馬 超， 臧述升， 黃名海

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

早在20世紀(jì)50年代，西方先進(jìn)國(guó)家就開(kāi)始了變幾何渦輪技術(shù)可行性的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究.目前對(duì)變幾何渦輪技術(shù)的研究與應(yīng)用均采取變導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角（VAN）技術(shù)方案.該變幾何渦輪技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)在航空、船舶及汽車(chē)等行業(yè)得到了發(fā)展，因此對(duì)變幾何渦輪技術(shù)進(jìn)行深入研究非常有必要.研究者對(duì)變幾何渦輪技術(shù)已進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果［1－6］，但以往的研究手段大多集中在使用仿真手段以及使用熱線風(fēng)速儀、三孔/五孔探針等傳統(tǒng)的氣動(dòng)測(cè)試手段，對(duì)于準(zhǔn)確全面地把握葉柵流道中流動(dòng)，特別是旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉葉柵流道中流動(dòng)的完整細(xì)節(jié)有所欠缺.筆者利用二維粒子成像測(cè)速（PIV）技術(shù)［7］，以干冰顆粒作為示蹤粒子，對(duì)某變幾何渦輪級(jí)的動(dòng)葉葉柵流道及其下游區(qū)域的流場(chǎng)在不同導(dǎo)葉安裝角工況下進(jìn)行了可視化研究，通過(guò)測(cè)量結(jié)果總結(jié)不同區(qū)域流場(chǎng)速度及氣流角隨導(dǎo)葉安裝角改變的變化規(guī)律以及渦量場(chǎng)的變化規(guī)律.研究結(jié)果為進(jìn)一步深入理解變幾何渦輪內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)葉輪機(jī)械實(shí)驗(yàn)室變幾何渦輪氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由風(fēng)源、穩(wěn)壓箱、葉柵實(shí)驗(yàn)段與測(cè)功器組成.風(fēng)源的主要設(shè)備包括離心式壓氣機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變速箱.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

本實(shí)驗(yàn)的葉柵實(shí)驗(yàn)段包括一個(gè)渦輪級(jí)葉柵，其中導(dǎo)葉部分包括10片可調(diào)導(dǎo)葉葉片，其最大可調(diào)轉(zhuǎn)角在±10°范圍內(nèi)，動(dòng)葉部分包括全周完整的76片動(dòng)葉，由測(cè)功器控制其轉(zhuǎn)速，其中導(dǎo)葉為直葉片，動(dòng)葉為扭轉(zhuǎn)角23.6°的扭葉片，渦輪級(jí)具體尺寸如圖2所示.

圖2 變幾何渦輪尺寸圖Fig.2 Structural diagram of the variable geometry turbine

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用PIV技術(shù)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉葉柵內(nèi)部的復(fù)雜流場(chǎng)進(jìn)行可視化研究和分析，采用丹麥Dantec公司生產(chǎn)的PIV系統(tǒng)，其中激光片光源系統(tǒng)以雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器為光源，工作頻率為15 Hz，每個(gè)脈沖能量為250 MJ，輸出激光波長(zhǎng)為532 nm（綠光）.圖像拍攝系統(tǒng)采用分辨率為4 000×2 672像素的CCD相機(jī).實(shí)驗(yàn)采用干冰作為示蹤粒子，Love等［8］對(duì)使用干冰粒子作為PIV示蹤粒子的方法和其準(zhǔn)確性進(jìn)行過(guò)詳盡研究.葉柵實(shí)驗(yàn)段出口是用有機(jī)玻璃做成的透明管道，方便激光射入葉柵流道.實(shí)驗(yàn)時(shí)片光源處于動(dòng)葉下游中間葉高位置，片光源沿動(dòng)葉出口的逆方向射入，在動(dòng)葉葉柵的上方開(kāi)有可視化窗口，CCD相機(jī)垂直片光源平面進(jìn)行拍攝（見(jiàn)圖3）.

