葉尖間隙對渦輪性能影響的試驗研究

谷雪花，郝晟淳，張東海，盧俊崧

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

渦輪葉尖間隙對渦輪的流場結構、流場品質有著重要影響[1-3]，從而對渦輪效率、發動機推力和油耗產生重大影響，進而影響到航空發動機的經濟性和可靠性[4-6]。研究結果表明，葉尖間隙與葉高之比每增加1%，渦輪效率就會降低約0.8%～1.2%，發動機的耗油率增加約2%[7]。為了揭示渦輪轉子內部的流場結構，國外開展了大量的試驗研究工作[8-9]，分析了葉尖間隙對渦輪性能的影響規律[10-12]、對渦輪效率的影響因素[13-14]。國內綦蕾等[15-16]學者也在葉尖間隙對渦輪的性能影響方面開展了相關的試驗研究。

本文基于某型發動機高壓渦輪性能試驗，在中國首次實現了高壓渦輪第1、2 級葉尖間隙的分級和主動調控，進行各級葉尖間隙對高壓渦輪級性能的影響試驗，獲取渦輪效率、換算流量、換算功率以及出口流場隨間隙的變化規律，為深入探索某型發動機高壓渦輪性能提供依據。

1 試驗設備

可用于全尺寸動力渦輪、低壓渦輪、高壓渦輪性能試驗的試驗器主要性能參數見表1。

2 試驗方法

壓縮氣體自氣源站經過濾、干燥、流量調節后進入孔板測量其流量，然后經進氣調節進入渦輪，作功后或經環形引射器抽吸后排入大氣。試驗過程控制方法如下：

表1 渦輪試驗器參數

（1）試驗狀態控制。通過調節進氣管路上閥門開度調節進氣壓力；通過調節渦輪出口排氣閥門開度調節抽吸壓力；通過調節水力測功器進、排水閥門開度控制轉速；通過調節空氣系統閥門改變主氣與冷氣的流量比，到達預定狀態后，即可采集所有測試參數。

（2）葉尖間隙控制。高壓渦輪機匣單元體間隙調節原理如圖1 所示。第1、2 級中層機匣采用盒型整環結構，盒型結構內腔通有加熱氣，通過控制加熱氣的溫度控制中層機匣的變形，隨中層機匣徑向位移調整葉尖間隙。

圖1 葉尖間隙調節原理

（3）測試布置。高壓渦輪測試截面布置如圖2 所示。從圖中可見，渦輪導向器進口A-A 測量截面布置有總溫測試探針、總壓測試探針，B-B 截面周向均布壁面靜壓探針，渦輪轉子出口C-C 測試截面布置總溫、總壓、壁面靜壓、氣流方向探針。總溫、總壓、氣流方向探針沿徑向測點的分布均采用等環面方式布置，各探針沿周向均布。第1、2 級渦輪動葉葉尖沿周向各均布4 支傳感器，實時測量間隙動態變化值。各測試參數測量精度見表2。從表中可見，傳感器的測試精度高，測量的參數可靠，可滿足渦輪效率、換算流量等數據的誤差要求。

圖2 各探針布置截面

表2 試驗參數測量精度

3 試驗結果及分析

單獨調控第1、2 級葉尖間隙至某數值后，會保持在一個穩定狀態。為探究第1、2 級相對葉尖間隙分別對渦輪性能的影響規律，并比較二者的影響因子，分別進行第1、2 級相對葉尖間隙ΔR 變化時渦輪性能變化規律的試驗研究，ΔR＝R/h×100，其中，R 為葉尖間隙值，h 為葉高，R 的設計變化范圍為0.3～2.0 mm。葉尖間隙變化測試工況見表3。

表3 各級葉尖間隙變化測試矩陣

3.1 葉尖間隙對渦輪效率的影響

試驗獲得的第1、2 級葉尖不同間隙值下渦輪效率見表4，渦輪效率隨渦輪第1、2 級葉尖間隙的變化分別如圖3、4 所示。

表4 各試驗工況下的渦輪效率

從圖3 中可見，在第2 級葉尖間隙不變的前提下，當第1 級相對葉尖間隙由0.65 增大至0.96 時，渦輪效率降低0.16%，當相對葉尖間隙值再增大至1.54時，渦輪效率降低0.38%。從圖4 中可見，在第1 級葉尖間隙不變的前提下，當第2 級相對葉尖間隙由0.42增大至0.65 時，渦輪效率降低0.29%，當相對葉尖間隙值再增大至0.96 時，渦輪效率降低0.21%，渦輪效率降低趨勢變緩。

