張鵬鷹，牛茂升，臧述升

(1.海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116021;2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心上海分部，上海 201108;3.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 葉輪機(jī)械研究所，上海 200240)

燃?xì)廨啓C(jī)是21世紀(jì)大功率艦船的核心動(dòng)力設(shè)備，其發(fā)展水平可以體現(xiàn)出一個(gè)國家船舶工業(yè)的先進(jìn)程度，因此需要對(duì)其進(jìn)行大力發(fā)展。而流道內(nèi)部流動(dòng)損失則是制約燃?xì)廨啓C(jī)效率的主要因素之一，因此眾多研究機(jī)構(gòu)將其作為他們的課題研究重心。

間隙流動(dòng)損失是動(dòng)葉內(nèi)部流動(dòng)損失的重要組成部分之一。Schaub［1］認(rèn)為在小型高壓渦輪中，動(dòng)葉45%流動(dòng)損失，渦輪級(jí)中30%流動(dòng)損失都是由間隙流動(dòng)引起的。Metzger［2］研究證明，間隙流動(dòng)使得葉頂傳熱系數(shù)上升約200%。

由于間隙流動(dòng)對(duì)渦輪性能有較大的影響，因此必須采取措施來削弱間隙流動(dòng)。常見的減弱間隙流動(dòng)的方法是改變?nèi)~頂幾何形狀，包括翼梢小翼［3-4］，肋條葉尖［5-6］，葉頂斜切［7］，葉片彎曲［8-9］，端壁處理［10-11］等方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，以上這些方法均可以在一定程度上減弱間隙流動(dòng)。

除此之外，葉頂噴氣方法也可以有效地減弱間隙流動(dòng)。Pougare［12］首次對(duì)葉頂噴氣進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果顯示，葉頂噴氣可以有效地減弱間隙流動(dòng)及間隙渦的出現(xiàn)。Hohlfeld［13］，Couch［14］針對(duì)葉片頂部排污孔對(duì)間隙流動(dòng)的影響進(jìn)行了詳盡的研究。研究發(fā)現(xiàn)，在小間隙高度時(shí)，排污孔氣體能較好地阻塞間隙流動(dòng);但間隙高度增大時(shí)，排污孔氣體對(duì)間隙流動(dòng)的作用較為微弱。Christophel［15］發(fā)現(xiàn)在小間隙高度時(shí)，即使在較小的吹風(fēng)比條件下，排污孔氣體能夠有效的對(duì)葉片前緣位置進(jìn)行冷卻。Hamik［16］提出一種比較新穎的葉頂噴氣方案。他用一條直徑5 mm的內(nèi)部通道將葉片前緣與葉頂連通。這樣在葉片前緣與葉頂壓差作用下，會(huì)有一部分流體進(jìn)入通道，進(jìn)而從葉片頂部噴出。Hamik試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葉頂噴氣可以降低間隙渦區(qū)流動(dòng)損失，同時(shí)近外殼區(qū)流動(dòng)過偏/偏轉(zhuǎn)不足現(xiàn)象得到極大改善。Li［17］認(rèn)為葉頂噴氣對(duì)間隙流動(dòng)的作用主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:(1)葉頂噴氣對(duì)間隙流動(dòng)起到阻塞作用，降低間隙流動(dòng)損失;(2)噴氣孔下游間隙入口速度降低，間隙流動(dòng)與主流的摻混作用減弱;(3)間隙內(nèi)噴氣孔附近熵增減小。對(duì)于葉頂噴氣孔位置的分布，Rao［10］研究發(fā)現(xiàn)靠近葉片前緣位置噴氣能夠較好地控制間隙渦尺寸，而靠近尾緣位置噴氣能夠大幅度提高間隙渦區(qū)總壓分布。Newton［18］通過不同葉頂噴氣位置對(duì)葉頂傳熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在葉頂分離渦位置噴氣可以有效地改善間隙流動(dòng)情況，同時(shí)能獲得最佳的葉頂換熱條件。牛茂升［20-21］對(duì)影響葉頂噴氣效果的因素進(jìn)行了研究，包括切向噴氣角度以及噴氣孔在葉片厚度方向上的分布。牛茂升［22］還對(duì)不同葉頂噴氣在不同進(jìn)口沖角工況下的控制效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在五個(gè)不同的進(jìn)口沖角工況下，葉頂噴氣都能有效地控制間隙流動(dòng)。