圖3 PIV拍攝方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of the PIV shooting method

在對(duì)動(dòng)葉葉柵流場(chǎng)進(jìn)行PIV拍攝時(shí)使用外觸發(fā)模式，需要在待測(cè)的動(dòng)葉葉柵位置安裝光電觸發(fā)器.當(dāng)待測(cè)葉柵到達(dá)所需測(cè)量位置前，光電觸發(fā)器給PIV同步控制器一個(gè)電信號(hào)，通過(guò)同步控制器控制激光器與CCD相機(jī)的協(xié)同工作，確保對(duì)待測(cè)的動(dòng)葉葉柵流道所需測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅調(diào)整導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角，考察導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角對(duì)動(dòng)葉葉柵流道及其下游區(qū)域流動(dòng)的影響.實(shí)驗(yàn)在來(lái)流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)渦輪轉(zhuǎn)速均不變的情況下進(jìn)行，其中渦輪轉(zhuǎn)速為1 380 r/min，排氣經(jīng)試驗(yàn)段出口管道（0.4 m長(zhǎng)的扇形通道）進(jìn)入大氣.實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Testing conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4給出了測(cè)功器測(cè)出的不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角下葉輪輸出功率的對(duì)比.由圖4可知，葉輪輸出功率隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的變化呈現(xiàn)單調(diào)變化特性，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從6°轉(zhuǎn)到－6°過(guò)程中，葉輪輸出功率從3.09 k W增加到4.39 k W，輸出功率增加了近42%，且在該過(guò)程中近似呈線性增加.由表1可知，隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的變化，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口總壓也同樣表現(xiàn)出單調(diào)變化的特性.

圖4 不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角下輸出功率的比較Fig.4 Comparison of output power at different guide vane angles

為了充分掌握導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角改變對(duì)渦輪動(dòng)葉葉柵流動(dòng)的影響，進(jìn)一步分析導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角改變對(duì)渦輪整體性能的影響，對(duì)不同轉(zhuǎn)角工況下的動(dòng)葉葉柵流道及其下游區(qū)域進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn).PIV測(cè)量獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是葉柵流道中截面的瞬時(shí)速度矢量，由于流場(chǎng)是隨時(shí)間脈動(dòng)的，而實(shí)際人們?cè)诜治隽鲃?dòng)性能時(shí)更關(guān)心的是大量瞬時(shí)流場(chǎng)的平均值.因此，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)待測(cè)葉柵進(jìn)行了大量的拍攝，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均，從而得到該葉柵流道流動(dòng)的平均流場(chǎng)信息.以下均以此平均流場(chǎng)進(jìn)行分析.由表1和圖4可知，渦輪性能隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的改變呈現(xiàn)單調(diào)變化特性，PIV拍攝結(jié)果也同樣如此，為了更清晰地反映導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變化對(duì)渦輪動(dòng)葉葉柵流動(dòng)的影響，選取導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角在＋6°、0°和－6°3個(gè)工況下進(jìn)行對(duì)比分析.

首先對(duì)以上3個(gè)工況下葉輪流道的速度場(chǎng)進(jìn)行分析.圖5給出了不同工況下渦輪動(dòng)葉葉柵流道及其下游區(qū)域的絕對(duì)速度分布.由圖5可見(jiàn)，葉輪出口附近及其下游區(qū)域的氣流速度隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開(kāi)度方向調(diào)整而逐漸增大，且在葉輪出口附近速度明顯增大，這是因?yàn)樵撐恢锰幱诤砜谖恢?，氣流在該區(qū)域得到了明顯的膨脹加速.在動(dòng)葉葉柵流道內(nèi)部隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角偏向小開(kāi)度，該區(qū)域氣流速度增大更加明顯，表明上游導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的改變對(duì)于動(dòng)葉葉柵流道內(nèi)部氣流的影響明顯大于葉柵尾部及其下游區(qū)域.在來(lái)流流量基本不變的情況下，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角偏向小開(kāi)度調(diào)整，導(dǎo)葉出口及動(dòng)葉進(jìn)口氣流速度不斷增大，且動(dòng)葉進(jìn)口氣流沖角增大，導(dǎo)致氣流在動(dòng)葉通道內(nèi)的折轉(zhuǎn)角增大，最終使得圖4中葉輪輸出功率不斷增大.

圖5 不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角下絕對(duì)速度分布圖Fig.5 Absolute velocity contour at different guide vane angles

圖6為不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角工況下渦輪動(dòng)葉流道出口截面上氣流速度的對(duì)比，該出口截面位置即圖7中l(wèi)ine1位置，其橫坐標(biāo)y/t為圖7中y方向的相對(duì)位置，其極值在圖7中標(biāo)注，t的絕對(duì)值約為1.5倍柵距.葉柵中流體軸向速度（U）和圓周速度（V）的正方向也示于圖7.由圖6可知，隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開(kāi)度方向調(diào)整，動(dòng)葉出口截面的軸向速度和圓周速度均明顯增大，與之相對(duì)應(yīng)的出口截面絕對(duì)速度也明顯增大，其最大速度均出現(xiàn)在相對(duì)長(zhǎng)度0.5附近（即流道出口中間位置），當(dāng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從6°轉(zhuǎn)到－6°過(guò)程中，動(dòng)葉出口截面最大速度從36 m/s增大到40 m/s，增加了11%.動(dòng)葉葉柵出口截面的氣流角度也隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的變小而單調(diào)變大，但變化程度相對(duì)較小.由此可知，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角對(duì)動(dòng)葉出口附近氣流速度具有較明顯的影響，而對(duì)速度方向的影響相對(duì)較小.

