，采用數值模擬的方法對某高負荷低壓渦輪前加載葉型在5種不同攻角下的流動進行了詳細的分析，得到了5種攻角下葉片表面的各種流動參數。結果表明:在設計攻角下，葉片的性能表現最佳，此時葉柵中的氣流流動均勻，速度梯度、壓力梯度分布符合一定規律，并未發生明顯的附面層分離現象；在負攻角下，吸力面的流動情況保持良好而壓力面的損失較為明顯，且隨著負攻角的增大損失系數也逐漸增大，但負攻角下損失系數的增幅整體上并不大，當負攻角增加到-20°時其損失系數只有0.048；在正攻角下，壓力面的流動情況保持良好而吸力面的損失較為明顯，且這種損失比負攻角下壓力面的損失要大得多；當正攻角為10°時其損失系數已達到0.141，遠遠超過-20°攻角下的損失系數。因此，在進行葉型設計的時候一定要留有合適的正攻角裕度。

高負荷低壓渦輪；攻角；前加載；附面層分離；葉型損失

為了提高航空發動機在高空飛行時的工作效率，高負荷低壓渦輪很早就成為國內外眾多專家學者和發動機制造廠商研究的熱點問題之一。研究結果表明[1-2]：低壓渦輪的效率每增加1%，發動機的耗油率相應下降0.7%～9%。為了降低發動機的耗油率，同時提高低壓渦輪的工作效率，研究高負荷低壓渦輪的損失機理就顯得尤為重要。

國外方面，Curtis E M等[3]將低壓渦輪的葉型損失大致分為吸力面損失、壓力面損失、基壓損失和摻混損失，并指出吸力面損失占葉型總損失的60%，要想提高低壓渦輪的工作效率，必須設法降低吸力面的損失。James P L等[4]發現低雷諾數定常來流條件下在渦輪葉片吸力面開V型槽可以有效地降低葉型損失。ZHANG Xuefeng等[5]研究了在吸力面表面加拌線、矩形條、凹槽等手段對渦輪葉片葉型損失的影響。國內方面，西北工業大學的楊林等[6]研究了低雷諾數狀態下前、后加載葉型對高負荷低壓渦輪葉型流動損失的影響規律，并指出在低雷諾數狀態下前加載負荷分布設計對高負荷低壓渦輪葉型的二維氣動性能更有利。中科院工程熱物理研究所的杜強等[7]對不同雷諾數、不同自由來流湍流度下高負荷低壓渦輪葉型邊界層的流動進行了詳細的數值模擬，并探討了這2個因素對該高負荷渦輪葉型表面邊界層流動的影響。江蘇科技大學的許文杰等[8]研究了被動射流和主動射流兩種流動控制技術對流場性能的影響，并指出主動射流的控制效果要優于被動射流。

以上研究均是基于設計工況下的葉型，但當發動機工作在空轉、起飛、俯仰狀態時葉片都有可能偏離其設計工況，從而導致設計點的雷諾數、馬赫數、葉型攻角發生改變。研究結果表明：葉型攻角一旦發生改變，會使低壓渦輪的效率急劇降低[9-10]。因此，研究非設計攻角下低壓渦輪的損失規律，對提高其工作效率來說有著非常重要的意義。

1 數值計算方法與算例驗證

本文所選用的葉型為某高負荷低壓渦輪前加載葉型，它的Zweifel載荷系數為1.25，葉型的各幾何參數如表1所示。采用ICEM CFD軟件劃分網格，網格結構如圖1所示，其中近壁區環繞葉型一周為“O”型網格拓撲，其外圍區域為“H”型網格拓撲，在葉片近壁面處垂直于壁面的方向布置了40層O型網格，弦長的方向布置了不少于250個網格節點，葉高的方向布置了50個網格節點，總網格數為106 208。為了捕捉到附面層內部詳細的流場細節，保證貼近壁面的第1層網格滿足Y+<1，且近葉片壁面區的網格層間距以1.1倍的比值沿壁面法向遞增。

表1 葉型的幾何參數

圖1 網格平面結構

數值模擬采用CFX 14.0商用軟件求解三維定常粘性雷諾平均N-S(Navier-Stokes)方程。為了能更好地預測邊界層的分離，選用SST(shear stress transport)湍流模型和γ-θ轉捩模型，該轉捩模型由Langtry、Menter發展和改進，是一種兩方程模型，可以較準確地預測自然轉捩、分離轉捩、旁路轉捩，適合對多種轉捩模式的預測[11-12]。

為了確保數值模擬結果的準確性，這里首先進行算例驗證工作。采用國外學者Benner M W等對本葉型的實驗測量結果進行算例校驗。該實驗測量了在攻角為10°、自由來流湍流度為1.5%時不同雷諾數下渦輪葉片的損失系數[13]。驗證時，主要給出損失系數的數值模擬結果和實驗結果的對比。