綜上所述，前人已經(jīng)就葉頂噴氣對(duì)間隙流動(dòng)以及葉頂區(qū)域換熱情況進(jìn)行了詳盡的研究，但是到目前為止，關(guān)于葉頂噴氣孔位置對(duì)間隙流動(dòng)控制效果影響的研究較少。

因此本文采用三孔探針對(duì)不同噴氣位置情況下，葉柵出口截面上參數(shù)分布進(jìn)行了測量，同時(shí)也測量了各個(gè)工況下葉片表面的靜壓分布。

1 葉柵頂部間隙流動(dòng)試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)葉柵

平面葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。葉柵安裝在風(fēng)洞出口后730 mm位置。風(fēng)洞出口截面積226 mm×125 mm。平面葉柵共有7片葉片組成，中間兩個(gè)葉片#3、#4設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)。主要測量流道為葉片#3、#4之間的葉柵通道。葉柵兩側(cè)葉片#1、#7通過墊片保證其不存在葉頂間隙，但與側(cè)板之間有1～2 mm的狹縫，主要是為了削弱側(cè)板累積的邊界層厚度，保證進(jìn)口流場的均勻性。

圖1 葉柵測量流道及進(jìn)出口測量截面分布

為了保證葉柵進(jìn)口流場沿著節(jié)距方向均勻分布，在距離葉片前緣90 mm位置布置一個(gè)三孔探針，通過調(diào)節(jié)葉片尾緣側(cè)板來實(shí)現(xiàn)前緣氣流的均勻。葉片尾緣出口截面總壓損失系數(shù)及氣流角分布主要是在距離葉片尾緣9 mm截面測量得出的。出口截面測量利用兩個(gè)三孔探針同時(shí)測量兩個(gè)相鄰的流道，以保證測量的準(zhǔn)確度。

試驗(yàn)葉片葉型以蘇黎世瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的“LISA”1.5 級(jí)軸流渦輪中動(dòng)葉葉片［23］為原型，取其50%葉高截面葉型作為試驗(yàn)葉型。該葉型是高負(fù)荷、低展弦比的高壓渦輪第一級(jí)葉片，具體葉柵參數(shù)見表1。其中葉片進(jìn)口氣流角為-52.4°，出口氣流角為66.6°，葉柵通道內(nèi)氣流轉(zhuǎn)折角較大，為119°，屬高負(fù)荷葉片。

葉片通過底部螺栓孔固定在底盤支架上，間隙高度是通過在葉片與底板之間添加墊片來實(shí)現(xiàn)的。墊片型線與葉片葉型完全相同，并由定位銷來保證其位置與葉片位置完全吻合。墊片厚度為1 mm，因此間隙高度變化差值為1 mm。

表1 葉柵幾何參數(shù)

為了測量間隙流動(dòng)對(duì)葉片表面靜壓的影響，分別在50%、97.5%葉高高度布置了兩排32個(gè)直徑為0.7 mm的靜壓孔，其中壓力面布置12個(gè)靜壓孔，吸力面20個(gè)靜壓孔。

1.2 葉頂噴氣結(jié)構(gòu)

在葉柵中將位于流道中央的#3、#4葉片設(shè)計(jì)為空心葉片，以便于空氣從葉頂噴出。葉頂噴氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

噴射空氣由外部空氣壓縮機(jī)提供，進(jìn)入葉片空腔后從葉頂噴出。葉片頂部薄片厚約2 mm，通過沉孔螺釘與葉片固定，并有三個(gè)定位銷保證與葉片位置完全重合。螺釘與定位銷高度與葉頂平齊，保證葉片間隙高度在弦長方向上完全相同。

