葉柵試驗技術綜述

凌代軍,代秋林,朱榕川,王 暉,趙建通

中國航發四川燃氣渦輪研究院,四川 綿陽 621000

0 引 言

葉片是現代航空燃氣輪機典型且重要的零件,是構成其核心部件——壓氣機和渦輪——的基礎。葉型性能直接決定壓氣機和渦輪部件性能,進而影響發動機推重比、耗油率等關鍵的性能指標。葉柵試驗是在空氣動力學試驗技術的基礎上為滿足葉型氣動性能試驗驗證需求而發展起來的一項試驗技術,已廣泛應用于高性能葉輪機械的葉型設計方法研究、葉型工程設計驗證、葉輪機內部流動機理探索和新技術驗證等環節。燃氣渦輪發動機80余年的發展表明,壓氣機和渦輪葉片葉型設計技術的每一次進步都促進了航空發動機性能的提升,也推動了葉柵試驗技術的進步和發展;同時,葉柵試驗技術的發展和完善也為葉型設計技術進步和燃氣輪機產品性能提升提供了有力支持。

1 葉柵試驗技術發展歷史

1.1 葉柵試驗發展的技術背景

時至今日,在輪轂和機匣環面邊界內,對具備轉-靜干涉特征的葉輪機多葉片排內流場特性進行試驗測試研究,依然是一件復雜困難的工作。在航空燃氣輪機發展初期,葉輪機內流氣動熱力學理論體系尚未完全建立,更不具備計算機建模和CFD仿真條件,試驗研究成為獲取葉輪機性能、驗證設計結果、進行內流機理探索的核心技術手段。在這個階段,葉型設計的半經驗特性更是讓平面葉柵試驗成為獲取并驗證葉型性能的主要途徑。

航空發動機葉型設計最初源于孤立的飛機翼型和螺旋槳葉型設計。平面葉柵(Plane cascade)是用圓柱/圓錐面切割壓氣機/渦輪葉片排后周向展開、二維拉伸而形成的(圖1),試驗件葉片沿葉高型面相同,也稱為線性葉柵(Linear cascade)。平面葉柵試驗以有限、直線排列的葉片模擬葉輪機截面周向展開流場,通過吹風試驗獲取葉型性能參數和葉片間流場特征,進而研究不同葉型性能以及葉型幾何、氣動參數對性能的影響規律,為葉型設計理論研究和工程設計驗證提供支撐,是葉輪機內流氣動熱力學領域的基礎性試驗技術[1-2]。

圖1 葉柵原理示意圖Fig.1 schematic diagram of cascade

1.2 葉柵試驗技術發展的作用

自20世紀40年代航空燃氣輪機問世以來,基于大量平面葉柵吹風試驗建立的葉柵性能試驗數據庫已成為國際上各航空發動機公司設計體系的技術核心[3-5]。世界航空動力強國在其航空發動機技術和產品研究中都進行了大量、成系列的葉柵試驗,形成了較為完善的葉型設計和試驗體系[6],并通過建設數據庫對大量葉柵試驗和設計數據進行管理和應用,為其在該領域領先的技術和產品奠定了堅實的基礎,如美國NACA-65、俄羅斯BC-6、英國C-4葉型系列。這時的平面葉柵試驗以二維、定常流動為基礎,重點研究葉型幾何參數(曲率、厚度分布、安裝角、幾何構造角、稠度、葉片前緣和尾緣形狀等)、氣動參數(攻角、馬赫數、負荷等)對葉型性能的影響。

在航空燃氣輪機葉型研究中,壓縮部件葉型設計經歷了常規亞聲速葉型,適應超、跨聲速需求的雙圓弧葉型,多圓弧葉型,優化設計葉型的演變,壓氣機壓比、效率和穩定性得到了快速提升(圖2);在渦輪葉型設計方面,經葉柵試驗驗證和完善起來的跨聲速高負荷葉型設計、計入葉片流道內的冷氣-主流摻混氣動損失模型以及考慮二次流控制及影響的葉型設計為渦輪部件性能提升奠定了基礎[7-11]。事實上,壓氣機、渦輪葉型設計與試驗技術已成為航空發動機和燃氣輪機氣動性能提升最重要的技術推動力。

