侵入式探針對單級高壓渦輪的性能影響

黃剛 劉婕妤 王瑤 梁仍康 楊思帆

摘要： 文章以E3高壓渦輪為研究對象，研究侵入式探針對單級高壓渦輪的氣動性能影響機理，分析在高溫高速氣體沖擊下探針自身所產生的形變。結果表明探針在轉子出口測試截面，會影響渦輪的總體性能，使渦輪等熵效率降低，探針尾流區域熵增，尾跡與主流產生摻混損失，出口氣流角發生改變。探針在安全范圍內發生形變，且與發動機無共振隱患。

Abstract： Taking E3 high-pressure turbine as the research object， this paper studies the influence mechanism of intrusive probe on the aerodynamic performance of single-stage high-pressure turbine， and analyzes the deformation of probe itself under the impact of high-temperature and high-speed gas. The results show that the test section of the probe at the rotor outlet will still affect the overall performance of the turbine， reduce the isentropic efficiency and flow of the turbine， increase the entropy of the probe wake area， produce mixing loss between the wake and the mainstream， and change the outlet flow angle. The probe deforms within the safe range and has no potential resonance with the engine.

關鍵詞： 侵入式探針;高壓渦輪;等熵效率;共振

Key words： invasive probe;high pressure turbine;isentropic efficiency;resonance

中圖分類號：V231.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0065-04

0 ?引言

渦輪是航空發動機的重要部件，其處于高溫高壓的惡劣環境，是有著強壓力和溫度梯度的強三維性、非定常性和強剪切的復雜流動[1]。為測得渦輪的性能參數，一般采用總體性能測量方法，在渦輪的進出口布置穩態測試梳或測試耙，獲取截面氣流平均總參數分析得渦輪性能。

試驗時安裝侵入式探針會浸入到渦輪流場中，造成流動阻塞，當探針測試截面位于渦輪進口或級間時，探針探頭和支桿產生的尾跡會進入渦輪流場中而對渦輪性能產生影響。甚至在某三級軸流壓氣機性能試驗時，探針支桿的尾跡脫落渦誘導了轉子葉片產生超過安全閾值的振動應變[2-4]。

國內外研究人員對試驗過程中探針支桿對壓氣機和渦輪氣動性能的影響已有一些研究。Wyler[5]研究了在封閉通道中的圓柱形探針支桿的阻塞效應，使得流場靜壓降低，馬赫數增大，為減小探針影響，應該盡可能的減小探針阻塞比。羅鉅[6]采用了一種直徑8mm等環面分布6點的梳狀總壓探針來獲取兩級軸流壓氣機進出口的總壓。朱銘敏[7]在四級低速大尺寸壓氣機進出口截面分別布置了4支5點和4支7點總壓探針。按照航標建議，進口總溫總壓測量截面可在導葉前緣1.5倍葉中弦長;出口總溫和總壓探針可布置于0.5～1.0倍轉子葉中弦長，在探針尺寸限制下，測點數應盡量多的布置[8]。Frederick等[9]研究了探針的測試布局對流場測量結果的影響，探針數量少于在8梳40點的測試布局對導致對總壓的測量誤差增大。付少林[10]等人利用近壁邊界層模型改進了渦輪測試效率的精度，認為高精度測試效率需要7～10個徑向測點和5個周向測點。張小慶[11]采用熱流耦合模擬篩選出合適的總溫探針，并用其測量了60mm脈沖燃燒風洞流場。

本文工作主要是采用數值模擬方法，研究探針支桿的物理堵塞和局部干擾，關注侵入式探針改變原有流場的情況。首次研究在渦輪出口測試截面帶有實際探針支桿的測試布局，分析其對單級高壓渦輪的性能影響。

1 ?計算模型及方法

本文采用有詳細試驗數據的普惠E3單級高壓渦輪為研究對象，有24個鈍前緣導葉片和54個高扭轉角轉子葉片。采用UG軟件對E3高壓渦輪葉片進行逆向建模，得到較為準確的CAD模型;探針模型采用直徑5mm的圓柱支桿，如圖1、圖2所示。