葉頂噴氣孔直徑為1 mm，按等距均勻分布在距離葉片前緣18%～72%弦長范圍內(nèi)，相鄰孔心之間的間距約4.6 mm。噴氣孔中心線與葉頂表面之間的夾角為45°，葉頂薄片的厚度為2 mm，因此噴氣孔長度約為2.83 mm。噴氣孔在流向方向上的分布，噴氣孔中心線在葉頂上的投影垂直于葉頂壓力邊。噴氣孔與葉頂壓力邊之間間距設(shè)計(jì)為3 mm，基本與葉頂分離渦出現(xiàn)位置相對(duì)應(yīng)。

圖2 葉頂噴氣結(jié)構(gòu)示意圖

為了研究噴氣孔沿弦長噴氣位置分布對(duì)間隙流動(dòng)控制的影響，本文研究了三種不同弦長位置噴氣工況下間隙流動(dòng)情況。各噴氣結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。工況A是通過全部10個(gè)孔進(jìn)行葉頂噴氣。工況B、C則只采用了7個(gè)噴氣孔進(jìn)行噴氣，其中工況B中噴氣孔位于葉片中前部(#1～#7)，而工況C噴氣孔位于葉片中后部(#4～#10)。所有工況的噴氣量均為0.78%。

表2 葉頂噴氣結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 測量設(shè)備準(zhǔn)確度

本文采用丹麥DANTEC公司的恒溫式熱線風(fēng)速儀，熱線探頭采用55P62型兩維熱線。X型熱線主要用來測量二維流動(dòng)的兩個(gè)速度分量。按照本文中有效速度的方法，在偏航角度小于25°的時(shí)候，測量不確定度不超過3%，當(dāng)偏航角度為35°的時(shí)候，測量不確定度為5%左右。

實(shí)驗(yàn)中葉片表面靜壓、葉柵出口截面總壓測量的采集都是采用數(shù)字多通道壓力掃描閥(DSA3017)。DSA3017模塊的靜壓測量精度為±2.5 Pa，與自由來流動(dòng)壓頭之比為 ±2.5/(0.5 ×1.293×27×27)= ±0.53%。

試驗(yàn)坐標(biāo)架采用TSA400-B精密重載型電控平移臺(tái)。該電控平移臺(tái)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位移調(diào)整自動(dòng)化。行程為400 mm，最小分辨率為0.003 125 mm，最大速度可達(dá)40 mm/s。

1.4 試驗(yàn)工況

葉柵入口雷諾數(shù)為(1.86 ±0.04)×105，湍流強(qiáng)度為1.56%。

沿葉高方向上，在47% ～98%葉高范圍內(nèi)，每隔2.5 mm設(shè)置一行測點(diǎn)，共26行。在葉柵節(jié)距方向上，測量距離共包括1.5倍葉柵節(jié)距，每隔2.5 mm設(shè)置一列測點(diǎn)，共33列。因此葉柵出口截面上分布的測點(diǎn)共有26×33=858個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 葉片載荷系數(shù)分布

由圖3(a)可見，葉頂噴氣對(duì)葉高中部流場分布影響不大，因此在不同噴氣工況下，該高度截面上葉片表面靜壓系數(shù)基本完全相同。

但在靠近葉片頂部截面處(97.5%截面，圖3(b))，可以發(fā)現(xiàn)采用葉頂噴氣后，在葉片中前部位置，由于采用葉頂噴氣后，產(chǎn)生了對(duì)間隙流動(dòng)的阻塞作用，使得壓力面靜壓增大。在葉片尾緣附近靜壓降低，并小于不采用葉頂噴氣工況，尤其是葉片前緣位置噴氣條件下。這主要是因?yàn)槭苋~頂噴氣的影響，導(dǎo)致間隙流動(dòng)形成的主要區(qū)域向葉片尾緣附近移動(dòng)，從而使得該區(qū)域靜壓系數(shù)減小。

相應(yīng)地，由于間隙流動(dòng)的減弱，間隙渦尺寸減小，吸力面靜壓受間隙渦的影響減弱，葉片表面靜壓有所增大。但是由于采用葉頂噴氣后間隙渦一直維持在葉片吸力面附近，導(dǎo)致吸力面靜壓增大幅度有限。