圖2 葉型設計對壓氣機壓比和效率影響趨勢Fig.2 The influence of profile design on compressor pressure ratio and efficiency

1.3 葉柵試驗技術現狀

因航空發動機和燃氣輪機在軍事和工業領域有著十分重要的意義,美、俄、英、法等國家的航空航天研究院、企業和高等院校在技術研究過程中都建設有為數不菲的葉柵試驗設施,其功能和技術指標可滿足從基礎理論、應用研究到工程設計驗證的全技術流程,對應的吹風速度涵蓋低速、亞聲速、跨聲速和超聲速領域。

葉柵試驗技術已廣泛應用于航空發動機、地面/艦船用燃氣輪機、蒸汽輪機等葉輪機械產品的葉型研發工作中。當前,常規的葉柵試驗技術以雷諾數自模、定常、均勻來流吹風為典型特征。根據吹風速度可分為低速、亞聲速、跨聲速和超聲速試驗;根據研究目標和內容可分為葉型性能試驗和葉柵流場特征測試試驗。

隨著葉輪機內流氣動熱力學理論的發展和葉輪機設計技術的進步,葉輪機氣動設計向黏性、三維、非定常領域發展,現代葉柵試驗需要從關注氣動、幾何參數對葉型總性能的影響,延伸至關注引起葉型性能變化的流動機理研究、流場結構特征測量與診斷以及性能演變規律與分析等研究領域。葉柵試驗技術也需要從傳統二維、雷諾數自模、定常流動的平面葉柵試驗向更真實流動環境模擬平面葉柵、扇形/環形葉柵的領域拓展。

2 葉柵試驗技術研究進展

2.1 葉柵試驗流場周期性

葉柵試驗本質上是多葉片試驗件的吹風,以有限數量直線排葉片模擬真實葉片周期工作條件。流場周期性是試驗數據準確可信的前提和基礎。根據葉柵試驗相似原理和準則,至少需要保證3個葉片通道具有較好的周期性(葉片流道進口、葉片槽道、出口流場對應點速度矢量在允許的偏差范圍內相等),以實現在幾何相似的條件下確保葉柵流場的運動相似和動力相似。

相對于常規外流風洞壁面軸向等長的特點,葉柵試驗攻角的模擬方式決定了大部分工況下試驗段流道上、下壁面會出現一定長度差ΔL,從噴管出口到各葉片前緣的側壁長度不同(圖3),尤其是在小進口氣流角(額向)條件下這種影響更甚。總體來說,影響葉柵流場周期性的因素包括:

圖3 葉柵試驗段上下駐室面長度偏差示意圖Fig.3 Schematic ofthe ceiling length difference of the cascade test section

1)試驗件葉片數量(傳統要求不小于5～7片);

2)葉柵進口前流道固體壁面長度不同會引起各通道固體壁面附面層發展不均衡;

3)柵前來流率先在試驗件上部的頭葉片前緣出現繞流加速或激波(超聲條件下),對相鄰下一葉片進口流場造成干擾;

4)試驗段側壁、葉片端面、導流板與頭末葉片間漏氣;5)試驗段流場內的結構件對流場的干擾。

由于流場周期性是葉柵試驗的基礎性要求,國內外學者在葉柵試驗流場周期性模擬和調控方面開展了大量的研究工作[12-17],主要包括:

1)在試驗件結構設計方面,增加試驗件葉片數、增大葉片展弦比(h/b),可以有效地提升周期流場品質,降低端壁渦系和附面層對葉柵中截面周期流場的影響。對于高負荷葉型,試驗件葉片數量從常規的5～7片,增加到10片以上,國外部分超跨聲速葉柵試驗葉片數甚至超過15片,其周期流場通道數量和質量都顯著提升;

2)通過試驗段上、下駐室和側壁附面層抽吸、微擴流道調節,控制和削弱附面層發展對流場周期性的影響,可采取多腔獨立控制抽氣方式進行控制;

3)通過采用充氣密封、提升葉片端面加工精度等方式降低或消除漏氣對流場周期性的干擾;

