楊 益，馬宏偉

北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191

0 引 言

目前，航空葉輪機(jī)械正面臨向著高效率、低油耗方向發(fā)展的挑戰(zhàn)，為此需要不斷優(yōu)化葉輪機(jī)械內(nèi)部的流動(dòng)。葉尖泄漏流動(dòng)（Tip Leakage Flow，TLF）存在于壓氣機(jī)和渦輪級(jí)中，是影響葉輪機(jī)械性能的重要因素。本文著眼于分析葉尖泄漏流動(dòng)在軸流渦輪中的實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)展。

在軸流渦輪中，為防止葉片與機(jī)匣發(fā)生剮蹭，轉(zhuǎn)子葉尖與機(jī)匣內(nèi)壁存在一定的徑向間隙。在現(xiàn)代無冠高壓渦輪中，這一間隙高度通常與1%葉高相當(dāng)。在間隙兩側(cè)壓力面與吸力面壓差的驅(qū)動(dòng)下，流體會(huì)通過間隙產(chǎn)生葉片尖區(qū)泄漏流動(dòng)[1-2]。絕大多數(shù)情況下，葉尖間隙泄漏流動(dòng)會(huì)與主流發(fā)生剪切、摻混作用，形成葉尖泄漏渦（Tip Leakage Vortex，TLV）。

葉尖泄漏渦是渦輪轉(zhuǎn)子通道內(nèi)一種強(qiáng)三維、非定常的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，相比主流具有較高徑向及周向分速、較低軸向分速以及較強(qiáng)的湍流脈動(dòng)。流體流過間隙時(shí)，在間隙內(nèi)部存在分離與摻混，如典型的維納分離泡；在間隙出口，泄漏流動(dòng)會(huì)與葉片通道內(nèi)主流及其他二次流/渦（如上通道渦（Upper Passage Vortex，UPV）、刮削渦（Scraping Vortex，SV））以及環(huán)壁邊界層相互摻混；對(duì)于超/跨聲渦輪葉片，在間隙內(nèi)部及吸力面?zhèn)任簿壐浇€存在泄漏流動(dòng)與激波的相互干涉。上述流動(dòng)現(xiàn)象，一方面會(huì)造成葉片尖區(qū)流動(dòng)堵塞，氣流對(duì)渦輪做功能力降低；另一方面，會(huì)造成熵增、流動(dòng)損失及葉頂熱負(fù)荷增大。已有研究[3]認(rèn)為，間隙高度增加1%，就會(huì)使渦輪級(jí)效率降低1%～2%。此外，Denton[4]認(rèn)為葉尖泄漏流對(duì)流動(dòng)損失的影響主要有兩方面：一方面，葉尖泄漏流造成葉片堵塞，使通流能力降低；另一方面，泄漏流與主流的摻混帶來高熵增，這會(huì)占到葉片通道總氣動(dòng)損失的30%。

隨著現(xiàn)代軸流渦輪負(fù)荷、渦輪前溫度的提升以及低展弦比葉片的發(fā)展，葉尖泄漏流/渦所產(chǎn)生的負(fù)面影響日益突出，嚴(yán)重阻礙了渦輪性能的進(jìn)一步提升。因此，各種主動(dòng)、被動(dòng)的流動(dòng)控制方法被應(yīng)用于葉頂和機(jī)匣處，用以控制葉尖泄漏流動(dòng)；而要進(jìn)一步挖掘不同流動(dòng)控制方法的潛力，就需要更加深入地認(rèn)識(shí)不同條件下間隙內(nèi)部及葉頂附近的泄漏流動(dòng)結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)機(jī)理，特別是泄漏渦非定常流動(dòng)特性。這就需要詳細(xì)準(zhǔn)確地測(cè)量葉頂附近特別是間隙內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可為進(jìn)一步的高精度數(shù)值仿真、數(shù)值優(yōu)化提供校核數(shù)據(jù)。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法深刻認(rèn)識(shí)渦輪葉尖泄漏流動(dòng)的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出先進(jìn)的葉尖泄漏流動(dòng)控制方法，對(duì)現(xiàn)代渦輪設(shè)計(jì)具有重要意義。本文通過縱觀國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)渦輪葉尖泄漏流動(dòng)及其相關(guān)流動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，從平面葉柵和渦輪轉(zhuǎn)子兩個(gè)方面分類和總結(jié)該領(lǐng)域的穩(wěn)/動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)，指出現(xiàn)有研究不足，并對(duì)相關(guān)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 基于渦輪平面葉柵的實(shí)驗(yàn)研究

1.1 基于平面葉柵的泄漏流動(dòng)穩(wěn)態(tài)測(cè)量

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，針對(duì)渦輪葉尖泄漏流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量大多基于平面葉柵實(shí)驗(yàn)裝置。作為一種經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)研究方法，平面葉柵與渦輪轉(zhuǎn)子相比，雖然忽略了葉片旋轉(zhuǎn)帶來的離心力和科里奧利力，也在大多數(shù)情況下忽略了機(jī)匣與葉片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及葉排之間氣流的耦合作用，但仍保留了渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)的大尺度泄漏渦/流結(jié)構(gòu)；另外，與轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)相比，實(shí)驗(yàn)測(cè)量較簡(jiǎn)便，易于開展高時(shí)空分辨率的先進(jìn)測(cè)量研究，能夠獲得較為詳細(xì)的渦輪葉尖精細(xì)化流場(chǎng)。因此，葉柵實(shí)驗(yàn)?zāi)壳叭允茄芯繙u輪葉尖泄漏流動(dòng)的重要研究手段。

