非軸對稱端壁設計的高負荷渦輪氣熱性能研究進展

李 軍 ，宋立明，孫 皓，郭振東

（1.西安交通大學葉輪機械研究所，西安710049；2.先進航空發動機協同創新中心，北京100191；3.重慶通用工業（集團）有限責任公司，重慶401336）

0 引言

高端裝備自主化的國家重大需求和對高性能燃氣輪機和航空發動機越來越高的技術經濟性要求推動了氣動設計的不斷發展，先進的燃氣輪機和航空發動機通流精細化設計可顯著提高渦輪的熱功轉換效率和運行安全性。向更高溫度、更高壓力方向發展的燃氣輪機和航空發動機要求熱功轉換的關鍵部件渦輪葉片具有優良的氣動效率[1]。

渦輪進口溫度和壓力的升高在提高了燃氣輪機和航空發動機能量轉換效率、降低了熱耗率的同時，也推動了渦輪向高功率方向發展。為保持渦輪結構的緊湊性，減輕其質量，同時降低渦輪的制造成本，對渦輪采用高負荷葉型設計。葉型負荷的提高，意味著葉柵通道中周向壓力梯度的增強和端壁二次流強度的增加，從而引起二次流損失的增加。對于具有小展弦比和高負荷特性的燃氣渦輪第1級靜葉，50%以上的氣動損失來源于二次流損失[2]。減少二次流損失是現代高負荷渦輪設計的難點和熱點問題。

在高負荷渦輪葉柵減少二次流損失的端壁設計方面，Dossena等[3]通過軸對稱端壁成型來減少高壓導葉的二次流損失，其幾何造型的特點是采用收縮性通道，葉片通道進、出口速度比增大，從而改變葉片根部載荷分布，以此減少二次流損失，但是這種方法在減少二次流損失的同時，有可能造成中葉展負荷的增加，導致型面損失增大，局部氣動性能惡化；王仲奇和鄭嚴[4]、Sonoda等[5]采用彎葉片通過形成“C”型壓力分布，達到降低葉片端部的載荷，減小周向壓力梯度和二次流損失；Rose[6]率先提出采用非軸對稱端壁造型來減少二次流損失，其基本原理是在吸力面附近形成凹面，而在壓力面附近形成凸面，從而改變當地流場的速度和壓力分布，抑制二次流發展。

非軸對稱端壁造型結合3維葉片設計由于在減少二次流損失和提高葉柵出口氣流角均勻度方面的特點而受到重視[7-8]，在現代燃氣輪機和航空發動機高負荷渦輪設計中得到應用。本文簡要介紹了渦輪葉柵中的二次流模型，給出了非軸對稱端壁設計方法。在此基礎上綜述了非軸對稱端壁設計的高負荷渦輪氣動性能和傳熱特性的研究和應用進展及需要繼續深入開展的工作，旨在為高性能渦輪精細化氣動設計提供借鑒。

1 高負荷渦輪非軸對稱端壁設計

1.1 二次流模型

非軸對稱端壁造型技術減少二次流損失的出發點基于對二次流產生和發展機理的深入認識。在渦輪中，二次流定義為方向與主流方向不同的流動，但不包含間隙泄漏流。在渦輪葉柵中，二次流作為1種十分復雜的流動，包含馬蹄渦、通道渦、角渦和尾跡脫落渦等渦系，其強度和葉片的轉折角、負荷以及進口邊界層的狀態等多種因素有關[9-10]。Vogt和ZiPPel[9]所提出的二次流模型較為系統和全面，如圖1所示。

在前緣附近，進口邊界層接近滯止狀態，邊界層中的總壓梯度轉化為徑向壓力梯度，在其作用下，進口邊界層在前緣附近即鞍點位置分離，形成馬蹄渦壓力面分支和吸力面分支。馬蹄渦形成的意義在于把進口邊界層中的周向渦量轉化為流向渦量。

圖1 Vogt和Zippel提出的二次流模型[9]

