朱蘭，張劍，卿雄杰

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

高壓渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)及改進(jìn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

朱蘭，張劍，卿雄杰

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

對一高壓渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相鄰測試葉片流場的周期性較差，給導(dǎo)向器氣動(dòng)性能試驗(yàn)評估帶來極大困難。對試驗(yàn)件的數(shù)值模擬亦給出了相同結(jié)果。為提高試驗(yàn)評估精度，采用幾何設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬迭代的方法，對試驗(yàn)件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。對改進(jìn)試驗(yàn)件進(jìn)行的試驗(yàn)表明，高壓渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵通道內(nèi)的周期性得到明顯改善，該試驗(yàn)結(jié)果可較為準(zhǔn)確地評估導(dǎo)向器的氣動(dòng)性能。

渦輪導(dǎo)向器；扇形葉柵；數(shù)值模擬；改進(jìn)設(shè)計(jì)；試驗(yàn)驗(yàn)證；周期性

1 引言

隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和膨脹比的不斷提高，高壓渦輪導(dǎo)向器的氣動(dòng)負(fù)荷不斷提高，葉片出口工作狀態(tài)往往達(dá)到超聲速狀態(tài)，激波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；同時(shí)，葉片采用大量冷氣進(jìn)行冷卻，冷氣與主氣摻混顯著；葉片二次流動(dòng)顯著增強(qiáng)，三維流動(dòng)效應(yīng)明顯。以上現(xiàn)象造成葉片中的流動(dòng)損失急劇增加，故快速獲取高壓渦輪導(dǎo)向器的損失特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，縮短設(shè)計(jì)周期，具有十分重要的意義。

扇形葉柵試驗(yàn)是快速獲取導(dǎo)向器損失特性的重要手段。通過扇形葉柵試驗(yàn)，獲得渦輪導(dǎo)向器的損失特性和三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)，可準(zhǔn)確評價(jià)其性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)水平，驗(yàn)證渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)模型精度，并為校核三維CFD軟件提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[1-2]。

本文以一高壓渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵為研究對象，首次在葉片表面等葉高截面上布置大量測點(diǎn)，詳細(xì)研究其流場結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)性能。但試驗(yàn)結(jié)果表明，相鄰測試葉片流場周期性較差，無法有效驗(yàn)證導(dǎo)向器葉片性能。為解決這一問題，采用CFD軟件對真實(shí)試驗(yàn)件進(jìn)行了數(shù)值模擬，指導(dǎo)完成了試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)和補(bǔ)充加工，并完成了改進(jìn)后的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件

某高壓渦輪導(dǎo)向器由32片葉片組成，設(shè)計(jì)狀態(tài)導(dǎo)向器出口絕對馬赫數(shù)為1.05。受試驗(yàn)設(shè)備能力限制，試驗(yàn)件(圖1)由4個(gè)完整真實(shí)葉片、2個(gè)半葉片構(gòu)成。測量表面靜壓分布的A、B兩組葉片，其結(jié)構(gòu)差異見圖2。測量葉片由兩半加工組成，其中A葉片在壓力面對開，B葉片在吸力面對開，以便準(zhǔn)確測量A葉片壓力面靜壓和B葉片吸力面靜壓。為詳細(xì)研究扇形葉柵流場細(xì)節(jié)，在根(10%)、中(50%)、尖(90%)三個(gè)截面布置76點(diǎn)，緣板布置60點(diǎn)，進(jìn)出口截面布置148點(diǎn)用于靜壓測量。在導(dǎo)向器扇形葉柵出口截面(X=0.07 m)，詳細(xì)測量葉片出口流場。

圖1 扇形葉柵試驗(yàn)件Fig.1 Sector cascade section

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和測試

試驗(yàn)在中國燃?xì)鉁u輪研究院超、跨聲速平面葉柵風(fēng)洞中進(jìn)行[3]。該設(shè)備是一座暫沖吹入大氣式超、跨聲速平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)器，通過葉柵出口特設(shè)的調(diào)節(jié)凸塊，調(diào)節(jié)出口流場徑向壓力梯度，以模擬導(dǎo)向器出口真實(shí)流場。可進(jìn)行不同出口馬赫數(shù)和不同冷氣流量比下，扇形葉柵的氣動(dòng)性能測量。