4)通過探針安裝及驅動改進、試驗段駐室位置調整及修型、探針槽封堵等方式減小和消除結構件對流場的干擾;

5)通過尾板長度、型面以及角度調整改善試驗流場周期性。

在壓氣機和渦輪葉型試驗中,根據流場特征不同,一般前者更注重考核葉柵進口流場周期性、后者更關注葉柵出口流場周期性。可輔助判斷流場周期性的參數包括:

1)柵前(壓氣機葉柵)、柵后(渦輪葉柵)壁面靜壓分布;

2)各葉片通道紋影圖像;

3)葉片表面壓力分布;

4)葉柵尾跡測量參數;

5)葉片表面油流顯示圖。

2.2 流場二元性影響與模擬

根據試驗原理,平面葉柵試驗主要研究和驗證葉片某一截面的葉型性能,不考慮葉片排子午流道沿徑向的擴張和收斂對葉片間流動特征和葉型性能的影響。平面葉柵試驗件以等徑向截面直葉片和平行柵板端壁為典型特征。軸向速度密度比(Axial Velocity Density Ratio,AVDR)在葉柵試驗初期是試驗流場二元性及數據有效性的重要判據,理論上平面葉柵試驗AVDR＝1．00左右,真實試驗中因附面層影響,AVDR＞1．00。早期壓氣機級壓比較低,葉型負荷不高,在展弦比(h/b＞2．00)條件下,端壁附面層發展形成通道徑向收斂與葉型真實工作流場子午面收斂偏差不大,對葉柵中截面流場影響可忽略,葉柵流場二元性容易保證,平面葉柵試驗結果可以在級性能分析中得到較好的應用。

數十年來,發動機壓縮系統級壓比已從第一代發動機的1．15提升到第四代的1．45～1．50,風扇級壓比甚至達2．20以上;壓縮部件總增壓比也從早期的3.00提升到目前的35．00～40．00,壓氣機子午流道徑向收斂明顯,葉型AVDR也從1．00左右增至1．30～1.40。此時,AVDR綜合了葉型通道周向葉片間流道和徑向子午流道收斂的雙重影響,但傳統平面葉柵的平行端壁已無法有效模擬流道徑向收斂的影響。由于葉型負荷增加,流動逆壓力梯度增大,更易誘發流動分離,致使近壁區二次流及各渦系對葉片徑向流場影響增大,使得高負荷葉型平面葉柵試驗流場特性與真實截面工況相差甚遠。因此,現代平面葉柵試驗需要從試驗模擬和數據分析兩個方面充分考慮AVDR的影響。國內外學者在葉柵流場二元性模擬方面開展了大量試驗研究[18-25],其主要思路是通過葉柵通道端壁的抽吸氣(圖4)使AVDR保持在0.95～1．15范圍內。

圖4 通過抽氣控制葉柵試驗AVDR[18]Fig.4 AVDR regulation and control by air bleed or suction[18]

對于亞聲速、未堵塞工況,采用抽氣調節AVDR對葉型性能影響不明顯,總體來說靜壓比、損失系數隨AVDR增大略有減小,但在大攻角近失速條件下AVDR調控對葉型的性能影響較大[18-20]。NASA和DLR的研究則表明超聲速葉柵試驗AVDR對性能(損失和氣流轉折角)影響較大[21-22]。此外,Hergt等的研究表明AVDR隨攻角增大而增加,由此帶來的附加流動損失會使葉型損失也增大[23]。Jouini等的研究也表明AVDR值受攻角影響較大,當攻角i＝－14．5°時,AVDR＜1．00,當i＝14．5時,AVDR＝1.25,并認為此時葉柵流動已不再保持二元性[24]。

對于級壓比較高的葉型,葉片間包括子午流面在內的立體空間流道存在較大的收斂,流場三維特性已無法忽略,傳統平面葉柵流場已無法表征葉型基元立體通道的收－擴特征,即便通過抽氣控制AVDR獲得的試驗數據也僅能反映葉片基元葉型葉片間流道的擴壓或膨脹能力,無法提供流道徑向變化對性能的影響,這在應用平面葉柵試驗數據進行壓氣機或渦輪級性能分析時尤其需要注意。