在葉柵通道中，馬蹄渦的壓力面分支在周向壓力梯度的作用下向吸力面運動，到達吸力面時形成通道渦。進口邊界層在吸力面馬蹄渦附近分離，被卷入通道渦中并成為通道渦的損失核心。同時，在壓力面馬蹄渦對應的分離線后的端壁面上形成新的邊界層，在周向壓力梯度的作用下，這部分低能流體不斷進入通道渦中并增強了通道渦，被稱為周向次流。馬蹄渦吸力面分支靠近吸力面運動，旋轉方向與通道渦相反，其空間位置受通道渦強度的影響，在和其它流體的摻混中不斷減弱。在端壁和吸力面交界處，受通道渦的影響，還會誘發出角渦，其空間尺寸較小，方向和通道渦相反，強度與葉型轉折角有關。

在尾緣附近的低雷諾數條件下，在擴壓區逆壓梯度的作用下，會出現吸力面邊界層流動分離現象，從而在尾緣附近形成回流區。在環形葉柵中，在尾緣附近的徑向壓力梯度的作用下，受通道渦的影響，會誘發出與通道渦反向的尾跡脫落渦，二者相互作用形成出口面上的高損失區。

Denton[2]指出：二次流所引起的氣動損失主要源于和主流的摻混以及端壁邊界層內的摩擦損失。同時，二次流渦系會在葉柵出口引起氣流角的過偏轉和欠偏轉現象，引發下游相鄰葉排進口的正攻角和負攻角現象，從而導致攻角損失的增加并引起渦輪氣動性能的降低。

通道渦是葉柵通道內部二次流主要流動形態，進口邊界層越厚，葉片載荷越高，葉型轉折角越大，通道渦的強度越大。因此，就二次流的控制技術來說，葉片彎曲、傾斜和非軸對稱端壁設計這些方法的著眼點都在降低葉片的載荷上，即通過減弱葉柵通道中的周向壓力梯度，以達到減少進入通道渦內的周向次流，抑制通道渦發展的目的。

基于渦輪葉柵二次流產生機理，減小葉柵端壁面橫向壓力梯度，抑制從壓力面向吸力面的橫向流動，可以減少二次流損失，特別是高負荷渦輪葉柵的橫向壓力梯度增大的情況。

1.2 非軸對稱端壁造型方法

端壁造型方法是非軸對稱端壁技術能否在應用中取得良好效果的關鍵，其基本原理是：當端壁形成凸面時，由于流線的彎曲，當地流場的速度提高，壓力降低；反之，當端壁形成凹面時，當地流場的速度降低，壓力提高。

國內外科研人員提出和發展了不同的非軸對稱端壁造型設計方法。Rose[6]提出了基于傅里葉級數法的非軸對稱端壁造型方法。在6個不同的軸向位置通過3階傅里葉級數生成端壁面的徑向位移擾動，即在周向根據傅里葉級數生成曲線，并沿流向通過B樣條曲線把不同軸向位置的曲線聯結起來，從而生成1個非軸對稱端壁面。

Nagel等[11]提出了基于衰減函數法的非軸對稱端壁造型方法?？臻g曲面由沿流向的衰減函數和周向的余弦函數疊加而成，每個非軸對稱端壁面包括15個設計變量。吸力面和壓力面上的衰減曲線，均由2個B樣條或者NURBS曲線生成，每個樣條曲線生成1個“波峰”或者“波谷”，并由1個參數來控制“波峰”和“波谷”的平坦度。在周向方向，吸力面和壓力面上的樣條曲線通過1個正余弦半周期或全周期函數聯結在一起。

李國君等[12-13]提出了三角函數法和壓差端壁造型法，并根據這些方法針對渦輪葉柵進行了非軸對稱端壁設計，對流場進行了數值和試驗研究。其中三角函數法利用了正余弦函數自身具有的單調、連續的特點，而壓差端壁造型法則根據流場內壓力面和吸力面之間的壓力差來決定端壁造型幅度。

非軸對稱端壁造型方法可以分為2類：第1類是利用優化方法來設計渦輪葉柵端壁，要求對應的非軸對稱端壁造型方法能夠勾畫出各種形狀的端壁形式，也即具有完整的優化空間，如上文提及的傅里葉級數法、衰減函數法以及NURBS方法。這類方法的缺點是在周向和軸向的定義形式過于繁瑣，導致優化設計變量過多，端壁造型的設計周期較長。