本次計算采用單通道模型驗證CFD計算模型的精度和逆向建模的準確度。計算含有探針的渦輪流場時采用非定常方法，4：9轉靜通道，探針支桿周向均布6個，呈“水”字形分布，軸向位置為距轉子0.5倍轉子葉中弦長（記為b），即測試截面位置，考慮真實試驗情況，探針支桿距輪轂面有2mm間距。計算域進口至導葉距離為2.5倍導葉高度（記為h），為消除計算中的回流影響，出口延長至距轉子后緣5b位置。本文采用Numeca AG5對渦輪葉片區域生成O4H型結構網格，采用Icem對探針計算域劃分非結構網格，探針尾流方向沿出氣角方向加密，其中第一層邊界層網格高度為2e-6m，保證流場y+均值<2，以滿足湍流模型的使用條件。單通道網格（不含探針）數量約100萬，多通道網格（含探針）數量為600萬。

1.1 邊界條件

數值計算方面分別采用了ANSYS CFX定常及非定常變比熱模塊，采用SST Kω湍流模型，周期性邊界，絕熱無滑移壁面，導熱系數采用溫度相關函數，采用Sutherland方法計算粘性系數。渦輪進口總壓為1324491Pa，總溫1633k，出口靜壓270kPa，轉子轉速13232Rpm。

1.2 無關性驗證

采用定常單通道無探針的計算條件，對普惠E3單級高壓渦輪進行網格無關性驗證，以消除網格數量對數值計算結果的影響。圖3為網格量73萬、100萬和120萬網格量的徑向分布渦輪落壓比對比，可見73萬網格與后兩者有誤差，因此在保證精度的條件下，本文采用的100w單通道渦輪計算域網格比較合適。

2 ?計算結果及討論

2.1 流場計算分析

圖4為渦輪導葉中截面靜壓計算值與E3渦輪試驗值對比，其壓力面計算結果符合程度好，而導葉吸力面受多種激波影響，在吸力面中徑至近尾緣處符合程度較差。

表1為有無探針情況下的數值仿真結果與試驗值的對比，可見無探針計算條件下，等熵效率、落壓比等流場參數均與試驗值相差不大，可見數值計算的精度很好。而在渦輪出口測試截面加入了探針后，等熵效率降低了0.15%，流量降低了0.6%，其余參數影響程度較低。可見在渦輪出口的探針對上游的導葉和轉子的氣動影響較小，而對總的性能參數如效率和流量有著一定的影響，若試驗時不修正探針的影響，將導致渦輪試驗的精度降低。

表1已經顯示侵入式探針對渦輪總體性能的影響，因此下面詳細對比下流場參數的變化位置和影響情況。對于渦輪氣動性能來說，總壓、氣流角等氣動參數及它們的分布起到關鍵作用。對于整個轉子葉片來講，流場參數的周向分布并不均勻，相鄰葉片間的荷載和氣動參數均有差異，因此采用多通道和非定常計算方法能更準確的捕捉實際渦輪葉片的真實流動情況。

圖5為渦輪導葉中徑葉高的絕對馬赫數分布對比云圖。可見探針上游的絕對馬赫數分布沒有大的變化，而探針下游區域有明顯的低馬赫數區域，受雷洛數影響，5mm探針支桿尾跡脫渦程度較輕，但低數脫渦區影響了軸向4倍直徑以上的區域，尾跡有一定程度地擴散。

圖6為渦輪導葉中徑葉高的靜熵分布對比云圖，由于整個數值計算過程為絕熱流動，渦輪進口截面至導葉區域不做功，因此該區域靜熵無變化。而導葉吸力面、尾跡及轉子固壁、尾跡區域受膨脹波、正激波、尾緣脫渦激波、燕尾波及剪切層等波系影響，其熵增很大，即總壓損失增加。明顯可見，探針的加入，尾跡與主流摻混，導致探針尾流區域熵增，產生了較大的損失。圖7為渦輪導葉中徑葉高的絕對出口氣流角分布對比云圖。探針的存在使得氣流角周向分布不一致，探針的脫渦改變了原本的氣流方向角。

圖8為測試截面絕對氣流角沿徑向分布曲線圖，對比了有無探針情況下在測試截面位置（0.5b）處的沿徑向平均分布的絕對氣流角曲線。可見探針的加入使得原本的氣流角整體減小了2-5°，在探針根部位置，受探針尖部間隙及繞流的影響，氣流角偏轉程度最大。倘若氣流角偏轉值超過了下游低壓渦輪的不敏感攻角，將對發動機性能產生影響。