此外,根據理論分析,還可以在平面葉柵葉片通道的平行柵板間引入附加幾何或者氣動的收斂來模擬和調控流場徑向收斂度,以模擬真實基元葉型的徑向收斂,進而獲取較傳統平面葉柵更接近真實工況的葉柵性能參數。NASA在20世紀70年代開展了端壁收斂的葉柵試驗(圖5),并采取端壁抽氣控制附面層的影響,獲得AVDR變化對葉型性能的影響[25]。中國航發四川燃氣渦輪研究院在亞聲速高負荷葉柵試驗中也采用楔形附加柵板來調控AVDR,形成徑向(沿葉高方向)的收斂通道,抑制端壁區和葉片吸力面的流動分離,減小端壁二次流和附面層對葉柵中截面影響。試驗表明:AVDR增大,損失系數降低,出口氣流角、靜壓比減小,這與周向、徑向通道收斂和出口速度增大是相匹配的;但收斂端壁設計復雜、通用性差、效率低,尚待進一步發展和優化。

圖5 美國NASA某超聲速壓氣機葉柵試驗[25]Fig.5 A supersonic compressor cascade test(NASA)[25]

2.3 低雷諾數葉柵試驗模擬技術

雷諾數自模(Re＞3×105)是傳統葉柵試驗所需遵從的相似準則之一;但高空狀態下,葉片實際工作雷諾數可能低于自模雷諾數,高空小尺寸發動機葉片工作雷諾數更是可低至104量級。低雷諾數條件下發動機壓縮系統性能和穩定工作裕度退化,渦輪部件效率降低,發動機推力降低、耗油率顯著提升,已在PW545(圖6)和AE3007H發動機的試驗和分析數據中得到了證明[26]。已有研究表明:葉型流動分離和二次流增強是低雷諾數下的發動機性能惡化的主要原因。低雷諾數條件下葉片表面的附面層呈現層流特點,抗分離能力減弱,容易發生不可再附的流動分離,從而增大葉型損失,導致壓縮系統和渦輪部件效率降低,進而影響發動機性能。這種影響是非線性的,雷諾數在1×105以上時,效率下降趨勢較緩,當雷諾數處于104量級時,雷諾數的降低將導致渦輪效率的急劇下降[27-28]。

圖6 PW545低壓渦輪效率隨雷諾數的變化[26]Fig.6 PW545 low pressure turbine efficiency variation with Reynolds number[26]

因此,在低雷諾數工況下的葉型設計方法研究中,雷諾數自模已經無法完全滿足驗證需求,需要真實低雷諾數葉柵試驗能力的支持,以研究高空低雷諾數下壓縮系統和渦輪部件性能衰減誘因、量化低雷諾數對葉型性能影響,為建立適用于低臨界雷諾數的壓氣機、渦輪葉型設計模型提供支持。

國內外在低雷諾數葉型和部件性能試驗方面也開展了較多的研究工作。在葉柵試驗中要實現低雷諾數,可采用低速、小特征尺寸、低密度(低壓)的方法[29-35]。在具有工程應用價值的高亞聲速、跨聲速領域,為研究局部超聲速區和激波影響,試驗需滿足與設計馬赫數相等的條件,不宜用低速方法來降低雷諾數;小弦長試驗葉片需考慮葉片負荷、強度以及加工限制,葉片表面靜壓測量引壓孔加工會削弱葉片強度,故不宜采用過小弦長的試驗葉片;降低試驗介質密度(壓力)是目前低雷諾數葉柵試驗常用的方法,如比利時馮·卡門流體力學研究所的S－1/C高速變密度風洞[36]和德國慕尼黑高速葉柵風洞[37]就采用了低壓回流循環試驗模式。中國航發四川燃氣渦輪研究院、中國航發商用航空發動機有限責任公司等單位也已開展基于節流進氣－抽氣排氣為條件的低密度試驗葉柵研究,亞聲速葉型的工作雷諾數可降至104量級,基本滿足現階段低雷諾數葉型試驗驗證需要。