第2類方法則是在充分理解和掌握葉柵流場特性以及非軸對稱端壁造型機理的基礎上，根據流場的特點按照合理的端壁造型方法來設計非軸對稱端壁。具有代表性工作如李國君等所采用的三角函數法[12]，鄭金等提出的壓差端壁造型法[13]。其優點是設計周期短、調整靈活；缺點是這些方法對設計者自身的專業水平要求較高，不利于非軸對稱端壁技術在渦輪通流設計中的廣泛應用。

孫皓等[14-15]提出了基于控制型線曲率分布與壓力變化和二次流強度關聯的渦輪非軸對稱端壁造型方法——雙控制型線法。非軸對稱端壁造型如圖2所示。在周向，控制型線直接采用正余弦半周期或者全周期函數，從而在吸力面附近形成端壁凹區，以提高這一區域的壓力，而在壓力面形成凸起區域，以減小這一區域的壓力。在軸向，根據控制點的坐標值生成B樣條曲線，在某一軸向位置，軸向控制型線的徑向位置即為周向控制型線的幅值，從而決定了端壁凹區和凸區的造型幅度。孫皓等提出的非軸對稱端壁造型方法在軸向B樣條控制點采用5個即可，且控制點軸向位置不變只沿葉高方向調整，因此，如果周向控制型線采用半周期函數時，每個端壁面只有5個設計變量。與傅里葉級數法采用1階形式（12個參數）相比，設計變量減少了58%，而與衰減函數法（15個參數）相比，設計變量減少了66%。設計變量的減少必然極大地提高優化設計的效率，縮短葉柵非軸對稱端壁的設計周期。

圖2 非軸對稱端壁造型方法[14]

非軸對稱端壁造型方法是減少高負荷渦輪葉柵二次流損失，實現工程應用的基礎。非軸對稱端壁設計方法的進步極大地促進了高負荷渦輪氣動性能的提高。

2 高負荷渦輪非軸對稱端壁氣熱性能

高負荷渦輪葉柵氣動性能的提高在減少二次流損失的同時，對于端壁面提出了需要優良傳熱冷卻性能的要求。因此高負荷渦輪葉柵非軸對稱端壁設計在氣動性能和傳熱冷卻特性方面需要綜合考慮才能實現工程應用。

2.1 非軸對稱端壁渦輪葉柵的氣動性能

非軸對稱端壁設計需要掌握高負荷渦輪葉柵二次流發展和損失生成機理，才能切實可靠地實現抑制二次流發展，減少流動損失，提高氣動性能。Coull[16]在保持展弦比和進口邊界層厚度一定時采用數值模擬方法研究了氣流角、葉型厚度、吸力面升力等對直列葉柵端壁損失的影響。研究結果表明端壁損失主要包括端壁邊界層耗散損失和二次流損失。

自Rose[6]提出非軸對稱端壁設計減少葉柵二次流損失的概念以來，科研人員在直列葉柵中進行了設計和試驗驗證。Duden等[17]對高負荷渦輪葉柵進行了非軸對稱端壁設計，并采用直列葉柵試驗和3維數值計算對非軸對稱端壁造型葉柵的氣動性能和流場特性進行了分析。研究結果表明：非軸對稱端壁設計可以大幅度降低二次流損失，但是型面損失和進口損失的增加平衡掉了減小的二次流損失。非軸對稱端壁設計由于改變了二次流流動進而明顯地降低了葉柵出口氣流角的偏差。非軸對稱端壁設計在多級渦輪中具有潛在的提高效率的優勢。

Harvey等[18]和Hartland等[19]Durham直列葉柵完成了非軸對稱端壁設計并進行了試驗驗證。試驗測量結果指出非軸對稱端壁設計的葉柵總壓損失系數相比于軸對稱端壁設計從0.1377減小到0.1108。而數值計算結果高估了非軸對稱端壁設計減少二次流損失的能力。Hartland等[19]試驗研究了非軸對稱端壁設計的Durham直列葉柵的氣動性能。試驗測量結果表明非軸對稱端壁設計的葉柵降低了葉柵出口二次流的強度和獲得了更加均勻的葉柵出口氣流角。Gregory-Smith等[20]發展了針對Durham葉柵的非軸對稱端壁造型方法，采用直列葉柵試驗和3維RANS方法驗證了發展的非軸對稱端壁設計方法可以有效地減少二次流強度和損失。