針對(duì)渦輪葉尖泄漏流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量多數(shù)始于20世紀(jì)80年代，且大多基于風(fēng)洞或水槽中的低速渦輪平面葉柵實(shí)驗(yàn)裝置。典型研究包括：Sjolander 和Amrud[5]基于大尺寸渦輪平面葉柵裝置研究了間隙高度對(duì)泄漏流動(dòng)結(jié)構(gòu)和葉片負(fù)荷的影響，通過葉表靜壓陣列獲得了渦輪葉頂?shù)撵o壓分布，同時(shí)以表面油流、煙線定性顯示泄漏流，研究發(fā)現(xiàn)：間隙增大，渦輪葉尖負(fù)荷提升，同時(shí)誘導(dǎo)出多個(gè)離散的泄漏渦結(jié)構(gòu)。Yamamoto[6]基于低速渦輪葉柵，借助微型五孔探針測(cè)量了葉頂間隙內(nèi)部、通道內(nèi)部以及下游的速度矢量分布。Bindon[7]借助五孔探針對(duì)一渦輪葉柵尖區(qū)泄漏流動(dòng)從前緣至尾緣的發(fā)展進(jìn)行測(cè)量后，首次將葉尖泄漏損失定量分為摻混損失（48%），端壁、二次流損失（13%）和間隙內(nèi)部剪切流損失（39%），并認(rèn)為上述流動(dòng)損失均與間隙內(nèi)部的分離泡結(jié)構(gòu)相關(guān)。此外，Moore[8]、Sjolander[9]等基于壁面穩(wěn)態(tài)靜壓測(cè)量，采用皮托管探針、小尺寸穩(wěn)態(tài)七孔壓力探針詳細(xì)測(cè)量了間隙內(nèi)部流場(chǎng)，也都觀察到了葉頂壓力面?zhèn)确蛛x渦（即維納收縮截面，Vena-contracta）的存在。部分研究借助低速實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了泄漏流動(dòng)的半經(jīng)驗(yàn)損失模型[4,8-9]?？梢钥闯?，在早期的葉尖泄漏流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中，主要采用壁面穩(wěn)態(tài)靜壓陣列、穩(wěn)態(tài)多孔氣動(dòng)探針等定量測(cè)量方法，并結(jié)合油流、染色劑、煙線等定性流動(dòng)顯示技術(shù)分析渦輪葉尖泄漏流/渦的形態(tài)結(jié)構(gòu)、影響因素以及泄漏損失的組成。

為控制葉尖泄漏流動(dòng)帶來的不利影響，研究者引入了不同的流動(dòng)控制方法，主要分為兩大類：1）被動(dòng)控制方法，主要包括凹槽葉頂[10-15]、肋條葉頂[16]、小翼葉頂[17-18]、優(yōu)化造型葉頂[19]、葉頂彎掠[20]、蜂窩葉頂[21]、翼型圍帶[22-23]及其組合葉頂[24-27]；2）主動(dòng)控制方法，主要包括葉頂吹氣[28]和等離子體激勵(lì)[29]兩種方法。不同的流動(dòng)控制方法會(huì)改變?nèi)~片尖區(qū)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)葉片尖區(qū)流動(dòng)測(cè)量提出了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有文獻(xiàn)中針對(duì)不同葉尖泄漏流動(dòng)控制方法的實(shí)驗(yàn)測(cè)量大多仍基于平面葉柵實(shí)驗(yàn)裝置開展，相關(guān)研究成果較為豐富且具有很大共性：1）多數(shù)測(cè)量仍基于低速葉柵；2）仍采用傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)測(cè)量技術(shù)，主要包括柵后穩(wěn)態(tài)多孔探針、皮托管探針（耙）、邊界層探針、穩(wěn)態(tài)壁面靜壓陣列和油流示蹤技術(shù)；3）仍將測(cè)量重點(diǎn)著眼于出口流場(chǎng)，而對(duì)間隙內(nèi)部、間隙出口的流場(chǎng)以及泄漏渦與通道渦等其他二次渦結(jié)構(gòu)的相互作用捕捉不足。典型研究包括：田楊濤[30]基于低速渦輪平面葉柵，通過葉片尖部油流顯示、葉柵端壁靜壓測(cè)量以及柵后穩(wěn)態(tài)五孔探針系統(tǒng)比較了不同結(jié)構(gòu)的非均勻葉頂間隙對(duì)渦輪葉柵泄漏流動(dòng)及氣動(dòng)損失的影響。圖1為柵后穩(wěn)態(tài)五孔探針測(cè)量方案布局示意圖。圖2為使用五孔探針測(cè)得的非均勻葉頂間隙形式下的柵后總壓損失及二次流分布。

圖1 五孔探針測(cè)量方案布局[30]Fig.1 Measurement layout of five-hole probe[30]

圖2 總壓損失系數(shù)云圖[30]Fig.2 Contour of total pressure loss coefficient[30]

隨著渦輪葉尖泄漏流動(dòng)研究的不斷深入，同時(shí)囿于傳統(tǒng)平面葉柵實(shí)驗(yàn)自身的局限，越來越多的實(shí)驗(yàn)測(cè)量開始基于平面葉柵改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置開展，測(cè)量工況也逐漸向超/跨聲速方向發(fā)展。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，存在上游靜葉二次渦流、尾跡與下游轉(zhuǎn)子葉尖泄漏渦之間的相互作用，機(jī)匣與葉頂相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)泄漏渦的作用，以及環(huán)壁邊界層及離心力、科里奧利力對(duì)泄漏渦的作用。為此，研究人員通過在葉柵上游布置旋渦發(fā)生器[31]、沿周向可移動(dòng)柱體[32]、單側(cè)傳送帶運(yùn)動(dòng)端壁[33-34]以及環(huán)形葉柵[35]等實(shí)現(xiàn)對(duì)上述作用因素的模擬。圖3為可移動(dòng)端壁平面葉柵實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)帶平動(dòng)，模擬真實(shí)渦輪中葉片與機(jī)匣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。需要說明的是，上述針對(duì)泄漏流動(dòng)作用因素的研究大多仍是以柵后穩(wěn)態(tài)五孔探針、三孔探針結(jié)合穩(wěn)態(tài)壁面靜壓陣列進(jìn)行測(cè)量。圖4為有/無尾跡影響下通過五孔探針測(cè)得的軸向渦量分布?？梢钥闯觯~柵上游的尾跡有效削弱了渦輪葉片通道內(nèi)泄漏渦、通道渦、壁面渦等二次渦的強(qiáng)度。

圖3 可移動(dòng)端壁平面葉柵實(shí)驗(yàn)裝置[36]Fig.3 Cascade test section and moving belt[36]

圖4 葉柵出口軸向渦量對(duì)比[32]Fig.4 Comparison of axial vorticity contours at cascade exit[32]

隨著現(xiàn)代軸流渦輪做功能力的逐步提高，在低壓蒸汽渦輪末級(jí)以及現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪轉(zhuǎn)子葉尖氣流已達(dá)到跨聲速或超聲速，目前無冠高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖馬赫數(shù)可超過1.5[37]，因此，葉頂間隙內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與亞聲速下完全不同，如圖5所示。