2.4 三維扇形葉柵試驗

如前文所述,葉型的真實工作流場環境具有三維特性,三維真實流場模擬是葉柵試驗發展的方向。NASA早在1969年就發表了在有6個葉片的扇形試驗件上研究脈動射流(Jet-flapped)對高負荷渦輪靜子葉片性能影響的研究報告[38]。現在三維葉柵試驗除關注流量特性、壓力損失等總特性外,更多關注的是流場氣動參數的徑向、周向分布及葉片間流場細節特征。在三維全葉片氣動性能及流場特征研究中,由于環形葉柵試驗件制造和試驗氣源成本高,國內外學者多采用更為經濟的扇形葉柵試驗模式[39]開展研究。

國內外扇形/環形葉柵試驗多集中在低速壓氣機靜子和渦輪導向器方面,特點是進口流速低,進氣角徑向梯度小,流場模擬難度低,易于實現。與平面葉柵試驗類似,采用多葉片數即較大圓心角的扇形試驗件可有效提高試驗流場質量,但需綜合平衡流場品質、氣源條件以及加工、試驗成本等因素。國內外既有6個葉片(圓心角36°)的研究成果[40],也有用14個葉片(圓心角144°)獲得7～10葉片周期流動的實踐[41]。除增加葉片數外,研究者還通過端壁導流板型面及尾板結構來調控試驗流場品質,尤其在超跨聲速扇形葉柵試驗中,需要調整尾板角度和長度,避免近端壁葉片出口激波反射對流場周期性的破壞[42-43]。另外,適當位置的抽吸氣也有助于扇形葉柵流場品質及周期性的優化[44]。

除流場周期性外,體現扇形葉柵流場三維性的流場參數徑向分布梯度也非常關鍵,試驗中主要表現為徑向壓力梯度。模擬和調節出口流場徑向壓力梯度,可避免葉片根部流動分離,使得流場模擬和性能數據更真實可信,這對超、跨聲速渦輪導向器扇形葉柵根部、尖部區域葉型試驗尤為關鍵。徑向壓力梯度調節方法與試驗設施和試驗件結構相關,主要有以下幾種方法:

1)葉尖徑向扇形調節凸塊[45],調節簡便,但調節范圍窄,且可能在調節凸塊附近形成回流和附加旋渦,影響尖部流場測量;

2)設計不同堵塞度的排氣通道端壁[46];

3)在葉柵后增加具有消旋的導流葉片,模擬扇形區間的徑向壓力梯度(圖7)[47]。

圖7 扇形葉柵試驗段出口消旋葉片示意圖[47]Fig.7 2D unwrapped schematic of the working section of the annular sector heat transfer facility[47]

在具體應用中還需要充分考慮柵后流場測量探針及位移機構的空間定位、探針在出口流場中的附加激波對流場的影響。

此外,在拓展扇形葉柵進口氣流角及分布模擬方面,還有研究者采用換裝帶不同法蘭面夾角的扇形直管段(圖8)來調節葉柵進口攻角[48],以拓展扇形葉柵試驗適用范圍。

圖8 變進氣攻角轉接段[48]Fig.8 Variable inlet angle switching section for sector cascade[48]

2.5 葉柵非定常特性試驗

轉/靜葉片排在軸向的間隔布局和葉片在輪盤的周向排列決定了葉輪機內流場固有的非定常特征。目前葉輪機械的設計體系主要還是以均勻、定常流假設為前提,真實流場的固有非定常特性在現有設計體系中還沒有得到充分的體現。葉輪機氣動設計從定常向非定常轉變將是未來技術發展的主要趨勢,非定常流動蘊含著很大的潛力,這也是未來航空發動機氣動熱力技術發展的關鍵方向[49]。國內學者在21世紀初提出了葉輪機“非定常自然流”和“非定常耦合流”兩代非定常“流型”理論,并進行了部分前瞻性探索[50-51]。根據葉輪機內非定常效應源及作用因素,葉柵內流場非定常特性試驗研究可以分為以下3類:

