白 濤，高 山

(1.西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院, 西安 710077； 2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 西安 710072)

葉片前緣由于其曲率較大，會(huì)出現(xiàn)明顯的吸力峰，前緣吸力峰導(dǎo)致的分離泡直接影響渦輪葉片表面的流動(dòng)狀態(tài)。而葉片前緣通常較薄，又要保證前緣與葉身連接曲率連續(xù)，因此葉片前緣加工存在著很大的技術(shù)困難，葉片前緣的加工和安裝誤差不可避免[1-3]。高壓渦輪葉片工作溫度高、并且由于燃?xì)獾臒g、積炭等使得前緣幾何形狀容易發(fā)生形變。國(guó)內(nèi)外針對(duì)前緣幾何形狀展開了較多的研究。北航陸宏志[4-5]等研究了壓氣機(jī)不同前緣幾何形狀對(duì)流場(chǎng)性能的影響，其研究結(jié)果表明橢圓形前緣在整個(gè)工況范圍內(nèi)氣動(dòng)性能較好。作者[6]也曾就前緣幾何參數(shù)對(duì)低壓渦輪邊界層發(fā)展的影響展開研究，從邊界層的角度闡述影響機(jī)理。劉火星等[7]著重探討了壓氣機(jī)前緣的流動(dòng)圖畫，以及不同前緣型線吸力峰的變化規(guī)律。國(guó)外加拿大卡爾頓大學(xué)[8]主要在非設(shè)計(jì)攻角下研究了前緣幾何形狀對(duì)葉型損失的影響。在實(shí)驗(yàn)中采用了半徑不同的圓弧形前緣和橢圓前緣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了前緣尺寸的改變會(huì)影響前緣與葉身連接處曲率的連續(xù)程度，因此會(huì)影響前緣處的流動(dòng)，從而造成葉型損失的變化。橢圓型的前緣能更好地保證曲率連續(xù)性，因此能在較寬的攻角范圍內(nèi)保證較好的流動(dòng)特征。Hodson等[9]曾在高速渦輪葉片上研究前緣處邊界層的轉(zhuǎn)捩和分離，表明前緣處的流動(dòng)對(duì)于邊界層的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。劍橋大學(xué)[10]的研究表明，當(dāng)吸力峰的高度小于某一臨界值時(shí)，吸力峰大小的改變幾乎不會(huì)對(duì)葉型損失造成影響，而當(dāng)吸力峰大于臨界值時(shí)，隨著吸力峰高度的增大，損失會(huì)顯著增大。

高壓渦輪葉片由于其轉(zhuǎn)速高、工作溫度高，因此前緣半徑通常較厚。國(guó)內(nèi)外對(duì)前緣的研究主要集中在壓氣機(jī)和低壓渦輪上，針對(duì)高壓渦輪前緣幾何參數(shù)的研究還比較少。本文在前期對(duì)低壓渦輪研究的基礎(chǔ)上對(duì)高壓渦輪前緣幾何形狀開展研究。文中采用數(shù)值模擬方法在設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)工況下研究了兩組前緣即不同半徑的圓弧型前緣和不同長(zhǎng)短軸比的橢圓形前緣。對(duì)高壓渦輪氣動(dòng)性能的影響規(guī)律，旨在為高低壓渦輪的設(shè)計(jì)、加工、使用、維護(hù)提供可供參考的理論數(shù)據(jù)。

1 研究方法及研究對(duì)象

研究對(duì)象為某型高壓渦輪葉中截面。葉型數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)值模擬采用商用軟件CFX14.0求解三維定常黏性雷諾平均N-S方程，數(shù)值方法采用時(shí)間追趕的有限體積法，空間離散采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間離散應(yīng)用二階后差歐拉格式。選用SST湍流模型和γ-θ轉(zhuǎn)捩模型。計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為53 000，壁面Y+區(qū)域在1左右，局部大于1但均小于2。葉柵通道和前尾緣局部網(wǎng)格如圖1所示。計(jì)算進(jìn)口給定總溫、總壓，進(jìn)口氣流角、出口為靜壓邊界條件。

表1 葉型參數(shù)