圖5 亞聲速和跨聲速葉頂流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意[37]Fig.5 Schematics of subsonic and transonic tip flow structure[37]

通過上述低速實(shí)驗(yàn)研究，研究者認(rèn)識(shí)到：在亞聲速條件下，當(dāng)氣流進(jìn)入間隙內(nèi)部時(shí)，會(huì)在葉片壓力面?zhèn)劝l(fā)生分離，在一定葉片厚度下，會(huì)形成分離泡，進(jìn)而產(chǎn)生維納收縮截面，使得泄漏流產(chǎn)生先加速后減速的效果；而在超/跨聲速條件下，維納收縮截面會(huì)在間隙內(nèi)形成喉道，跨聲速氣流在其下游進(jìn)一步加速，使得分離泡進(jìn)一步變小[38]；與此同時(shí)，間隙內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生激波，存在復(fù)雜激波系與泄漏流/渦發(fā)生相互作用。針對(duì)這些問題，研究者已經(jīng)取得了部分?jǐn)?shù)值仿真結(jié)果[39-40]，但超/跨聲速下的渦輪葉尖泄漏流/渦實(shí)驗(yàn)測(cè)量較少。其原因主要在于：在超/跨聲速下，常規(guī)低速氣動(dòng)探針存在強(qiáng)度不足、振動(dòng)較大、測(cè)壓不準(zhǔn)確以及堵塞流場(chǎng)等問題；而油流、染色劑、煙線等定性流動(dòng)顯示技術(shù)在高速氣流下無法顯示出激波與泄漏流的相互作用。

為彌補(bǔ)上述不足，一方面，可以發(fā)展適用于超/跨聲速測(cè)量條件下的楔形、尖劈形多孔氣動(dòng)探針。馬宏偉等設(shè)計(jì)了多種適用于超/跨聲速流場(chǎng)測(cè)量的穩(wěn)/動(dòng)態(tài)氣動(dòng)探針，典型的用于穩(wěn)態(tài)測(cè)量的探針包括三孔跨音壓力探針[41]、三孔壓力探針梳[42]。圖6為三孔跨音壓力探針示意圖，其探頭為尖劈和圓臺(tái)相接的形狀，尖劈前后為圓弧面，使探頭所受氣動(dòng)阻力較小，同時(shí)也能減弱探針前的激波強(qiáng)度，減小探針對(duì)流場(chǎng)的影響。O’Dowd 等[43]采用具有扁平、梯形頭部及尖劈狀支桿的三孔探針（如圖7所示）測(cè)量了出口馬赫數(shù)為1.0 的跨聲速渦輪葉柵葉頂泄漏流動(dòng)及氣動(dòng)特性。圖8為使用三孔探針測(cè)得的跨聲速渦輪葉柵下游不同間隙高度總壓損失分布。圖中，g/S和R/S分別表示以葉高（S）無量綱化的間隙高度和葉片相對(duì)徑向高度，y/P表示以柵距（P）無量綱化的葉片相對(duì)節(jié)距；SS 為葉片吸力面，PS 為葉片壓力面。

圖6 三孔跨音壓力探針[41]Fig.6 Three-hole transonic pressure probe[41]

圖7 實(shí)驗(yàn)用三孔探針[43]Fig.7 Schematic diagram of three-hole probe for experiment[43]

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的葉柵下游不同間隙高度總壓損失分布[43]Fig.8 Experimentally-determined cascade downstream total pressure loss distribution with different tip clearance heights[43]

另一方面，可基于可壓縮流體因密度不同而導(dǎo)致的氣體對(duì)光的折射率不同的原理，通過紋影可視化等光學(xué)測(cè)量手段觀察葉尖泄漏流與激波的相互作用。目前，紋影技術(shù)已較為成熟地應(yīng)用于葉輪機(jī)械流動(dòng)測(cè)量，但其一般具有無限景深，成像包含光路中（包括實(shí)驗(yàn)段外）所有密度梯度氣體的折射，渦輪葉片尖區(qū)等低密度梯度區(qū)域的成像效果不夠理想[44]。針對(duì)這一問題，研發(fā)了聚焦紋影系統(tǒng)，其與傳統(tǒng)紋影系統(tǒng)具有相同的部件（如圖9所示）；不同的是，聚焦紋影系統(tǒng)不使用單一點(diǎn)光源或裂隙光源，而是使用二維裂隙光源陣列，可視為一系列傳統(tǒng)紋影系統(tǒng)沿水平方向的疊加?；诰劢辜y影系統(tǒng)，Passmann 等[44]系統(tǒng)觀察了泄漏渦的起源和發(fā)展。

圖9 聚焦紋影系統(tǒng)示意圖[44]Fig.9 Schematic of the focusing schlieren system[44]

與此同時(shí)，Wheeler 等[28]也通過紋影系統(tǒng)觀察到了不同葉頂以及不同壓比下葉頂間隙內(nèi)的激波結(jié)構(gòu)，如圖10所示，從圖中可以看到激波與壓力面?zhèn)确蛛x泡的相互作用以及激波在固壁面的反射。

圖10 不同壓比下的葉頂間隙內(nèi)部紋影圖[28]Fig.10 Schlieren images at various tip pressure ratios within tip gap[28]

本節(jié)分析了基于平面葉柵的渦輪葉尖泄漏流動(dòng)穩(wěn)態(tài)測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀?？梢钥闯?，目前針對(duì)葉尖泄漏流動(dòng)的形態(tài)、損失機(jī)理以及控制效果的實(shí)驗(yàn)研究多是在低速來流條件下進(jìn)行的測(cè)量；針對(duì)超/跨聲速渦輪平面葉柵尖區(qū)泄漏流的定量測(cè)量，以及間隙內(nèi)部激波與泄漏流相互作用的可視化分析相對(duì)較為欠缺，需要進(jìn)一步開展研究。