Nagel等[11]采用發展的非軸對稱端壁設計優化方法進行了直列葉柵端壁造型設計，并采用試驗測量的方法驗證了非軸對稱端壁設計減少葉柵二次流損失的有效性。Corral等[21]提出了基于Adjoint方法的減少二次動能為目標函數的葉柵非軸對稱端壁優化設計方法。優化設計得到的非軸對稱端壁低壓渦輪靜葉的結果表明：Adjoint優化設計方法可以快速獲得非軸對稱端壁設計，優化獲得的非軸對稱端壁葉柵減少了二次流損失，提高了氣動效率。

Ingram等[22]針對Durham直列葉柵非軸對稱端壁設計開展了試驗測量和數值模擬研究，發現了非軸對稱端壁設計在近吸力面通道中的流動分離現象。定常RANS求解方法很難獲得非軸對稱端壁設計近端壁面的復雜紊流。Ingram等[23]采用直列葉柵試驗和3維RANS方法對比分析了軸對稱和非軸對稱端壁設計的葉柵氣動性能，旨在量化非軸對稱端壁獲得減小二次流損失的收益。直列葉柵試驗結果指出非軸對稱端壁設計相比于參考葉柵能夠減少二次流損失31%，但是3維RANS結果卻沒有這么明顯地提高。結果指出葉柵通道中轉捩流動不會影響端壁造型，3維RANS在預測二次流損失精度方面需要提高。

劉波等[24]和高增珣等[25]采用發展的非軸對稱端壁造型方法開展渦輪葉柵端壁設計，數值驗證了非軸對稱端壁能夠減少二次流損失。Taremi等[26]在跨聲速直列葉柵試驗臺上研究了非軸對稱端壁設計對其氣動性能的影響。測量了軸對稱和非軸對稱端壁跨聲速葉柵的負荷分布、總壓損失系數和二次動能分布。研究表明非軸對稱端壁設計弱化了二次流與葉片吸力面邊界層的相互作用。非軸對稱端壁能夠使得葉柵具有更小和更弱的渦系結構，進而導致葉柵的二次動能和出口氣流角變化減弱。Sun等[27-28]提出了基于曲率分布與壓力場和二次流強度關聯的雙控制型線渦輪葉柵非軸對稱端壁設計方法。建立了結合全局優化方法自適應差分進化算法、非軸對稱端壁造型和氣動性能評價方法于一體的渦輪葉柵和渦輪級非軸對稱端壁優化設計系統，完成了渦輪葉柵和渦輪級的非軸對稱端壁優化設計，并試驗驗證了所提出方法的有效性。

趙剛劍等[29]采用端壁參數化、3維氣動性能評價方法和基于人工神經網絡的遺傳算法優化設計了渦輪導葉，優化結果表明非軸對稱端壁設計的導葉總壓損失系數降低了3.724%。Luo等[30]采用伴隨方法優化設計了渦輪葉柵非軸對稱端壁型線。在降低優化設計時間的同時，Luo的優化方法獲得的葉片在設計工況和非設計工況均具有更高的氣動性能。

2.2 非軸對稱端壁與葉片聯合設計的葉柵氣動性能

結合3維彎曲葉片和非軸對稱端壁聯合設計進一步提高渦輪葉柵氣動性能不僅可以減少二次流損失，還可以優化葉片負荷分配。在高負荷渦輪葉柵設計中得到重視和發展。

Bagshaw等[31]提出采用葉片反向彎曲、非軸對稱端壁造型和端壁面葉型聯合設計方法來減少二次流損失，提高高負荷葉片氣動性能。數值模擬結果表明相比Durham，總壓損失系數減小了7%。Bagshaw等[32]在直列葉柵風洞試驗臺上測量了采用反向彎曲和非軸對稱端壁設計的葉柵氣動性能，試驗獲得了靜壓分布和葉片表面和端壁的流型。結果表明相比于參考Durham，采用反向彎曲和非軸對稱端壁設計的渦輪葉柵總壓損失系數從0.156減小到0.131。