圖2 不同雷諾數下損失系數的模擬值與實驗值的對比

2 不同攻角下葉片表面的流動特點分析

2.1 設計攻角下葉片表面的流動特點分析

根據渦輪葉片在實際工作中可能出現的情況，并結合本文算例驗證的結果，選定攻角的變化范圍為-20°～20°，并分析5個典型點：i為-20°、-10°、0°、10°、20°。雷諾數Re=100 000，自由來流湍流度為1.5%。為了探究設計攻角下葉片表面的流動特點，本節先對0°攻角下葉片表面的流動規律進行分析。

圖3是0°攻角下葉片表面的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖。從流線圖可以看出：0°攻角時氣流的軌跡非常均勻，葉片表面并沒有出現明顯的分離泡。在速度云圖中，葉片表面附近氣流速度由外到內越來越小，直接接觸壁面的那部分速度為0，速度梯度分布符合一定規律。在壓力云圖中，壓力分布和速度分布成反比關系，速度快的地方壓力小，速度慢的地方壓力大，壓力梯度分布符合一定規律。在總壓云圖中，葉柵通道的總壓分布均勻，除了葉片吸力面表面存在輕微的摩擦損失與尾跡損失外，并無明顯的分離損失。

壁面剪切力圖表示葉片表面所受氣流摩擦力的大小和方向情況。若葉片沒有發生分離，則氣流對葉片沿Z軸的摩擦力永遠為正(向右)，如果發生分離，則在分離泡內氣流對葉片沿Z軸的摩擦力為負(向左)。在圖3所示的壁面剪切力圖中，除了葉片的前緣與尾緣處存在輕微的前緣損失與尾緣損失外，葉片中部并無剪切力負值區出現。由此可知，葉片表面并未發生附面層分離現象。

通過以上分析可知：0°攻角時葉片表面的氣流流動均勻，除了前緣處與尾緣處存在輕微的損失外，葉片中部并無明顯的分離損失區。由此可以得出結論：該葉型在設計攻角下工作正常，并未發生明顯的附面層分離現象。

2.2 負攻角下葉片表面的流動特點分析

圖4是-10°攻角下葉片表面的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖。從這些圖中可以看出：-10°攻角時葉片表面的流動情況與0°攻角時類似，氣流流動得較為均勻，并未發生明顯的分離現象。

圖5是-20°攻角下葉片表面的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖。在流線圖中，吸力面上方的氣流流動依然保持良好，而壓力面的氣流開始變得不規律，氣流分布并不均勻。在速度云圖中，壓力面附近出現了較為明顯的逆速度梯度區，即速度梯度由外到內先減小后增大。在壓力云圖中，壓力面表面的壓力分布已沒有0°攻角、-10°攻角時那么規律，壓力梯度并不明顯。在總壓云圖中，壓力面附近出現了較為明顯的總壓損失區，這與0°攻角、-10°攻角時形成了鮮明的對比。在載荷分布圖中，由于吸力面附近的流動情況保持良好，因此載荷分布圖與前面的工況差別不大。在壁面剪切力圖中，吸力面表面并無剪切力負值區出現，而壓力面的剪切力負值區非常明顯，負值區起始點(分離點)位于壓力面靠近前緣處，結束點(再附點)位于壓力面靠近正中處。

由此可知： -10°攻角時葉片表面的流動情況依然保持良好，并未發生明顯的附面層分離現象。當攻角加至i=-20°時，壓力面附近出現了較為明顯的分離區，且分離區的長度接近葉片長度的一半，但吸力面的流動情況依然保持良好，并未出現明顯的分離區。

圖4 -10°攻角下的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖

圖5 -20°攻角下的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖

2.3正攻角下葉片表面的流動特點分析

圖6是10°攻角下葉片表面的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖。在流線圖中，葉片的吸力面中部出現了一小段較為明顯的分離泡，而壓力面上的氣流流動均勻。在速度云圖中，吸力面上方的逆速度梯度區更加明顯，這與設計攻角、負攻角工況下吸力面表面的速度梯度形成了鮮明的對比。在壓力云圖中，壓力面上方的壓力梯度分布符合一定規律，而吸力面上方已沒有明顯的壓力梯度結構了。在總壓云圖中，吸力面上方的總壓損失區非常明顯，這比設計攻角下的摩擦損失要大得多。在載荷分布圖中，曲線已無明顯的加速段，而是從一開始就進入擴壓段結構，且擴壓段上的“平臺區”跨度較長，曲線過渡得并不均勻；在壁面剪切力圖中，吸力面的剪切力從一開始就已進入負值區，直到葉片的靠近尾緣處才重新恢復正值，而壓力面上的剪切力保持良好，葉片中部并未出現明顯的負值區。