1.2 基于平面葉柵的泄漏流動(dòng)態(tài)測(cè)量

1.2.1 基于平面葉柵的泄漏流動(dòng)非定常流場(chǎng)顯示

上述穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法能夠獲得不同控制方式對(duì)渦輪葉尖泄漏流以及葉柵性能的影響規(guī)律，但渦輪葉尖泄漏渦自身的發(fā)生、發(fā)展、破碎、耗散以及與邊界層、二次流的相互作用都具有強(qiáng)烈的湍流摻混以及非定常性，要揭示其非定常流動(dòng)機(jī)理，穩(wěn)態(tài)測(cè)量就存在明顯的局限性。因此，有必要引入動(dòng)態(tài)流動(dòng)測(cè)量技術(shù)對(duì)渦輪葉尖間隙泄漏流進(jìn)行測(cè)量。

早期，Booth 等[45]基于水槽實(shí)驗(yàn)，在葉片前緣附近滴入染色劑，通過高速相機(jī)記錄了渦輪葉柵間隙泄漏流動(dòng)。馬宏偉等[46]基于渦輪葉柵水洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)獲得了不同迎角、不同間隙高度下渦輪平面葉柵端區(qū)內(nèi)各種旋渦的發(fā)生、發(fā)展、渦–渦干涉、渦–邊界層干涉的非定常流動(dòng)圖畫，如圖11所示。

圖11 不同時(shí)刻非定常流動(dòng)圖畫[46]Fig.11 Unsteady flow field at different times[46]

田楊濤[30]通過氫氣泡示蹤結(jié)合高速相機(jī)拍攝，研究了非均勻葉頂間隙下葉柵尖區(qū)泄漏流的非定常流動(dòng)。圖12為氫氣泡流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)方案示意圖。激光器安裝于水槽正上方，可自由移動(dòng)以拍攝不同的流向截面；相機(jī)1 拍攝平行于上下端壁的尖區(qū)流場(chǎng)圖像，相機(jī)2 拍攝不同中弧線截面的尖區(qū)流場(chǎng)圖像。圖13為不同中弧線截面的尖區(qū)流動(dòng)圖像，可以很清楚地看到泄漏流/渦的形成與發(fā)展過程。

圖12 氫氣泡流場(chǎng)顯示方案[30]Fig.12 Flow field visualization scheme by hydrogen bubble[30]

圖13 氫氣泡顯示的不同中弧線截面的尖區(qū)泄漏流動(dòng)[30]Fig.13 Leakage flow in the tip area at different cross-sections shown by hydrogen bubbles[30]

1.2.2 基于平面葉柵的泄漏流動(dòng)PIV 測(cè)量

氫氣泡示蹤結(jié)合高速相機(jī)的流場(chǎng)顯示技術(shù)雖能詳細(xì)直觀地顯示葉尖泄漏渦的非定常流動(dòng)圖畫，但僅能定性刻畫流動(dòng)的主要特征，流動(dòng)信息不完整，且不能進(jìn)行定量的分析研究。比較而言，作為一種非接觸、定量、瞬態(tài)測(cè)量技術(shù)，粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry，PIV）具有較高的時(shí)間、空間分辨率，可用于定量捕捉泄漏流的非定常流動(dòng)特征。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，針對(duì)渦輪葉尖泄漏流的非定常測(cè)量大多也是基于PIV 技術(shù)開展的。田楊濤[30]基于渦輪葉柵水洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展了尖區(qū)流場(chǎng)的PIV 測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中，從葉柵模型正上方打光，激光發(fā)射器的運(yùn)動(dòng)由固定于葉柵上方的位移機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)；相機(jī)則固定于水槽側(cè)壁的位移機(jī)構(gòu)上，通過位移機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)其沿拍攝截面的運(yùn)動(dòng)。示蹤粒子為空心玻璃珠，直徑約10～15 μm。圖14為通過PIV 測(cè)得的不同截面處尖區(qū)附近的雷諾切應(yīng)力、湍動(dòng)能分布情況。

圖14 不同截面處的流動(dòng)參數(shù)分布[30]Fig.14 Flow parameters distribution at different sections[30]

除基于渦輪葉柵水洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)量外，其他研究人員基于平面葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)也進(jìn)行過類似測(cè)量。Wang 等[47]采用PIV 技術(shù)研究了渦輪葉尖部分肋條以及冷卻射流對(duì)泄漏流動(dòng)的影響。Volino 通過PIV 實(shí)驗(yàn)研究了葉頂吹氣[48]、新型肋條[49]對(duì)高壓渦輪葉柵葉尖泄漏流動(dòng)的影響，測(cè)量截面與圖14類似。需要說明的是，上述PIV 測(cè)量?jī)H為葉柵通道截面內(nèi)的二維測(cè)量，即只獲得了測(cè)量平面內(nèi)的2 個(gè)速度分量。為測(cè)得3 個(gè)速度分量，田楊濤、馬宏偉等[50-51]針對(duì)不同葉頂間隙形式下的渦輪葉柵瞬態(tài)流場(chǎng)設(shè)計(jì)了如圖15所示的SPIV（Stereoscopic PIV）實(shí)驗(yàn)裝置，在片光源兩側(cè)對(duì)稱布置CCD 相機(jī)，片光與葉片當(dāng)?shù)刂谢【€垂直，上端壁采用光學(xué)玻璃制作。示蹤粒子為直徑約1 μm的DEHS 氣溶膠，在葉柵風(fēng)洞上游播撒。每個(gè)截面采集400 組圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖16為SPIV 測(cè)量截面。圖17為不同弦長(zhǎng)截面的渦量ωz和流向速度Cv分布，可以清楚地看到泄漏渦沿流向的發(fā)展、變化以及在當(dāng)?shù)卦斐傻牧鲃?dòng)堵塞。

圖15 SPIV 測(cè)量整體方案布局[51]Fig.15 Configuration of SPIV measurements[51]

圖16 SPIV 測(cè)量截面[51]Fig.16 Measurement plane of SPIV[51]

圖17 在不同弦長(zhǎng)截面獲得的渦量和流向速度分布[51]Fig.17 Vorticity and streamwise velocity distribution at different test sections[51]