Praisner等[33]基于CFD和梯度優化方法針對典型負荷和2個高負荷的渦輪葉柵進行了非軸對稱端壁設計。數值模擬和試驗測量結果表明：非軸對稱端壁設計能夠有效地減少端部損失。前加載高負荷渦輪葉柵采用非軸對稱端壁設計能夠更加有效地提高其氣動性能。非軸對稱端壁設計的高負荷渦輪葉柵的損失相比于初始設計減少5%。論文同時指出需要更加精確的CFD方法來獲得非軸對稱端壁設計的渦輪葉柵流動細節，進而掌握減少端壁損失機理。

林智榮等[34]采用改進的余弦函數和Bezier樣條曲線的非軸對稱端壁造型方法，基于iSIGHT軟件實現了葉型與端壁聯合成型，優化后絕熱效率提高了約0.43%。

郭振東等[35-36]建立了非軸對稱端壁和3維葉片聯合優化方法，實現了3維葉型和非軸對稱端壁整體設計，最優設計綜合了反彎設計和非軸對稱端壁設計。試驗測量的參考葉片和非軸對稱端壁與葉片聯合優化得到的葉片如圖3所示。試驗和數值計算的參考葉片與非軸對稱端壁和葉片聯合設計的葉片總壓損失系數沿葉高分布的比較如圖4所示。數值優化結果相對參考設計提高了0.41%；試驗最優設計相對參考設計提高了0.5%。在扇形葉柵試驗臺上驗證了所完成的非軸對稱端壁與葉片聯合設計結果的有效性。

圖3 軸對稱端壁和非軸對稱端壁/葉片聯合優化[35]

圖4 出口截面總壓系數沿葉高分布[36]

2.3 考慮動、靜間隙射流的渦輪級氣動性能

渦輪葉柵端壁二次流的發展不僅受到上游葉柵尾跡的影響，還受到靜葉-動葉或者動葉-靜葉之間輪緣密封間隙射流的影響。輪緣密封射流強烈影響端壁二次流的發展。Brennan等[37]針對Trent500發動機高壓渦輪的靜葉和自帶圍帶的動葉進行了非軸對稱端壁設計。直列葉柵試驗結果表明非軸對稱端壁設計通過減少二次流損失而提高靜葉效率0.24%和動葉效率0.16%。采用非軸對稱端壁后，級效率提高的原因主要來自于2方面。一方面，靜葉根、頂部和動葉根部二次流受到抑制，氣動損失減少；另一方面，二次流所產生的靜葉氣流不均勻性，即過偏轉和欠偏轉現象得到緩解，動葉攻角損失減少。Knezevici等[38]在低速直列葉柵試驗臺上研究了非軸對稱端壁設計的渦輪葉柵氣動性能。非軸對稱端壁設計減小了近端壁面的橫向流動強度和葉片吸力面葉高方向的流動，減弱了通道渦，從而延遲了二次流的卷積。試驗測量結果表明應用非軸對稱端壁設計的葉柵可以減少二次流損失和二次動能。

Germain等[39]對1.5級渦輪進行了非軸對稱端壁設計。試驗測量結果指出通過非軸對稱端壁設計降低二次動能和二次流損失，能夠提高渦輪效率0.96%至1.04%。損失主要在第1列葉柵，但是非軸對稱端壁設計使得流場更加均勻，同樣對整體效率提高發揮了作用。Schupbach等[40]采用非定常試驗測量方法闡明了非軸對稱端壁設計提高總總級效率1.0%±0.4%的作用機理。結果表明：非軸對稱端壁設計明顯改善了第1列靜葉出口流場，使得第1列靜葉的葉根和葉頂區域的二次流減弱和損失減少以及降低了尾跡渦的強度。動葉損失降低和二次流減弱主要集中在葉根區域。在動葉出口由于二次流減弱導致流場更加均勻。