圖3 葉片表面靜壓系數(shù)分布

2.2 葉柵出口總壓分布

總壓損失系數(shù)表達(dá)式如下:

式中:Po為測量點(diǎn)的總壓值，ρ為密度，V2″是測量截面上質(zhì)量平均速度。不考慮葉頂噴氣時(shí)是葉柵入口測量位置得出的總壓值。但當(dāng)考慮葉頂噴氣時(shí)是葉柵入口總壓與噴氣壓力的質(zhì)量平均值，即

圖4所示為葉柵出口截面上總壓損失系數(shù)的分布。從圖4(a)可以看出，不采用葉頂噴氣時(shí)，總壓損失主要出現(xiàn)在三個(gè)區(qū)域，即:間隙渦區(qū)、上通道渦區(qū)域，以及葉片尾跡區(qū)。間隙渦渦核位于95%葉高位置附近，在節(jié)距方向上幾乎占據(jù)了整個(gè)流道，葉高方向占據(jù)葉頂約12%葉高范圍，渦核中心總壓損失系數(shù)達(dá)2.3。上通道渦位于間隙渦下方，約80%葉高位置，受間隙渦的影響，上通道渦較小，渦核中心總壓損失系數(shù)僅為1.2。

如圖4(b)，采用葉頂噴氣時(shí)(工況A)，間隙渦所占的區(qū)域大幅減小，僅占據(jù)約80%節(jié)距范圍，渦核位置上移動(dòng)到約97%葉高高度，間隙渦強(qiáng)度下降迅速，渦核中心總壓損失系數(shù)僅為1.6。在此情況下，上通道渦區(qū)急劇增大，這是因?yàn)楹蟛繃姎饪琢黧w旋向與上通道渦相同，使得上通道渦所占區(qū)域及強(qiáng)度增大。

在葉片前部噴氣時(shí)(工況B)，如圖4(c)，雖然也在一定程度上抑制了間隙渦的發(fā)展、擴(kuò)大，但噴氣效果不及工況A，間隙渦尺寸及強(qiáng)度比工況A有所增加。

噴氣流量保持0.78%，在葉片中后部位置進(jìn)行噴氣時(shí)(工況C)，對(duì)間隙流動(dòng)的控制作用最大，如圖4(d)。間隙渦渦核中心總壓損失系數(shù)減小至0.9，間隙渦尺寸急劇減小，切向方向上僅占約40%節(jié)距范圍，葉高方向上范圍也減小至葉頂區(qū)域7%葉高范圍內(nèi)。與此同時(shí)，受葉頂噴氣及間隙渦減弱的共同作用下，上通道渦強(qiáng)度、影響范圍迅速增大。

2.3 葉柵出口柵距平均參數(shù)沿葉高方向的分布

節(jié)距方向平均數(shù)據(jù)采用質(zhì)量平均方法:

節(jié)距方向質(zhì)量平均總壓損失系數(shù):

節(jié)距方向質(zhì)量平均出口氣流角:

節(jié)距方向質(zhì)量平均出口軸向速度:

式中:Cpo、β、VZ分別為總壓損失系數(shù)、出口氣流角及出口軸向速度。

由節(jié)距方向質(zhì)量平均總壓系數(shù)分布(圖5(a))可以看出，不采用葉頂噴氣時(shí)，間隙渦能夠影響到靠近外殼約12.5%葉高范圍內(nèi)的流場分布，通道內(nèi)最大總壓系數(shù)出現(xiàn)在約97%葉高位置，為1.21。上通道渦則主要影響75% ～87.5%葉高范圍內(nèi)流場分布。