需要說明的是，上述研究的測(cè)量截面均為葉柵通道內(nèi)沿流向的不同截面，這雖能較好地揭示泄漏渦的非定常流動(dòng)特征以及與其他流動(dòng)結(jié)構(gòu)的相互作用，但卻無法對(duì)間隙內(nèi)部，特別是非均勻葉頂間隙內(nèi)部的非定常流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。間隙內(nèi)部的非定常流動(dòng)特征對(duì)于認(rèn)識(shí)不同控制方法的作用機(jī)理尤為重要，很有必要對(duì)間隙內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。但間隙內(nèi)部空間狹小，壁面反光會(huì)影響PIV 的測(cè)量精度，同時(shí)非均勻葉頂間隙也使得PIV 光路布置困難，因此，目前針對(duì)非均勻葉頂間隙內(nèi)部非定常流場(chǎng)測(cè)量的研究很少，主要包括：Palafox 等[36]基于低速大尺寸渦輪平面葉柵，通過PIV 研究了端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)泄漏渦的影響。PIV 的測(cè)量截面包括間隙內(nèi)部與葉頂平行截面以及沿泄漏流發(fā)展方向與流向垂直的截面，其光路與相機(jī)布置如圖18所示。當(dāng)測(cè)量間隙內(nèi)部流場(chǎng)時(shí)，激光平行于端壁照射，相機(jī)固定于透明葉片另一側(cè)透過葉片進(jìn)行拍攝，由于激光不直接照射壁面，可減小壁面反光的不利影響。對(duì)于靠近葉片尾緣且與葉頂垂直的測(cè)量截面，激光器在葉片側(cè)面打光，相機(jī)位于葉柵下游進(jìn)行拍攝，由此可以觀察到泄漏渦與通道內(nèi)其他二次渦系的相互作用。

圖18 渦輪葉頂間隙內(nèi)流場(chǎng)PIV 測(cè)量方案[36]Fig.18 PIV measurement section of turbine blade tip clearance[36]

圖19為PIV 測(cè)得的間隙內(nèi)部不同徑向截面處的泄漏流速度矢量和間隙內(nèi)速度云圖分布（圖中vex表示葉柵出口速度），從中可以觀察到葉頂壓力面?zhèn)确蛛x泡的存在以及端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)泄漏渦的影響。

圖19 間隙內(nèi)部PIV 測(cè)量結(jié)果[36]Fig.19 PIV measurement results inside the gap[36]

非均勻葉頂間隙內(nèi)非定常泄漏流動(dòng)測(cè)量的研究文獻(xiàn)較少。Zeng 等[52]基于一端壁可運(yùn)動(dòng)的低速平面葉柵，借助如圖20所示的內(nèi)窺PIV 技術(shù)，通過在中空葉片內(nèi)部布置內(nèi)窺鏡（endoscope），研究了平葉頂、凹槽葉頂以及傾斜凹槽葉頂?shù)男孤┝魈匦?，捕捉了凹槽?nèi)部刮削渦等渦結(jié)構(gòu)。測(cè)量結(jié)果如圖21所示，從中可以看出葉頂凹槽內(nèi)部旋渦沿流向的發(fā)展情況。

圖20 渦輪凹槽葉頂內(nèi)窺PIV 測(cè)量方案[52]Fig.20 Endoscope PIV layout scheme of squealer tip[52]

圖21 凹槽內(nèi)部不同流向位置旋渦及渦量分布[52]Fig.21 Vortex and vorticity distribution at different streamwise locations inside the cavity[52]

本節(jié)總結(jié)了基于平面葉柵開展的渦輪尖區(qū)非定常流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，已有研究中所采用的主要測(cè)量方法為流場(chǎng)顯示和PIV/SPIV 技術(shù)。相比于上節(jié)主要針對(duì)葉柵出口的穩(wěn)態(tài)測(cè)量，采用流場(chǎng)顯示技術(shù)可以定性觀察泄漏渦的發(fā)生、發(fā)展、失穩(wěn)、破碎和摻混過程，通過PIV/SPIV 技術(shù)可以定量分析葉柵通道內(nèi)泄漏渦的多尺度非定常流動(dòng)特征。但是，受壁面反光的影響，采用常規(guī)PIV/SPIV 技術(shù)無法較好地捕捉壁面附近特別是間隙內(nèi)部的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)，故采用內(nèi)窺PIV 對(duì)間隙內(nèi)狹小空間的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

此外，上述非定常的實(shí)驗(yàn)測(cè)量也大多基于低速葉柵開展，已有文獻(xiàn)中幾乎沒有針對(duì)超/跨聲速渦輪葉柵特別是超/跨聲速渦輪葉柵非均勻葉尖泄漏流動(dòng)的非定常流場(chǎng)測(cè)量。除了PIV 這種定量測(cè)量技術(shù)外，還可以嘗試采用LDV、高頻壓力探針以及壁面動(dòng)態(tài)壓力陣列等測(cè)量尖區(qū)的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2 基于渦輪轉(zhuǎn)子的實(shí)驗(yàn)研究

已有文獻(xiàn)中，針對(duì)渦輪平面葉柵已進(jìn)行過大量測(cè)量，但真實(shí)渦輪中存在上游靜葉尾跡、二次流以及端區(qū)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，泄漏流更加復(fù)雜；同時(shí)，考慮到葉柵實(shí)驗(yàn)的局限性，很有必要在旋轉(zhuǎn)環(huán)境下研究渦輪轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。與平面葉柵不同的是，轉(zhuǎn)子自身是旋轉(zhuǎn)的，且受到上游葉片的非定常激勵(lì)，其流動(dòng)具有更強(qiáng)的非定常性。已有文獻(xiàn)大多采用動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)結(jié)合鎖相測(cè)量技術(shù)。下面，從渦輪轉(zhuǎn)子通道內(nèi)泄漏流動(dòng)測(cè)量和渦輪轉(zhuǎn)子葉頂間隙內(nèi)泄漏流動(dòng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 渦輪轉(zhuǎn)子通道內(nèi)泄漏流動(dòng)測(cè)量

Senthil Kumaran 等[53]基于圖22的大尺寸渦輪實(shí)驗(yàn)裝置，通過在轉(zhuǎn)子機(jī)匣5 個(gè)不同軸向位置布置動(dòng)態(tài)壓力傳感器，結(jié)合鎖相技術(shù)獲得了不同流量系數(shù)對(duì)泄漏渦非定常性的影響。結(jié)果表明，葉片通過頻率對(duì)泄漏流非定常性的影響占主導(dǎo)地位。需要說明的是，該研究?jī)H獲得了壓力信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線，并未結(jié)合鎖相信號(hào)獲得相位平均后的端區(qū)壓力分布情況。