Schuepbach等[41]在1.5級高負荷渦輪試驗臺上研究了輪緣密封射流對非軸對稱端壁設計渦輪級氣動性能的影響。非定常試驗測量和數值計算結果指出考慮輪緣密封射流降低了渦輪級采用非軸對稱端壁設計提高總總效率的幅度，降低了非軸對稱端壁設計提高渦輪級總總效率的收益。Jenny等[42]試驗和數值研究了1.5級具有圍帶的渦輪級中輪緣密封射流在主流流動中的遷移和輸運機理。1.5級的靜葉和動葉端壁采用非軸對稱端壁設計，3種輪緣密封射流比的研究結果指出非軸對稱端壁設計的1.5級渦輪效率在1.0%的射流流量下降低1.3%。非軸對稱端壁設計可以降低輪緣密封射流敏感度18%。非軸對稱端壁設計能夠成功地減弱輪緣密封射流與葉柵端壁二次流的相互作用。

Schobeiri和Lu[43]基于所提出的連續擴散方法的非軸對稱端壁設計方法對1個3級試驗渦輪的第2級動葉端壁進行了設計。數值模擬結果表明非軸對稱端壁設計的第2級動葉氣動效率從88.82%提高至89.33%。

Poehler等[44]以渦輪級效率最大為目標函數對1.5級渦輪的第1級靜葉和動葉進行了非軸對稱端壁和3維葉片設計。對第1級靜葉的葉根和葉頂端壁進行非軸對稱端壁設計，對第1級無圍帶動葉葉根進行非軸對稱端壁設計（如圖5所示）。在Poehler等[44]非軸對稱端壁設計的基礎上，Niewoehner等[45]在1.5級試驗臺（如圖6所示）上進行了試驗驗證和數值分析。結果表明非軸端壁結合3維葉片設計可以提高級效率0.59%（如圖7所示）。第1級靜葉的非軸對稱端壁設計有效地改善了靜葉出口氣流角的均勻度，提高了下游動葉的氣動性能。

圖5 非軸對稱端壁和葉片聯合成型設計[44]

圖6 1.5級渦輪試驗臺圖片和測量面位置[45]

圖7 非軸對稱端壁與葉片聯合設計的效率提升[45]

Shahpar等[46]發展了基于Adjoint方法和可信度響應面模型的葉柵非軸對稱端壁設計方法。葉柵非軸對稱端壁設計考慮了靜葉與動葉間輪緣密封射流的影響。在一定輪緣密封射流流量和轉速下，優化設計得到的非軸對稱端壁渦輪級弱化了輪緣密封射流對渦輪級效率的影響，在葉片前緣上游的葉柵通道中采用非軸對稱端壁設計可以提高渦輪級氣動效率0.244%。Zimmermann等[47]在2級渦輪試驗臺（如圖8所示）上對比了非軸對稱端壁設計的2維葉片和3維傾斜葉片的氣動性能。不同非軸對稱端壁設計的總壓系數沿葉高的分布如圖9所示。結果指出2維葉片采用非軸對稱端壁提高了氣動效率。同時驗證了非軸對稱端壁設計在多級渦輪中仍然可以提高氣動效率0.96%。非軸對稱端壁設計影響了二次流并改變了通道渦的形成和葉片負荷。

圖8 2級渦輪試驗臺子午流道[47]

圖9 總壓損失系數沿葉高分布[47]

應用和發展非軸對稱端壁技術是減少渦輪葉柵二次流損失，提高高負荷渦輪氣動性能的有效途徑和合理選擇。關注葉片與端壁結合處的倒角影響，開展聯合成型設計綜合提高氣動性能是高負荷渦輪葉片精細化設計的發展方向[48]。

2.4 非軸對稱端壁設計的端壁傳熱特性

二次流所帶來的氣流不均勻性和高湍流度渦系不僅降低了靜葉的氣動性能，也導致形成端壁的高換熱系數區域。而非軸對稱端壁技術在降低二次流損失的同時，也對葉柵端壁的換熱特性有著顯著影響。

Saha等[49]采用數值方法對比了軸對稱和非軸對稱端壁設計的渦輪葉柵氣動和傳熱特性，指出相比于軸對稱端壁，非軸對稱端壁設計的葉柵總壓損失系數減小，同時平均傳熱系數減小8.0%。Lynch等[50]采用直列葉柵試驗研究了非軸對稱端壁的傳熱性能，表明非軸對稱端壁設計降低了渦輪葉柵通道渦的強度。相比于軸對稱端壁，在高傳熱區域，傳熱水平降低了20%。非軸對稱端壁設計的傳熱收益不受葉柵雷諾數變化的影響。