研究不同前緣形狀對(duì)渦輪葉柵性能的影響，圓弧型前緣采用CAD造型，在保證葉片葉身不變的情況下，對(duì)前緣進(jìn)行修型，將前緣直徑增加20%和減少20%，分別定義為C-L20%，C-S20%。如圖2所示，文中的橢圓型前緣是采用課題組開發(fā)的前尾緣修型程序?qū)崿F(xiàn)的，得到長(zhǎng)短軸比為1.5和2的橢圓形前緣，定義為Ep-1，Ep-2；最后采用基于多項(xiàng)式造型的方法得到自由型線的類橢圓，將前緣曲率半徑縮小為原來(lái)的一半。定義為Ep。如圖3所示。

2 設(shè)計(jì)狀態(tài)下前緣形狀對(duì)高壓渦輪氣動(dòng)性能影響分析

首先分析在設(shè)計(jì)狀態(tài)下不同前緣形狀及參數(shù)對(duì)渦輪流場(chǎng)的影響。

高壓渦輪吸力峰較低壓渦輪吸力峰較弱；同時(shí)高壓渦輪葉片前緣附近并沒有出現(xiàn)像低壓渦輪葉片前緣的分離泡。造成高低壓渦輪這些不同點(diǎn)的原因是：高壓渦輪進(jìn)口湍流度較高，高壓渦輪的葉片前緣的曲率半徑較大，因此前緣與葉身連接處的曲率較低壓渦輪更能保證連續(xù)和光滑。

由圖6葉型前緣耗散函數(shù)分布可以看出，在0°攻角下，高壓渦輪前緣形狀的變化對(duì)其前緣損失的影響并不明顯，這是因?yàn)楦邏簻u輪導(dǎo)葉前緣較厚，同時(shí)高壓渦輪的進(jìn)口湍流度一般情況下很大(6%～15%)，文中給定為10%。進(jìn)口雷諾數(shù)較高，在前緣處不會(huì)出現(xiàn)分離泡。 因此，前緣的損失較小。由此可以得出對(duì)于高壓渦輪葉片由于葉型前緣微小的改變不會(huì)帶來(lái)很大損失。

由圖7中葉型Ep-1和Ep-2的前緣滯止點(diǎn)附近的耗散明顯大于圓弧型葉型的前緣處的耗散，這是因?yàn)闄E圓型的葉型前緣較薄，前緣曲率半徑小，葉片上游受位勢(shì)作用的影響較小，這樣會(huì)使得進(jìn)入葉柵通道的流體不能光滑引入到葉柵通道中，因而會(huì)在前緣處撞擊；此外，從前緣滯止點(diǎn)到前緣型線曲率半徑的突然變大，使得在滯止點(diǎn)附近速度梯度很大，因此摩檫損失較大， 但前緣處的大耗散只集中在一小部分區(qū)域，因此它不會(huì)增大總損失。C-L20%葉片相比其他兩個(gè)圓弧型的葉片在吸力峰處的耗散函數(shù)要大，影響圓弧型葉片吸力峰強(qiáng)弱的主要因素有前緣半徑，前緣楔形角，進(jìn)口湍流度。前緣半徑影響主要體現(xiàn)在雷諾數(shù)的影響上。在本算例中幾種葉型的進(jìn)口湍流度不變，為此C-L20%葉型較小的前緣楔形角，使得葉型前緣過度膨脹的區(qū)域較大，摩檫損失增大。

對(duì)于二維葉柵中，葉柵通道損失的主要來(lái)源是葉型損失。 熵增是準(zhǔn)確衡量損失的唯一參數(shù)。在絕能流動(dòng)中，用熵增和總壓損失系數(shù)這兩個(gè)參數(shù)衡量損失是等價(jià)的，文中用總壓損失系數(shù)衡量不同前緣葉型的葉型損失。定義總壓損失系數(shù)為