圖22 大尺寸渦輪實(shí)驗(yàn)裝置[53]Fig.22 Large scale turbine test rig[53]

Xiao 等[54]基于賓夕法尼亞州立大學(xué)低速單級(jí)軸流渦輪實(shí)驗(yàn)裝置研究了渦輪轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流動(dòng)在轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的發(fā)展情況：1）在葉頂附近開設(shè)多排沿展向的壁面穩(wěn)態(tài)靜壓測(cè)孔獲取了葉片表面及葉頂附近的靜壓分布，壓力信號(hào)傳輸至位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部的壓力傳感器，之后通過滑環(huán)將轉(zhuǎn)子葉片上的壓力信號(hào)傳遞到靜止的測(cè)量?jī)x器上；2）在機(jī)匣上沿葉片前緣至尾緣均勻安裝11 組Kulite 傳感器獲取動(dòng)態(tài)壓力分布，并結(jié)合軸角編碼器利用鎖相技術(shù)獲取了沿葉片周向的壓力變化；3）利用旋轉(zhuǎn)微型五孔探針在葉片通道內(nèi)尾緣附近4 組不同流向位置獲取了通道內(nèi)的總壓、靜壓及三維速度分布（以位移步進(jìn)電機(jī)改變探針周向和徑向位置）。結(jié)果表明，葉尖泄漏渦的吸附作用會(huì)增大葉尖負(fù)荷，葉尖泄漏渦對(duì)應(yīng)著高的總壓降和總壓損失。McCarter 等[55]利用三維激光多普勒測(cè)速裝置（LDV）在靠近葉片尾緣20%弦長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量了葉尖泄漏渦的湍流特性及渦量、速度分布。采用的LDV 為三色交叉光束系統(tǒng)，激光束通過機(jī)匣上的平面玻璃視窗照射流場(chǎng)，其中藍(lán)色和綠色光束通過同一光學(xué)導(dǎo)軌引入，用以對(duì)軸向和切向分速進(jìn)行采樣，紫色光束單獨(dú)導(dǎo)入，與軸向垂直截面成27.8°，用以測(cè)量徑向分速。系統(tǒng)采樣頻率為40 MHz，示蹤粒子選用丙二醇?xì)馊苣z，粒子直徑為0.6 μm，以六噴嘴霧化器進(jìn)行播撒。圖23為使用LDV 測(cè)得的渦輪通道內(nèi)的徑向湍流強(qiáng)度分布，可以看出：與平面葉柵相比，當(dāng)葉片與機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉尖附近的流動(dòng)狀況更加復(fù)雜；同時(shí)，在離心力、科里奧利力作用下，徑向湍流脈動(dòng)高于流向和周向的湍流脈動(dòng)。

圖23 渦輪轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的湍流強(qiáng)度分布[55]Fig.23 Turbulence intensity distribution in turbine rotor passage[55]

Andichamy 等[56]基于同樣的軸流渦輪實(shí)驗(yàn)裝置，通過安裝于轉(zhuǎn)子下游的高頻響總壓探針（圖24）和穩(wěn)態(tài)五孔探針，并結(jié)合鎖相平均技術(shù)測(cè)量了轉(zhuǎn)子下游的時(shí)均及瞬時(shí)流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)過程中，以步進(jìn)電機(jī)沿徑向移動(dòng)探針，在測(cè)量平面內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)徑向測(cè)量站，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈，采集6000 組鎖相總壓信號(hào)；在每個(gè)徑向測(cè)量站采集400 轉(zhuǎn)壓力信號(hào)進(jìn)行平均。

圖24 動(dòng)態(tài)總壓探針結(jié)構(gòu)圖[56]Fig.24 Diagram of dynamic total pressure probe[56]

圖25為轉(zhuǎn)子出口探針布置方案示意圖。探針位于轉(zhuǎn)子下游0.3 倍弦長(zhǎng)位置，其頭部指向葉頂出口氣流絕對(duì)速度方向。按照此方案，Camci、Dey 和Rao 等研究了非均勻葉頂[57-58]、葉頂冷卻射流[59-60]、機(jī)匣表面粗糙度[61]以及葉頂吸力面?zhèn)鹊男郎u發(fā)生器[56]對(duì)轉(zhuǎn)子泄漏渦的影響。圖26為探針在轉(zhuǎn)子出口測(cè)得的總壓系數(shù)分布，從中可以明顯看出渦輪轉(zhuǎn)子葉尖泄漏渦的分布。

圖25 轉(zhuǎn)子出口測(cè)量布局[56]Fig.25 Measurement arrangement at the rotor exit[56]

圖26 轉(zhuǎn)子出口總壓系數(shù)分布[59]Fig.26 Distribution of total pressure coefficient at rotor outlet[59]

除上述定量測(cè)量外，Rao 和Camci 等[62-63]還采用油流示蹤技術(shù)定性顯示了渦輪葉尖射流對(duì)轉(zhuǎn)子泄漏流的影響。如圖27所示，從中可以看出表面油流顯示技術(shù)成功識(shí)別出葉片壓力面?zhèn)鹊姆蛛x、再附及回轉(zhuǎn)。

圖27 表面油流顯示[62]Fig.27 Surface flow patterns by oil flow visualization[62]

在國(guó)內(nèi)，基于渦輪轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量泄漏流及其影響的研究較少。熊兵等[64]采用圓錐四孔高頻壓力探針測(cè)量了某型渦輪不同葉尖間隙下轉(zhuǎn)子出口的三維流場(chǎng)，其動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)組成如圖28所示。探針位于位移機(jī)構(gòu)上，渦輪轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，光電式轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，與探針測(cè)量的壓力信號(hào)一并傳入高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并進(jìn)行等相位平均。采樣頻率設(shè)置為500 Hz，以保證每個(gè)通道采集50 點(diǎn)以上。取鄰近3 個(gè)葉片槽道的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行64 次平均。實(shí)驗(yàn)中，為防止來流超出探針測(cè)量范圍，探針安裝位置與軸線方向有15.7°的偏轉(zhuǎn)角。圖29為不同間隙高度下的轉(zhuǎn)子出口馬赫數(shù)分布，可以看出轉(zhuǎn)子出口參數(shù)均呈現(xiàn)明顯的周期特性，葉尖間隙對(duì)轉(zhuǎn)子出口流動(dòng)品質(zhì)有較大影響。