葉頂噴氣可以影響到65%～100%葉高范圍內(nèi)的流場分布。間隙渦區(qū)域總壓系數(shù)下降，相應(yīng)地，上通道渦區(qū)總壓系數(shù)上升。其中對(duì)通道內(nèi)流場分布影響最大的是工況A，間隙渦影響區(qū)域減小，僅占據(jù)葉片頂部93% ～98%葉高范圍內(nèi)，間隙渦區(qū)總壓系數(shù)極值也由1.23減小到0.342。而上通道渦沿徑向上移，葉片高度方向上則占據(jù)了17.5%葉高范圍，影響區(qū)域內(nèi)總壓系數(shù)增大。采用葉片中后部噴氣方案時(shí)(工況C)，雖然上通道渦損失比不采用葉頂噴氣工況時(shí)有所增大，但間隙渦區(qū)總壓系數(shù)大幅度減小，極值僅為 0.692。

圖4 不同弦長噴氣位置時(shí)，葉柵出口總壓損失系數(shù)變化情況

如圖5(b)，出口截面上氣流角分布受噴氣作用而變得較為均勻。間隙渦引起的過偏/偏轉(zhuǎn)不足現(xiàn)象得以極大地緩解，不過上通道渦區(qū)氣流角變化受葉頂噴氣的影響不大。其中，工況A、C能較好地減弱間隙渦氣流偏轉(zhuǎn)不足現(xiàn)象，而工況B則對(duì)間隙渦氣流過偏區(qū)域的影響較大。

在采用噴氣工況下，在間隙渦區(qū)速度增大及氣流偏轉(zhuǎn)不足現(xiàn)象得以緩解的共同作用下，間隙渦區(qū)軸向速度有所下降，但下降幅度不大，如圖5(c)。

圖5 節(jié)距方向質(zhì)量平均各參數(shù)沿徑向分布情況

2.4 總壓損失系數(shù)分布

一般來說，葉柵通道內(nèi)流動(dòng)損失可以分為葉型損失、二次流損失及間隙流損失:

葉型損失為葉片中部質(zhì)量平均總壓損失，而二次流損失與間隙流損失相互影響，因此很難區(qū)分出兩者各自的數(shù)值大小。

如圖6所示，與葉片載荷系數(shù)分布相同，葉型損失在各個(gè)工況中基本保持不變。而工況A在控制通道內(nèi)流動(dòng)分布時(shí)表現(xiàn)最差，雖然間隙渦尺寸、強(qiáng)度相較于工況B時(shí)下降，但由于上通道渦強(qiáng)度、尺寸較大，因此總壓損失系數(shù)僅從未噴氣工況的0.35降低到 0.327。

圖6 葉柵出口總壓損失系數(shù)分布情況

當(dāng)噴氣孔數(shù)量減小時(shí)，葉頂噴氣對(duì)通道內(nèi)總壓損失系數(shù)的控制效果增強(qiáng)，尤其是在葉片中后部位置噴氣(工況C)時(shí)，總壓損失系數(shù)僅為0.293，下降幅度達(dá)16.28%。這就意味著噴氣孔位置分布能夠在一定程度上影響葉柵通道內(nèi)的二次流分布。在采用目前試驗(yàn)葉型的情況下，采用相同試驗(yàn)條件(包括進(jìn)口條件、邊界條件、噴氣量分布等)時(shí)，當(dāng)噴氣孔位于葉片中后部位置時(shí)相較于位于葉片前部位置時(shí)可以獲得更佳的控制效果。

3 結(jié)論

通過對(duì)葉柵出口截面上各參數(shù)的測量，可以看出:

1)葉頂噴氣可以有效地減小間隙渦尺寸及間隙損失，但上通道渦會(huì)因?yàn)殚g隙渦的減弱而增強(qiáng)。

2)采用葉頂噴氣后，由于間隙渦尺寸及強(qiáng)度都大幅減弱，間隙渦區(qū)氣流過偏/偏轉(zhuǎn)不足現(xiàn)象也得到極大的緩解。

3)噴氣孔位置分布能夠在一定程度上影響葉柵通道內(nèi)的二次流分布。

4)在采用目前試驗(yàn)葉型的情況下，采用相同試驗(yàn)條件(包括進(jìn)口條件、邊界條件、噴氣量分布等)時(shí)，當(dāng)噴氣孔位于葉片中后部位置時(shí)相較于位于葉片前部位置時(shí)可以獲得更佳的控制效果。

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