圖2 測壓葉片示意圖Fig.2 Blades for pressure measurement

扇形葉柵試驗(yàn)測試內(nèi)容：①測量不同狀態(tài)下扇形葉柵各種損失沿葉高的分布；②測量不同狀態(tài)下扇形葉柵出口靜壓、氣流角等沿葉高的分布；③測量不同狀態(tài)下扇形葉柵出口氣流角、總壓、靜壓等沿周向的分布(由二維位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)五孔壓力探針[4]，在出口流場測量截面上沿周向2個(gè)柵距、葉高方向12個(gè)截面測量)；④測量不同出口壓力梯度條件下扇形葉柵性能參數(shù)變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測量了導(dǎo)向器扇形葉柵根部出口等熵馬赫數(shù)Ma2hwav=0.70、0.80、0.90、1.00、1.10、1.20狀態(tài)下，兩組葉片根、中、尖截面表面的等熵馬赫數(shù)分布，及上、下緣板靜壓。本文只分析Ma2hwav=1.10狀態(tài)。

圖3 A、B葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.3 Comparison of the isentropic Mach number distribution on blade A and blade B surface

Ma2hwav=1.10時(shí)，A葉片和B葉片根、中、尖截面表面的等熵馬赫數(shù)分布對比如圖3所示?？梢?，A、B葉片各測量截面的峰值馬赫數(shù)相差較大，尤其是葉尖截面相差近0.43。B葉片等熵馬赫數(shù)峰值最高值出現(xiàn)在尖截面，接近1.85；A葉片等熵馬赫數(shù)峰值最高值出現(xiàn)在中截面，接近1.70。B葉片的工作狀態(tài)明顯高于A葉片。同時(shí)，該導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)狀態(tài)為Ma2hwav=1.10，試驗(yàn)結(jié)果反映出導(dǎo)向器各截面峰值馬赫數(shù)均異常偏高。綜上所述，導(dǎo)向器扇形葉柵未能保證流場周期性，同時(shí)測量的兩個(gè)葉片工作狀態(tài)均比設(shè)計(jì)狀態(tài)高。

圖4是在上、下緣板測量的槽道等熵馬赫數(shù)分布?？梢?，在上、下緣板，B葉片吸力面喉部后均存在較強(qiáng)激波，峰值馬赫數(shù)均達(dá)到了1.60左右；A葉片吸力面喉部后激波明顯減弱，且下緣板峰值馬赫數(shù)比上緣板高。這與圖3反映的葉片載荷分布一致，表明A、B葉片的流場周期性均較差。

圖4 槽道等熵馬赫數(shù)分布云圖Fig.4 Contours of isentropic Mach number distribution

導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)測量結(jié)果是否可靠、有效，其前提條件是試驗(yàn)件通道中的流場信息具有周期性。通過本次試驗(yàn)結(jié)果可知，該導(dǎo)向器扇形葉柵通道中流場周期性較差，試驗(yàn)測量結(jié)果不能準(zhǔn)確評估導(dǎo)向器性能。

3.2 結(jié)果分析

采用數(shù)值模擬，分析導(dǎo)向器扇形葉柵流場結(jié)構(gòu)，并與試驗(yàn)結(jié)果對比。根據(jù)試驗(yàn)件真實(shí)形狀，采用UG建立實(shí)體模型。采用ICEM CFD 12.0[5]劃分四面體網(wǎng)格，在壁面劃分了附面層，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)403 245，網(wǎng)格單元數(shù)1 533 353，計(jì)算網(wǎng)格見圖5。