Lawson等[51]通過試驗測量和數值模擬的方法研究了顆粒沉積對端壁氣膜冷卻性能的影響。分析了軸對稱端壁和非軸對稱端壁氣膜冷卻性能，結果表明非軸對稱端壁設計減弱了固體顆粒在氣膜孔附近的沉積。顆粒沉積降低了軸對稱端壁50%的氣膜冷卻效率和非軸對稱端壁40%的氣膜冷卻效率。

Schobeiri等[52]針對3級試驗渦輪的第2級動葉進行了非軸對稱端壁設計（如圖10所示）。為了研究非軸對稱端壁設計對動葉端壁氣動性能和氣膜冷卻效率的影響，Schobeiri等在不同吹風比和轉速下的試驗結果表明，非軸對稱端壁設計可以提高氣動性能和端壁冷卻效率，但是數值結果高估了氣動性能（如圖11所示）。研究表明吹風比和轉速對端壁造型的氣膜冷卻效率具有重要影響。

圖10 非軸對稱端壁流動冷卻試驗臺[52]

圖11 氣動性能和冷卻效率比較[52]

Mensch等[53]基于直列葉柵端壁氣膜冷卻和射流冷卻復合冷卻結構，采用試驗和數值方法研究了非軸對稱端壁設計的總體傳熱性能。結果表明：非軸對稱端壁設計通過延遲通道渦和二次流的發展而降低了平均傳熱系數。因為非軸對稱端壁設計弱化了通道渦對端壁流動的影響，減弱了冷卻射流的摻混從而提高了端壁的氣膜冷卻效率。

Lynch和Thole[54]在直列葉柵試驗臺上，采用LDV(Laser Doppler Velocimeter)和OFI(Oil Film Interferometry)方法試驗對比了軸對稱和非軸對稱端壁設計的渦輪葉柵的3維邊界層流動。試驗結果表明非軸對稱端壁設計降低了大尺寸通道渦的強度，同時通過提高紊流度而增強了傳熱性能，揭示了渦輪葉柵通道端壁邊界層受到軸向和橫向流動方向的壓力梯度以及大尺寸通道渦作用而具有明顯3維特征，強烈影響端壁的傳熱和摩擦系數。

Puetz等[55]和Kneer等[56]針對渦輪靜葉設計了考慮輪緣密封射流的非軸對稱端壁葉型氣動性能和氣膜冷卻效率直列葉柵試驗臺。氣動性能試驗結果表明非軸對稱端壁設計影響葉型和端壁的壓力分布以及端壁流場，對靜葉端壁氣膜冷卻效率的影響由于改變了端壁的流場進而影響端壁的傳熱性能。

Panchai等[57]在跨聲速直列葉柵試驗臺上研究了出口馬赫數分別為0.71、0.88和0.95時以氣動最優、傳熱最優的非軸對稱端壁設計的葉柵和軸對稱端壁葉柵的傳熱性能（如圖12所示）。試驗結果表明無論氣動最優還是傳熱最優的非軸對稱端壁設計均可以明顯地降低平均傳熱系數約10%。端壁表面的Stanton數分布也表明在端壁的大部分區域降低了熱斑的幅值，但是試驗測量到在前緣附近具有提高的Stanton數值。試驗和數值結果均表明非軸對稱端設計能夠顯著地提高渦輪葉柵通道的傳熱性能。

圖12 氣動和傳熱性能最優的非軸對稱端壁設計[57]

2.5 非軸對稱端壁設計的變工況氣動性能

對非軸對稱端壁渦輪變工況特性的研究分為葉柵和渦輪級2種，Vazquez等[58]對具有高展弦比、高轉折角和高負荷特點的燃氣輪機低壓渦輪葉片進行了不同雷諾數（1.20～3.15）×105和馬赫數（0.5～0.9）條件下的變工況特性研究，研究表明：雷諾數通過改變邊界層的狀態來影響葉柵氣動損失，對非軸對稱端壁葉柵的效果影響有限。而馬赫數的變化則會引起葉片表面壓力的明顯變化，對于其在試驗中所采用的動葉葉型來說，在低馬赫數時，壓力分布趨向于前加載方式，而在高馬赫數時，葉片負荷變為后加載方式，靜壓分布形式與設計工況時相差較大，這是非軸對稱端壁減少氣動損失的作用“失效”的主要原因。