綜合考慮渦輪效率隨第1、2 級葉尖間隙的變化情況進行等效換算可知：

（1）當第1 級渦輪相對葉尖間隙增大1%時，渦輪效率降低約0.58%；當第2 級渦輪相對葉尖間隙增大1%時，渦輪效率降低約0.69%；第2 級葉尖間隙變化對效率的影響更明顯。

（2）渦輪效率隨葉尖間隙的變化規律并非線性。依據獲取的試驗數據可知，當第1 級動葉相對葉尖間隙在0.9～1.5 范圍內、第2 級動葉相對葉尖間隙在0.4～0.6 范圍內變化時，對渦輪效率的影響較明顯。間隙變化對效率的影響存在1 個敏感區：在敏感區內，渦輪效率隨葉尖間隙的變化較明顯，在敏感區外，葉尖間隙變化對渦輪效率影響較小。

通過分析可知產生這種規律的機理為：在敏感區內，隨著葉尖間隙的增大，氣流泄漏量增加，降低了渦輪的有效作功能力；同時泄漏的氣體在渦輪周圍形成氣流場，降低了渦輪葉片葉盆與葉背的氣壓差。這2種因素導致葉尖間隙增大時渦輪效率降低。當葉尖間隙增大到一定程度時，氣流泄漏量和氣流場對渦輪葉片壓差的影響接近飽和狀態，進而會出現在敏感區之外葉尖間隙變化對渦輪效率影響減小的現象。

3.2 葉尖間隙對流量特性的影響

渦輪換算流量隨第1、2 級葉尖相對間隙的變化分別如圖5、6 所示。從圖5 中可見，當1 級動葉相對葉尖間隙由0.65 增大至1.54 時，渦輪換算流量增加了0.4%；當第2 級動葉相對間隙由0.43 增大至0.99時，渦輪換算流量增加了0.1%。隨間隙值的增大，換算流量略有增加，其主要原因是當渦輪葉尖間隙增大時，葉尖處氣流的泄漏量增加，葉尖流速增大，從而使渦輪流通能力提高。

圖5 渦輪換算流量隨第1 級相對葉尖間隙的變化

圖6 渦輪換算流量隨第2 級相對葉尖間隙的變化

3.3 葉尖間隙對出口流場的影響

在不同的第1 級動葉相對葉尖間隙下，出口總壓、總溫、氣流角沿徑向的分布分別如圖7～9 所示。從圖中可見，在不同的相對葉尖間隙下，從葉根到葉尖各參數分布趨勢較為一致，葉尖間隙變化對各參數沿徑向的分布基本無影響。

在不同的第2 級動葉相對葉尖間隙狀態下，出口總壓、總溫、氣流角沿徑向的分布分別如圖10～12 所示。與第1 級動葉變間隙狀態相似，出口總壓、總溫的分布趨勢基本一致，但在葉尖處的測點有輕微差異，尤其出口角度受第2 級動葉葉尖相對間隙的影響較為明顯，且隨著間隙的增大，出口角度與主流區的氣流角差異變大。

圖7 出口相對總壓隨第1 級相對葉尖間隙的變化

圖8 出口相對總溫隨第1 級相對葉尖間隙的變化

圖9 出口氣流角隨第1 級相對葉尖間隙的變化

圖10 出口相對總壓隨第2 級相對葉尖間隙的變化

圖11 出口相對總溫隨第2級相對葉尖間隙的變化

圖12 出口氣流角隨第2 級相對葉尖間隙的變化

4 結論

通過葉尖間隙對渦輪性能影響的試驗研究，得出如下結論：

（1）隨著渦輪葉尖間隙的增大，渦輪效率逐漸降低，相對葉尖間隙每增大1%，渦輪效率約降低0.58%～0.69%。且間隙對效率的影響存在1 個敏感區，在敏感區內，效率受間隙變化的影響較明顯；在敏感區外，間隙對效率的影響減弱，其主要原因為：在敏感區內，隨著葉尖間隙的增大，氣流泄漏量多，降低了渦輪的有效作功能力；當葉尖間隙增大到一定程度時，氣流泄漏量對渦輪葉片壓差的影響接近飽和狀態，減小了對渦輪效率的影響作用。

（2）隨著葉尖間隙的增大，渦輪換算流量略有增加，其主要原因為：當葉尖間隙增大時，葉尖處氣流的泄漏量增加，葉尖流速增大，從而使渦輪流通能力提高，且隨著葉尖間隙的增大，葉尖部位的氣流角與主流區的氣流角度差異增大。