圖28 動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)組成[64]Fig.28 Composition of dynamic measurement system[64]

圖29 不同間隙高度下的轉(zhuǎn)子出口馬赫數(shù)分布[64]Fig.29 Distribution of Mach number at rotor outlet with different tip clearance heights[64]

2.2 渦輪轉(zhuǎn)子葉頂間隙內(nèi)泄漏流動(dòng)測(cè)量

上述基于渦輪轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量主要關(guān)注點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子葉片通道和出口截面，即使在尖區(qū)附近進(jìn)行測(cè)量，也多是通過壁面壓力陣列及油流示蹤技術(shù)從側(cè)面反映間隙內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。與平面葉柵測(cè)量一樣，要深入理解旋轉(zhuǎn)條件下的泄漏渦流動(dòng)機(jī)制以及各種流動(dòng)控制方法的作用機(jī)理，還需對(duì)葉尖附近尤其是間隙內(nèi)部的非定常流場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量。這具有一定的難度，主要體現(xiàn)在[65]：

1）轉(zhuǎn)子葉尖間隙尺寸較小（1 mm 左右），測(cè)量間隙內(nèi)部流動(dòng)需要徑向空間分辨率優(yōu)于1 mm 的測(cè)量技術(shù)。光學(xué)、非接觸測(cè)量技術(shù)比較容易滿足要求，而接觸式測(cè)量（如探針、熱線等）必然會(huì)擾亂間隙內(nèi)部的流動(dòng)。

2）三維速度分量的測(cè)量通常需要不同的拍攝和激光照射角度。常見的光學(xué)、非接觸測(cè)量技術(shù)（PIV、LDV 等）測(cè)量裝置較為復(fù)雜，在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上尤其需要合理布局以避免遮擋光路，開設(shè)機(jī)匣視窗也需避免視覺誤差，同時(shí)還需克服葉片旋轉(zhuǎn)及機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的壁面反光進(jìn)一步加劇的不利影響。

3）由于葉片旋轉(zhuǎn)、離心力、上下游葉排的相互作用，轉(zhuǎn)子葉尖附近的流動(dòng)比平面葉柵具有更強(qiáng)烈的非定常性，需要高時(shí)間分辨率（約10 μs）的測(cè)量方法，通常需要快照式（snap-shot）測(cè)量方式。

從上述轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流測(cè)量所面臨的困難可以看出，目前要獲得較為詳細(xì)的轉(zhuǎn)子尖區(qū)流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，最好使用光學(xué)、非接觸的測(cè)量方法。L2F、LDV和PIV 是目前常見的光學(xué)測(cè)量方法。L2F、LDV 都是點(diǎn)測(cè)量，PIV 則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某個(gè)截面的非定常流場(chǎng)測(cè)量，特別是SPIV 技術(shù)能夠同時(shí)獲得三維速度分量，且PIV 可實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間分辨率（通常可達(dá)到1 μs），因此理論上可以較好地獲得渦輪轉(zhuǎn)子尖區(qū)的非定常流場(chǎng)。但在使用PIV 時(shí)，需要克服光路布局、實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)、壁面反光、粒子播撒以及視窗光學(xué)清潔度等問題。另外，由于葉頂間隙附近空間較小，通常需要借助內(nèi)窺鏡或管道鏡（borescope）打光，內(nèi)窺鏡、管道鏡及其支桿通常安裝于轉(zhuǎn)子的下游或側(cè)面以減小對(duì)被測(cè)區(qū)域的干擾；同時(shí)，利用相機(jī)通過開設(shè)于機(jī)匣處的光學(xué)窗口進(jìn)行拍攝。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，針對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)部及其附近的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究較少，且多數(shù)基于低速、大尺寸的渦輪實(shí)驗(yàn)裝置。圖30為Kegalj[66]采用SPIV 測(cè)量低速渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)流場(chǎng)的方案示意圖。片光通過內(nèi)窺鏡引入轉(zhuǎn)子通道內(nèi)，照亮切向–軸向平面。2 個(gè)相機(jī)對(duì)稱放置于機(jī)匣外的坐標(biāo)架上，相機(jī)間夾角為32°。示蹤粒子采用DEHS 氣溶膠，在測(cè)量區(qū)上游的穩(wěn)定段播撒，以位移機(jī)構(gòu)移動(dòng)內(nèi)窺鏡，可以改變片光的徑向位置。

圖30 渦輪轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流動(dòng)SPIV 測(cè)量布置方案[66]Fig.30 SPIV arrangement for turbine rotor tip leakage flow[66]

另外，為使葉尖泄漏流與通道流之間的相互作用具有更高分辨率，使用了內(nèi)窺式粒子圖像測(cè)速裝置。圖31為內(nèi)窺式粒子圖像測(cè)速方案。片光射入和粒子圖像記錄均利用光學(xué)內(nèi)窺鏡進(jìn)行。片光與渦輪軸線的夾角為7°，這可以保證在40%～100% 弦長(zhǎng)內(nèi)，片光幾乎垂直于轉(zhuǎn)子中弧線。拍照時(shí)，通過連接85 mm 微距鏡頭的90°視場(chǎng)孔探儀進(jìn)行記錄，孔探儀位于轉(zhuǎn)子與第2 級(jí)靜葉排之間。每個(gè)動(dòng)葉通道有16 個(gè)記錄平面，可完整記錄葉尖泄漏流與通道流之間的相互作用，清晰顯示葉尖泄漏渦的發(fā)展過程，評(píng)估葉尖泄漏渦的大小和強(qiáng)度。

圖31 渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)窺式PIV 光路布置[66]Fig.31 PIV optical path arrangement inside turbine rotor[66]

圖32為在轉(zhuǎn)子通道內(nèi)徑向截面上測(cè)得的速度與進(jìn)口速度的比值分布，從中可以看出葉尖泄漏流與主流之間的相互作用。機(jī)匣附近的高速區(qū)是葉尖泄漏流進(jìn)入葉片通道時(shí)造成的，葉尖泄漏渦形成于最高速區(qū)與最低速區(qū)之間。圖33為SPIV 在葉尖切向–軸向平面上測(cè)得的徑向速度與進(jìn)口速度的比值。旋渦橫截面的特征是徑向速度相反，中間有一條低徑向運(yùn)動(dòng)線。