1)葉柵流場非定常特性及控制試驗研究

葉柵流場的非定常特性是指在定常均勻來流情況下,葉片與流道固壁表面流體附面層發展、流動轉捩、激波干涉、逆壓力梯度等因素引起流動分離,以及尾跡、各類旋渦(角渦、馬蹄渦、通道渦等)運動和發展引起的流動非定常特性,都屬于流場內生的非定常現象。這些非定常流動通過分離及再附、尾跡摻混、端壁二次流對流道的收斂等宏觀方式影響流場結構,進而對葉型的性能產生影響。掌握葉柵非定常流動結構特點和控制方法可以為提升葉輪機性能提供基礎支持。國內外學者在葉柵流場非定常流特性的試驗和數值研究領域開展了大量研究[52-55],并利用流場的非定常特性開展了葉柵局部流場控制進而提升葉型性能的研究[56-58],其試驗在傳統葉柵試驗技術基礎上增加相應動態測量裝置,對應不同的非定常流動控制方法增設激勵發生器與控制裝置,比如零質量射流、非定常聲激勵等。

2)振蕩葉柵試驗研究

據統計,振動故障占發動機總故障的比例大于60%,其中葉片故障占比大于70%,由于葉輪機尤其是壓縮部件葉片的結構特點和流場的非定常特性,壓氣機失速、喘振、顫振等不穩定流動現象都和葉片振動－氣動非定常的耦合相關聯。通常將葉柵領域的此類研究稱為振蕩葉柵(Oscillating cascade),這類研究可以為葉輪機特別是壓氣機葉片顫振相關的氣－固耦合研究提供支持[59-61]。

振蕩葉柵試驗主要研究葉片在非定常外力作用下受迫振動以及葉片小幅度偏轉情況對流場特征和葉型性能的影響;研究外加激勵的模式、頻率、幅值等關鍵參數對流場特征和葉型性能影響的本質原因及內在規律。這類研究在傳統葉柵試驗基礎上需要根據試驗葉型特性進行特殊的試驗件和葉片激振系統設計。葉片激勵方式有機械、電磁等方式,其中機械驅動方式有電機直接驅動葉片[62-63]、凸輪或曲柄連桿驅動等方式[59,64-65]。

3)葉柵進出口流場的非定常影響試驗研究

葉柵進出口流場的非定常模擬,包括流場壓力和速度的空間分布與時序變化,源自上級葉片排尾跡掃掠、進氣壓力脈動、下游葉片排相對運動帶來的壓力波干涉等。

在進口非定常模擬方面,國內外均有在葉柵進口通過運動的圓柱擾流尾跡來模擬上游葉片尾跡對壓氣機或者渦輪葉型性能影響的報告,通過改變圓柱直徑、間距、運動速度來模擬尾跡特征[66-70],以此研究尾跡擾流對葉片表面分離、葉型性能的影響及其規律。已有的試驗研究表明:在具有層流分離泡的渦輪葉片葉背表面,進口非定常尾跡抑制了葉型附面層發展,與定常流相比,減少了總壓損失。目前這類進口流場非定常模擬研究還僅限于低速機理試驗。

3 結論與展望

飛行器對動力的需求永無止境,葉輪機葉型設計方法和理論也不會止步于目前的成果。在葉型設計理論研究、設計方法發展以及葉型CFD計算校核中,葉柵試驗仍將發揮重要作用,繼續探索和拓展葉柵試驗技術研究具有重要的現實意義。

未來的葉柵試驗技術一方面需要針對現代高負荷、高性能超跨聲速葉型試驗需求,做好流場模擬的品質控制與調節;另一方面還需要適應新類型試驗需求,做好具有低雷諾數、三維特性和非定常特性的流場模擬技術發展與應用,滿足葉型設計技術發展對試驗驗證的需求。

此外,為更好響應設計驗證需求,葉柵試驗需要在試驗環境模擬、非接觸無擾測量、多數據源流場重構、流場診斷以及葉型性能分析等方面持續開展工作,尤其是亟需在具有工程應用價值的超跨聲速領域取得突破,為先進葉型設計技術研究、設計方法改進和優化提供有力支撐。