各葉型在0°攻角下氣動(dòng)損失如表2所示。各葉型損失均較大，說(shuō)明第一級(jí)高壓渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉前緣對(duì)渦輪葉柵損失影響并不大。其中自由型線的前緣Ep葉型的損失最小，這是因?yàn)樽杂尚途€保證了前緣與葉身曲率半徑的連續(xù)性，因此前緣吸力峰得到抑制，前緣的損失減??；橢圓葉型的損失均和原始葉型的損失接近，這是因?yàn)闄E圓葉型抑制了吸力峰，使得前緣損失減小，但橢圓葉型在保證葉身不變的情況下，使得葉片的軸向弦長(zhǎng)增大，因此葉身摩檫損失增大，二者折衷使得損失和原始葉型的損失接近。對(duì)于圓弧型的葉型，不論是增大還是縮小前緣半徑其損失都要大于原始葉型的損失，對(duì)于將圓弧的半徑增大的葉型C-L20%，其損失較大是因?yàn)榍拾霃降脑龃笫沟们熬壭ㄐ谓菧p小，從而使得吸力峰的強(qiáng)度略有所增強(qiáng)，同時(shí)厚葉片會(huì)使得這個(gè)前緣的擾流損失增大。對(duì)于將圓弧半徑減小的葉型C-S20%，其損失也略微呈現(xiàn)增大，這是因?yàn)?，C-S20%葉型較原始葉型弦長(zhǎng)增大了5%，葉身的摩檫損失增大，但圓弧曲率的半徑的減小，會(huì)使楔形角增大，增大的楔形角減小了前緣繞流從滯止點(diǎn)到前緣吸力面連接點(diǎn)所要轉(zhuǎn)折的角度，因此在一定程度上可以抑制前緣的過度膨脹，從而使得前緣的損失減小。

綜上:在設(shè)計(jì)工況附近，前緣形狀的變化對(duì)渦輪葉柵的損失沒有太大的影響，在葉片實(shí)際的加工和安裝過程中，前緣形狀的微小改變帶來(lái)的葉柵的損失也是可以忽略的。

表2 葉型損失變化

3 非設(shè)計(jì)狀態(tài)下前緣形狀對(duì)渦輪氣動(dòng)性能影響

由于渦輪葉柵在不同的工況工作，因此討論不同工況的葉柵性能也是十分必要的。根據(jù)高壓渦輪實(shí)際的工作情況分別研究在-12°～8°攻角下不同前緣葉型的損失特性。上文中六種葉片的葉身和尾緣部分是完全相同的，不同的是前緣形狀以及前緣厚度。大的前緣直徑會(huì)使整個(gè)葉柵的損失增大，但大的前緣葉型由于位勢(shì)作用的影響較明顯，能保證來(lái)流被平滑引導(dǎo)到葉柵通道中，因此厚前緣葉片對(duì)攻角的變化較薄前緣不敏感。同時(shí)橢圓和圓弧型前緣對(duì)葉柵內(nèi)的流動(dòng)的影響也是很不相同，橢圓型前緣較圓弧型前緣能有效地抑制吸力峰的強(qiáng)度以及減小甚至消除葉片前緣的分離泡。綜合以上兩個(gè)方面的因素，研究Original，Ep2 和C-L20%三種典型的前緣攻角對(duì)不同前緣形狀葉柵的影響。

圖8為不同攻角下三種葉片葉柵通道內(nèi)的總壓損失系數(shù)分布，隨著攻角的增大渦輪葉柵內(nèi)的損失是增大的。損失對(duì)負(fù)攻角的變化更不敏感，這也正是葉片設(shè)計(jì)時(shí)攻角要偏向負(fù)攻角的原因。在整個(gè)攻角范圍內(nèi)，C-L20%葉片的葉柵通道損失更大，橢圓型前緣葉柵通道損失最小，這是因?yàn)閳A弧型前緣的吸力峰較橢圓型的較強(qiáng)，吸力峰附近處的速度很高，速度梯度大，摩檫損失大，同時(shí)圓弧型前緣的擾流損失大，并且隨著圓弧半徑的增大，擾流損失增大。

4 結(jié)論

本文在設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)工況下研究了橢圓形前緣和圓弧形前緣的氣動(dòng)性能。得到如下結(jié)論：

1) 在設(shè)計(jì)工況下，前緣幾何形狀對(duì)渦輪的氣動(dòng)性能影響很小。

2) 在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下，前緣幾何形狀的影響凸顯。隨著攻角的增加影響顯著性增大。在本文的研究范圍內(nèi)，橢圓形前緣在整個(gè)攻角范圍內(nèi)氣動(dòng)損失都較小，而圓弧形前緣的損失較大，當(dāng)攻角為8°時(shí)，圓弧形前緣葉型氣動(dòng)損失較基準(zhǔn)葉型增大2.26%。

3) 前緣形狀會(huì)影響渦輪氣動(dòng)性能，但高壓渦輪葉片由于其前緣半徑較大，進(jìn)口湍流度較大，其氣動(dòng)性能隨著前緣幾何形狀的變化較低壓渦輪更為不敏感。因此關(guān)于前緣幾何形狀變化的研究應(yīng)該重點(diǎn)集中在壓氣機(jī)及低壓渦輪葉片上。