圖32 轉(zhuǎn)子通道內(nèi)徑向截面上測(cè)得的速度與進(jìn)口速度的比值分布[66]Fig.32 In plane velocity relative to inflow derived from BPIV,rotor passage[66]

圖33 SPIV 在葉尖切向-軸向平面上測(cè)得的徑向速度與進(jìn)口速度的比值[66]Fig.33 Radial velocity relative to inflow velocity from stereo-PIV data at tangential-axial plane[66]

需要說明的是，由于壁面的強(qiáng)反光，Kegalj 等按照?qǐng)D30所示方案未能獲得間隙內(nèi)部的泄漏流流動(dòng)結(jié)構(gòu)。針對(duì)這一問題，F(xiàn)ischer 等[65]基于1.5 級(jí)低速軸流渦輪裝置，利用頻率修正激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)（Dopppler global velocimetry with frequency modulation,FM-DGV）研究了凹槽葉頂對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的影響。如圖34所示，該系統(tǒng)不使用片光源，而是在轉(zhuǎn)子葉尖間隙中部沿軸向通入窄帶光束，通過測(cè)量示蹤粒子反射激光頻率的變化，結(jié)合多普勒效應(yīng)就可獲得間隙內(nèi)部的速度分布。由于光束沒有直接照射壁面，有效減小了葉頂和機(jī)匣反光對(duì)測(cè)量的影響。如圖35所示，為保證光路暢通，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)匣處開孔，用以安裝內(nèi)窺鏡進(jìn)行打光，內(nèi)窺鏡安裝于轉(zhuǎn)子葉片下游88 mm 處。同時(shí)，在轉(zhuǎn)子上方機(jī)匣處安裝以熔融石英制成的100 mm×70 mm 的弧形玻璃板，用于接收激光。實(shí)驗(yàn)裝置如圖36所示。

圖34 FM-DGV 幾何安裝示意[65]Fig.34 Geometrical arrangement of the FM-DGV[65]

圖35 實(shí)驗(yàn)裝置示意（側(cè)視圖）[65]Fig.35 Sketches of the measurement setup at the turbine rig (side view)[65]

圖36 激光多普勒實(shí)驗(yàn)布置方案[65]Fig.36 LDV apparatus for tip leakage flow measurement[65]

實(shí)驗(yàn)中，在軸流渦輪進(jìn)口段播撒直徑為1 μm 的DEHS 氣溶膠作為示蹤粒子，同時(shí)向內(nèi)窺鏡頭表面噴射潔凈空氣以避免粒子沉積。粒子散射的激光通過O1、O2、O3 三個(gè)位置（如圖36所示）的接收裝置進(jìn)行采集；其中O1 沿徑向布置，O2、O3 兩束激光對(duì)稱分布于O1 兩側(cè)，二者與O1 的夾角均為35°。三個(gè)位置測(cè)得的v1、v2、v3經(jīng)過轉(zhuǎn)化后可得到渦輪轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)部的周向、徑向和軸向分速。采集裝置沿渦輪軸向移動(dòng)，軸向共43 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片通道內(nèi)周向有108 個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖37為通過上述裝置測(cè)得的轉(zhuǎn)子間隙平面內(nèi)的周向、徑向和軸向分速，從圖中可以明顯看出凹槽葉頂速度及其梯度的分布。

圖37 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的速度分布[65]Fig.37 Measured velocity distribution[65]

通過上述分析可知，針對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子尖區(qū)附近的流場(chǎng)測(cè)量，多數(shù)需借助內(nèi)窺鏡或管道鏡進(jìn)行照射或拍攝。但相比于傳統(tǒng)相機(jī)拍攝，借助內(nèi)窺鏡或管道鏡進(jìn)行拍攝會(huì)在一定程度上降低光學(xué)分辨率和感光性，因此拍攝時(shí)需盡量保證激光平面與內(nèi)窺鏡頭之間距離較小，同時(shí)還需要更高的激光強(qiáng)度。由于間隙較小，當(dāng)拍攝平面靠近機(jī)匣或葉頂時(shí)，會(huì)存在較強(qiáng)的反光。通常做法是在相關(guān)區(qū)域噴涂黑漆或做表面陽(yáng)極化處理，但需注意噴涂厚度，避免改變?nèi)~片型面；還可以采用噴涂熒光漆的方法，熒光漆能吸收激光并將其轉(zhuǎn)化為其他不同的波長(zhǎng)，之后通過安裝于相機(jī)鏡頭前的濾鏡過濾掉反射光即可。

另外，受制于高溫、高速、高壓以及渦輪復(fù)雜結(jié)構(gòu)等因素，目前使用PIV、LDV 進(jìn)行渦輪轉(zhuǎn)子尖區(qū)流場(chǎng)測(cè)量時(shí)，主要在常溫常壓的低速空氣渦輪模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，但是難度依然很大，還需進(jìn)一步發(fā)展PIV 測(cè)量技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)渦輪環(huán)境下的內(nèi)流場(chǎng)PIV測(cè)量。

3 結(jié)論與展望

從平面葉柵和渦輪轉(zhuǎn)子兩個(gè)方面、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)蓚€(gè)角度，總結(jié)分析了渦輪葉尖泄漏流動(dòng)測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀，得到了如下結(jié)論：

1）在平面葉柵實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)超/跨聲速流場(chǎng)下泄漏流的穩(wěn)/動(dòng)態(tài)測(cè)量較少，對(duì)超/跨聲速渦輪葉柵葉尖附近激波與泄漏流之間的相互作用捕捉不足。

2）無論是基于平面葉柵還是基于渦輪轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于間隙內(nèi)部，特別是非均勻葉頂間隙內(nèi)部的非定常測(cè)量較為欠缺，亟待開展深入研究，以更深層次地揭示各種流動(dòng)控制方法的作用機(jī)理。

未來，基于渦輪轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合端壁動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量陣列和三維粒子圖像測(cè)速技術(shù)（SPIV）特別是內(nèi)窺PIV 技術(shù)對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙內(nèi)部及附近泄漏流的非定常流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量是一個(gè)重要的發(fā)展方向。除此之外，基于平面葉柵實(shí)驗(yàn)，可以開展超/跨聲速渦輪葉柵尖區(qū)泄漏流動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，獲得較為詳細(xì)的激波與邊界層相互干涉的流場(chǎng)分布。