圖5 計(jì)算網(wǎng)格Fig.5 Computational grids

采用商業(yè)流體軟件CFX 12.0[6]進(jìn)行導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)件的三維粘性數(shù)值模擬。進(jìn)口給定總壓、總溫，出口邊界給定靜壓沿徑向分布，其余壁面均為無滑移、絕熱壁面。調(diào)整出口靜壓，保證計(jì)算時(shí)根截面出口等熵馬赫數(shù)與試驗(yàn)測量結(jié)果一致，約為1.10。

圖6 A、B葉片表面等熵馬赫數(shù)分布計(jì)算值與試驗(yàn)值對比Fig.6 Comparison of the isentropic Mach number distribution on blade A and blade B surface between computation and experiment

A葉片和B葉片根、中、尖截面的等熵馬赫數(shù)分布和試驗(yàn)結(jié)果對比見圖6。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在各截面，B葉片峰值馬赫數(shù)均比A葉片高，這與試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致。在葉根截面吸力面，喉道前計(jì)算的等熵馬赫數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，峰值馬赫數(shù)均比試驗(yàn)值高；在葉中和葉尖截面，A、B葉片吸力面峰值馬赫數(shù)均逐漸降低?？梢?，數(shù)值模擬結(jié)果較好地反映了試驗(yàn)結(jié)果，有利于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)造成扇形葉柵試驗(yàn)件流場周期性較差的原因。

圖7為計(jì)算的試驗(yàn)件根、中、尖截面的馬赫數(shù)分布云圖?？梢姡囼?yàn)件通道內(nèi)，喉道前馬赫數(shù)分布周期性較好，喉道后馬赫數(shù)分布不具有周期性。自上往下，第二、第三個(gè)完整葉片分別是試驗(yàn)測量的B葉片和A葉片。在根、中、尖截面，B葉片喉部激波強(qiáng)度均明顯強(qiáng)于A葉片。

綜上分析，導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)不能準(zhǔn)確反映整環(huán)導(dǎo)向器中的流動(dòng)，也不能通過其準(zhǔn)確評價(jià)導(dǎo)向器性能。在導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)件設(shè)計(jì)中，為引導(dǎo)出口氣流流動(dòng)，在兩側(cè)加了導(dǎo)流板。而導(dǎo)流板限制了導(dǎo)葉出口氣流流動(dòng)，對第一和第二個(gè)導(dǎo)葉的吸力面尾緣激波產(chǎn)生反射，擾亂了試驗(yàn)件中流場，破壞了流場周期性。因此，葉片數(shù)/通道數(shù)較少時(shí)，必須精心設(shè)計(jì)試驗(yàn)件兩側(cè)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)形式。

圖7 試驗(yàn)件根、中、尖截面馬赫數(shù)分布云圖(計(jì)算)Fig.7 Contours of Mach number distribution

4 試驗(yàn)件改進(jìn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)

激波在固體壁面上的反射對葉柵出口流場的周期性有很大影響。為保證葉柵出口流場的周期性，在設(shè)計(jì)扇形葉柵試驗(yàn)件時(shí)，必須過濾掉激波。

為充分利用資源，在該試驗(yàn)件基礎(chǔ)上用最小代價(jià)完成改進(jìn)設(shè)計(jì)。將試驗(yàn)件兩側(cè)導(dǎo)流板在導(dǎo)向葉片尾緣軸向位置處截?cái)?圖8)，消除導(dǎo)流板對激波的反射，使扇形葉柵中流動(dòng)盡量接近全環(huán)導(dǎo)向器中的真實(shí)流動(dòng)。通過數(shù)值分析評判改進(jìn)效果，從而達(dá)到一次即可加工完成、減少試驗(yàn)次數(shù)和經(jīng)費(fèi)的目的。

4.2 數(shù)值模擬

為真實(shí)模擬試驗(yàn)件中流動(dòng)，三維分析模型按試驗(yàn)件真實(shí)實(shí)體建立，并考慮大氣環(huán)境影響。整個(gè)試驗(yàn)件被包圍在一有限大氣環(huán)境中。采用CFX 12.0對改進(jìn)后的扇形葉柵試驗(yàn)件進(jìn)行三維流場分析。采用ICEM CFD 12.0劃分四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)563 870，網(wǎng)格單元數(shù)1 663 512，計(jì)算網(wǎng)格見圖9。