圖7是20°攻角下葉片表面的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖。從流線圖中可以看出：當i=20°時攻角過大，分離現象已經非常嚴重，分離泡比i=10°時大許多。在速度云圖中，吸力面上方的逆速度梯度區已經非常明顯，速度分層清晰可見。在壓力云圖中，吸力面上方的壓力分布已失去了正常的結構，逆壓力梯度區明顯變大。在總壓云圖中，總壓損失嚴重，損失區占據了葉柵通道的大部分位置；在載荷分布圖中，吸力面已看不到明顯的加速段，且擴壓段的“平臺區”比i=10°時更加明顯。在壁面剪切力圖中，吸力面的大部分都處在剪切力負值區，且剪切力負值區的峰值比i=10°時更大，說明本工況下的分離比i=10°時更嚴重。

由此可知：10°攻角時葉片的吸力面已經開始出現較明顯的分離，這種分離造成的損失比負攻角時壓力面的分離損失要大得多。當攻角加至i=20°時，吸力面的分離損失已經非常嚴重，此時分離泡占據了葉柵通道的大部分位置，氣流已不能順利通過葉柵。但是，即使在20°攻角下，壓力面的氣流流動依然保持良好，沒有形成明顯的分離泡。

圖6 10°攻角下的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖

圖7 20°攻角下的流線圖、速度云圖、壓力云圖、總壓云圖、載荷分布圖、壁面剪切力圖

2.4 結果分析

根據前面的結果可知，本文所選用的葉型在設計攻角下工作正常，除了吸力面表面存在輕微的摩擦損失與尾跡損失外，葉片中部并無明顯的分離損失區。負攻角時，吸力面的流動情況保持良好而壓力面的損失較為明顯；正攻角時，壓力面的流動情況保持良好而吸力面的損失較為明顯，且吸力面的分離損失比壓力面的分離損失要嚴重得多。

圖8是不同攻角下渦輪葉片損失系數的變化規律。從圖中可以看出，在設計攻角下，渦輪葉片的損失系數最小。當攻角逐漸變為負值時，損失系數雖有所增加，但增幅并不大，這與設計攻角下的損失系數相差無幾。當攻角逐漸變為正值時，渦輪葉片的損失系數急劇增加，即使是10°攻角下的損失系數也比-20°攻角下的損失系數要大得多。

圖8 不同攻角下渦輪葉片的損失系數

3 結論

采用數值模擬的方法對某高負荷低壓渦輪前加載葉型在設計攻角及幾種不同的非設計攻角下的流動進行了詳細的模擬，得到了這些攻角下葉片表面的各種流動參數，并分析了它們的流動規律。本文得出的主要結論如下：

1) 葉片在設計攻角下性能表現最佳。此時，葉柵中的氣流流動均勻，速度梯度、壓力梯度分布規律，損失系數也最小。

2) 負攻角時，葉片吸力面的流動情況保持良好，而壓力面存在一定的分離損失。隨著負攻角的增大，損失系數也逐漸增大，但負攻角下損失系數的增幅整體上并不是很大。

3) 正攻角時，葉片壓力面的流動情況保持良好，而吸力面存在較大的分離損失。此時，攻角的微小改變會使吸力面的損失系數急劇變化，即使攻角為10°，其損失系數也遠遠超過-20°攻角下的損失系數。由此可知，在進行葉型設計的時候一定要留有合適的正攻角裕度。

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(責任編輯劉 舸)

EffectsofOff-DesignIncidencesonTurbineBladeProfileLoss

ZHANG Zongchen1, DU Huanshi1, FU Haitao1, MA Liping1, BAI Tao2

(1.Chinese Flight Test Establishment, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China; 2.School of Aircraft, Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China)

In order to get the law of profile loss of turbine blade on off-design incidence, a numerical simulation was carried out to analyze the flow of a high-lift low-pressure turbine at five different incidences, and to get the flow parameters of blade on five different incidences. The results show that the performance of the blade is the best at the design incidence, the air flow is equable, and the distribution of velocity gradient and pressure gradient is rule. There is no obvious boundary layer separation. In negative incidences, the flow on suction surface is well but the loss is obvious on pressure surface, and the larger negative incidence, the greater loss coefficient, but the increase of the loss coefficient is not large as a whole, the loss coefficient is only 0.048 when the negative incidence increases to -20°. In positive incidences, the flow on pressure surface is well but the loss is obvious on suction surface, and the loss is much greater than the pressure surface of negative incidences. When the positive incidence is 10°, its loss coefficient has reached 0.141, which is far more than the loss coefficient of -20°. Therefore, it is important to keep fit margin of positive incidences in blade profile design.

high-lift low-pressure turbine; incidences; front-loaded; boundary layer separation; profile loss

2017-03-26

西安航空學院校級科研基金資助項目(2017KY1230)

張宗辰(1994—)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事航空發動機氣動熱力學研究，E-mail:744493714@qq.com。

張宗辰,杜睆實，付海濤，等.非設計攻角對渦輪葉片葉型損失的影響特點分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(11):109-116.

formatZHANG Zongchen, DU Huanshi, FU Haitao,et al.Effects of Off-Design Incidences on Turbine Blade Profile Loss[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):109-116.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.016

V231.3

A

1674-8425(2017)11-0109-08