為評估非軸對稱端壁渦輪級在不同工況下的氣動特性，RR公司對Trent 500發動機高、中壓渦輪級在80%、100%和120%設計轉速下進行了試驗測試[59-60]。在設計轉速下，相對于軸對稱端壁渦輪級，非軸對稱端壁高壓渦輪級效率約提高0.5%，隨著輸出功率的變化，效率提高的變化幅度不大。中壓渦輪級在設計轉速下，級效率約提高1.0%，但在輸出功率大于設計值時，隨著渦輪級氣動性能的惡化，非軸對稱端壁減少氣動損失的效果明顯減弱。Snedden等[61]對非軸對稱端壁渦輪級在不同轉速下的氣動性能進行了試驗測量和數值模擬，結果表明當渦輪級負荷減小時，與軸對稱端壁渦輪級相比，效率提高的幅度有所增大。

目前，關于非軸對稱端壁渦輪變工況特性的研究工作還處于起步階段，已有的結論還需要進行深入研究。

3 結束語

科研人員采用直列葉柵、環形葉柵和旋轉渦輪級試驗驗證了非軸對稱端壁設計在減少渦輪葉柵二次流損失和提高氣動性能的有效性。非軸對稱端壁聯合葉片優化設計是現代高負荷渦輪氣動設計的關鍵技術。

非軸對稱端壁設計技術可以減少葉柵出口氣流角的偏轉，有利于減少下游葉柵的攻角損失。試驗和數值驗證在多級渦輪葉柵中采用非軸對稱端壁設計技術能夠提高渦輪整體氣動性能，降低了動靜間輪緣密封射流對渦輪氣動性能影響的敏感度。

直列葉柵和級試驗與數值模擬證明了非軸對稱端壁設計能夠提高端壁面的冷卻效率。非軸對稱端壁設計改善渦輪葉柵端壁面換熱主要集中在2個區域：在通道中部，由于非軸對稱端壁降低了周向壓力梯度，減弱了端壁上的周向次流，壓力面附近的換熱系數明顯降低；在吸力面后部，強度減弱的馬蹄渦和通道渦引起角渦強度的降低，也使得吸力面后部區域的換熱特性得到改善。

4 展望

高負荷渦輪非軸對稱端壁設計需要清楚掌握端壁面凹凸形式、葉片與端壁連接的倒角結構、壓力分布以及渦系強度變化之間的聯系，根據葉片表面的壓力分布對設計結果進行預測，優化設計非軸對稱端壁造型，這是掌握非軸對稱端壁設計在抑制通道渦發展，減少二次流損失的流動機理基礎上從實驗室走向工程應用必須開展的研究工作，包括可靠的數值模擬方法和精準的試驗測試技術。

在渦輪級非軸對稱端壁設計時，不僅需要考慮級效率的提高，還需關注級功率的變化。非軸對稱端壁在抑制通道渦的同時，一定程度上增大了喉部尺寸，改變了級反動度。非軸對稱端壁設計需要在級環境下考慮其對反動度、動葉攻角等級參數的影響，全面把握設計工況和變工況下非軸對稱端壁對級氣動性能的影響。闡明非軸對稱端壁設計對渦輪級設計工況和變工況性能影響作用機制。

渦輪進口參數的提高，需要對渦輪端壁的二次流損失減少的同時提高冷卻效率。開展考慮動靜間隙和端壁氣膜冷卻射流作用下動靜非定常相干時非軸對稱端壁設計的渦輪級氣熱性能和流熱耦合機理的研究，掌握非軸對稱端壁渦輪級氣熱性能耦合作用機制，發展綜合考慮氣動損失和冷卻效率的多學科非軸對稱端壁設計優化系統，實現高負荷渦輪級高效氣動和冷卻布局設計。

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