圖9和圖10為測試截面絕對總壓和等熵效率沿徑向分布曲線圖，探針支桿的存在使渦輪流場的總壓減少，及流場可利用能量的損耗，在0.05-0.95葉高的范圍內，總壓損失較大。同樣的，探針支桿的存在使，在探針截面位置的等熵效率同樣減少，在0.2-0.4和0.65-0.95葉高范圍內的等熵效率均有所損失。

2.2 流熱固耦合分析

為了研究探針在測試截面位置的實際受力變形程度，其靜強度和動強度是否達標，由于渦扇發動機實際運行中不會有大的結構形變，因此采用單向流熱固耦合模擬。同時采用探針支桿和帶6個等環分布延伸測孔的探針進行模態分析，校驗安全裕度。

為方便研究，渦輪導葉及轉子均不考慮冷卻裝置。圖11是導葉葉片及轉子葉片在氣流沖擊和對流換熱情況下的總應變云圖，其中最大應變發生在導葉尾緣中徑位置，約有1.3mm的形變，可得其撓度系數=2.2%<4%，而圖12是兩種探針的應變云圖，可見有實際的延伸測點對于探針總的變形影響不大，均滿足靜強度的使用要求。

根據探針實際裝配狀態，對探針梳進行模態分析，設置探針頂部為固定約束。可由下式校核探針的動強度，即

式中：nf為安全裕度，f為激振頻率，fn為自振頻率（n取1，2，3）。

由于探針承受渦輪轉子的出口氣流沖擊，因此激振頻率可等效為轉子的轉動頻率為220.533Hz。而經計算探針前三階自振頻率分別為938.11、939.21、5729.8Hz，顯而易見探針安全裕度均大于15%的要求，滿足使用的條件。

3 ?結論

①在轉子出口測試截面的探針不會影響上游的導葉及轉子氣動參數，但會使渦輪總體的等熵效率減小，流量減小。②探針的存在使流場總壓損失增加，絕對出口氣流角偏轉2-5°。探針產生低馬赫數尾跡區域，探針尾跡脫渦與主流混合有摻混損失，且使得轉子出口流場參數周向分布不均勻。③在氣流沖擊和高溫環境下，導葉在尾緣中徑位置產生最大應變，探針的動靜強度均符合一般要求，無共振隱患。

參考文獻：

[1]鄒正平.航空燃氣輪機渦輪氣體動力學：流動機理及氣動設計：Turbine aerodynamics for aero-engine： flow analysis and aerodynamics design[M].上海交通大學出版社，2014.

[2]向宏輝，高杰，楊榮菲，劉氦旭，吳森林.探針支桿尾跡對壓氣機轉子葉片振動特性的影響研究[J].實驗流體力學，2021，35（02）：58-66.

[3]楊榮菲，劉氦旭，向宏輝，高杰，王靖宇.進口探針支桿尾跡誘發壓氣機轉子葉片共振的數值研究[J].推進技術，2021，42（05）：1002-1012.

[4]劉氦旭.進口探針誘發壓氣機葉片振動現象的數值研究[D].南京航空航天大學，2020.

[5]Wyler J S. Probe blockage effects in free jets and closed tunnels[J]. 1975.

[6]羅距.高性能風扇/壓氣機三維葉片氣動設計與實驗研究[D].南京航空航天大學，2013.

[7]朱銘敏，羌曉青，居振州，馬宇晨，滕金芳.四級低速大尺寸壓氣機的試驗與數值模擬研究[J].工程熱物理學報，2021，42（05）：1150-1160.

[8]HB 7081-2012，航空燃氣渦輪發動機軸流渦輪氣動性能試驗方法[S].

[9]Frederick S，Jeffrey W T，Henry H A. Effect of Number of Probes and Their Orientation on the Calculation of Several Compressor Face Distortion Descriptors[R]. NASATM-72859，1979.

[10]付少林，楊榮菲，劉長青，等.測試布局對渦輪效率的影響研究[J].推進技術，2019，40（11）：2464-2472.

[11]張小慶，曾來榮，劉偉雄.“總溫探針在脈沖燃燒風洞中的應用”.第十五屆全國激波與激波管學術會議論文集（下冊）.Ed.， 2012，46-50.