圖8 改進(jìn)設(shè)計(jì)后的試驗(yàn)件模型Fig.8 Test section model after improvement

圖9 改進(jìn)設(shè)計(jì)后的計(jì)算網(wǎng)格Fig.9 Computational grids after improvement

計(jì)算狀態(tài)為Ma2hwav=1.10，進(jìn)口給定總壓、總溫，外界大氣采用opening邊界，給定大氣靜壓，其余壁面均為光滑、無滑移、絕熱壁面。

A葉片和B葉片根、中、尖截面的表面等熵馬赫數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖10?？梢姡贛a2hwav=1.10狀態(tài)下，改進(jìn)導(dǎo)流板后葉片表面的等熵馬赫數(shù)峰值基本降到了1.20以下，與基準(zhǔn)葉柵設(shè)計(jì)結(jié)果基本相符。與原試驗(yàn)件計(jì)算的葉片表面等熵馬赫數(shù)相比，峰值馬赫數(shù)大幅降低。同時(shí)，A、B葉片各截面的表面等熵馬赫數(shù)分布基本一致，只在峰值處有細(xì)微差異，最大相差約0.10。

圖11為改進(jìn)設(shè)計(jì)后，試驗(yàn)件根、中、尖截面的等熵馬赫數(shù)分布云圖。可見，自上而下，除第一個(gè)通道喉部位置處激波較強(qiáng)外，A、B葉片工作狀態(tài)基本一致，在葉柵吸力面相同位置都有激波存在，且激波強(qiáng)度基本接近。在離葉片尾緣較近的軸向位置，周期性較好；隨著出口位置離葉片尾緣距離的增加，周期性逐漸變差。由于出口凸塊的影響，尖截面上流體速度在凸塊處突變?yōu)?。

圖12是改進(jìn)設(shè)計(jì)后試驗(yàn)件出口X=0.05 m截面和測試截面(X=0.07 m)上的馬赫數(shù)分布云圖。可見，X=0.05 m截面葉柵出口馬赫數(shù)分布具有一定周期性，X=0.07 m截面馬赫數(shù)分布周期性逐漸變差。這是由于切除部分導(dǎo)流板后，葉片吸力面后的空氣由于引射作用，逐漸摻混進(jìn)入測試截面。

圖10 改進(jìn)設(shè)計(jì)后A、B葉片表面等熵馬赫數(shù)分布(計(jì)算)Fig.10 Isentropic Mach number distribution of blade A and blade B surface after improvement

圖11 改進(jìn)設(shè)計(jì)后試驗(yàn)件根、中、尖截面馬赫數(shù)分布云圖Fig.11 Contours of Mach number distribution after improvement

圖12 改進(jìn)設(shè)計(jì)后試驗(yàn)件出口截面上的馬赫數(shù)分布云圖(計(jì)算)Fig.12 Mach number distribution contours at different outlet cross section after improvement

綜上所述，改進(jìn)后扇形葉柵試驗(yàn)件能較為真實(shí)地反映全環(huán)導(dǎo)向器葉柵中流動(dòng)，A、B葉片所在通道區(qū)域流場周期性明顯改善，滿足改進(jìn)設(shè)計(jì)要求。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照三維粘性分析結(jié)果，對原扇形葉柵試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補(bǔ)充加工，切除了導(dǎo)向器尾緣軸向位置以后的導(dǎo)流板，出口總壓、總溫和馬赫數(shù)測量截面與原試驗(yàn)件測量位置相同。在設(shè)備上重新進(jìn)行試驗(yàn)。

圖13為改進(jìn)設(shè)計(jì)后Ma2hwav=1.10下，A、B葉片表面等熵馬赫數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值對比。可見，A、B葉片的三維粘性計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均吻合較好。試驗(yàn)測量的葉片表面等熵馬赫數(shù)峰值均低于1.21，較改進(jìn)前的1.80大幅降低，激波強(qiáng)度明顯減弱，證明該渦輪導(dǎo)向器設(shè)計(jì)比較合理。在Ma2hwav=1.10下，有效控制了激波強(qiáng)度。試驗(yàn)測量的A、B葉片表面等熵馬赫數(shù)分布相似，峰值馬赫數(shù)相差在0.10范圍內(nèi)。試驗(yàn)件通道中周期性較好。

圖13 改進(jìn)設(shè)計(jì)后A、B葉片表面等熵馬赫數(shù)分布計(jì)算值與試驗(yàn)值對比Fig.13 Comparison of the isentropic Mach number distribution on blade A and blade B surface between computation and experiment after improvement

圖14為出口馬赫數(shù)分布云圖，可見圖12(b)的與此基本一致，數(shù)值結(jié)果較好地預(yù)測了試驗(yàn)結(jié)果。

綜上所述，該高壓渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)件在切除兩側(cè)的導(dǎo)流板后，消除了導(dǎo)流板對激波的反射和對流場的限制，通道中激波強(qiáng)度大幅減弱，明顯改善了通道中流場周期性，準(zhǔn)確獲得了導(dǎo)向器根、中、尖截面的載荷分布，改進(jìn)設(shè)計(jì)取得良好效果。

圖14 改進(jìn)設(shè)計(jì)后出口馬赫數(shù)分布云圖(試驗(yàn))Fig.14 Mach number distribution contours at outlet after improvement

5 結(jié)論

(1)通過導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，明顯改善了扇形葉柵流場的周期性，獲得的試驗(yàn)結(jié)果能準(zhǔn)確評價(jià)該渦輪導(dǎo)向器的性能。

(2)在通道數(shù)較少的情況下，必須精心設(shè)計(jì)導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)件兩側(cè)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)形式，以保證較好的流場周期性。

(3)通過該渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)件改進(jìn)設(shè)計(jì)，積累了扇形葉柵試驗(yàn)件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為其他類似試驗(yàn)件設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，為快速、可靠評估導(dǎo)向器性能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]陳紹文，陳浮，徐文遠(yuǎn)，等.變攻角下低壓渦輪導(dǎo)向器二次流的實(shí)驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2005，18 (4)：15—19.

[2]衛(wèi)剛，王永明，王松濤，等.高性能低壓渦輪設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2013，26(2)：6—11.

[3]姜正禮，凌代軍，王暉.高壓渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵試驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2006，19(1)：17—20.

[4]張曉東，姜正禮，趙旺東.五孔探針在渦輪導(dǎo)向器出口流場測量中的應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2010，23 (4)：44—48.

[5]Guide to the ICEM CFD Documentation[M].Canonsburg：ANSYS Inc.，2010.

[6]Guide to the CFX Documentation[M].Canonsburg：ANSYS Inc.，2010.

Experiment and Improved Design Verification on the Sector Cascade of High Pressure Turbine Nozzle

ZHU Lan，ZHANG Jian，QING Xiong-jie
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

An experiment of the sector cascades of high pressure turbine nozzle without expected periodici?ty of flow fields brings difficulty to evaluate the aerodynamic performance of guide vane.The simulation re?sults verified this characteristic of nonperiodicity.In order to improve the accuracy of experiment assess?ment,the improved design of the test section was carried out by means of iteration between geometry design and numerical simulation.The experiment results of improved specimen indicate that the periodicity is obvi?ously improved in the sector cascade channels of high pressure turbine guide vane.The experiment results can be used to evaluate the aerodynamic performance of guide vane.

turbine nozzle；sector cascade；numerical simulation；improved design；experiment verification；periodicity

V 211.7；V235.11+3

：A

：1672-2620(2014)05-0019-06

2013-09-26；

：2014-08-19

朱蘭(1983-)，女，四川蒼溪人，工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件氣動(dòng)設(shè)計(jì)。