圖8為不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角工況下動(dòng)葉中間弦長(zhǎng)附近截面速度的對(duì)比，圖中的軸向速度、圓周速度和絕對(duì)速度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于圖7中l(wèi)ine2從下向上取點(diǎn)的數(shù)據(jù)（其他規(guī)定與圖6相同）.圖8中速度為0的曲線段對(duì)應(yīng)于由于葉片遮擋激光無(wú)法到達(dá)的拍攝盲區(qū).由于該盲區(qū)內(nèi)的速度值均為0，因此該區(qū)域內(nèi)所對(duì)應(yīng)的氣流角度是沒(méi)有意義的，圖8中氣流角度的數(shù)據(jù)僅對(duì)應(yīng)于圖7中l(wèi)ine3所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù).由圖8可見(jiàn)，隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開(kāi)度方向調(diào)整，葉輪流道內(nèi)部氣流速度的大小和角度基本呈現(xiàn)單調(diào)變化的特性，其中最大速度均出現(xiàn)在葉輪流道中間部位（圖中相對(duì)長(zhǎng)度0.2和0.8的位置），導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從＋6°轉(zhuǎn)到－6°的過(guò)程中，最大絕對(duì)速度從32 m/s增大到45 m/s，增加了約40.6%.

圖6 動(dòng)葉出口截面速度的比較Fig.6 Comparison of outlet velocity at different guide vane angles

圖7 數(shù)據(jù)點(diǎn)位置示意圖Fig.7 Location of data points

圖8 中間弦長(zhǎng)附近截面速度的比較Fig.8 Comparison of middle section velocity at different guide vane angles

下面對(duì)變幾何渦輪動(dòng)葉葉柵流道及其下游區(qū)域渦量場(chǎng)進(jìn)行分析.在不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角工況下，葉柵流道內(nèi)部及其下游區(qū)域渦量分布圖的規(guī)律近似，如圖9所示，但分布區(qū)域的大小有所不同.二維渦量的ωvor定義由下式給出［9］：

二維渦量遵循右手法則，正值代表氣流正旋，方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲猓?fù)值代表反旋，方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?為了對(duì)葉柵流道的渦量分布現(xiàn)象進(jìn)行闡述，首先以圖9中－6°轉(zhuǎn)角的云圖為例進(jìn)行分析.由圖9可見(jiàn)，葉輪流道內(nèi)的高渦量區(qū)域主要分布在動(dòng)葉壁面附近且正漩渦和反漩渦成對(duì)出現(xiàn)，為敘述方便將葉輪流道靠近吸力面位置從葉片前緣到尾緣位置分成A、B和C 3個(gè)區(qū)域，將葉片壓力面從葉片前緣到尾緣位置分成D、E和F 3個(gè)區(qū)域，將葉片尾緣下游分為G和H 2個(gè)區(qū)域.由圖9可見(jiàn)，在葉片吸力面A區(qū)域內(nèi)，氣流首先形成比較強(qiáng)的反漩渦，隨著流動(dòng)的進(jìn)行這種反漩渦逐漸減弱并形成一個(gè)比較明顯的低渦量區(qū)域（B區(qū)域）.氣流沿葉片吸力面附近繼續(xù)流動(dòng)到達(dá)C區(qū)域時(shí)，氣流渦量逐漸增大并形成比較明顯的正渦量分布，這種正渦量氣流分布在葉片下游區(qū)域一直存在并構(gòu)成葉片尾緣渦的一部分（G區(qū)域）向下游傳播.葉片壓力面附近的渦量分布則表現(xiàn)出與吸力面完全相反的規(guī)律，首先在D區(qū)域形成明顯的正漩渦，這種正漩渦占據(jù)了大約70%的吸力面位置，隨后氣流的渦量逐漸減弱并形成一個(gè)比較小的低渦量區(qū)域（E區(qū)域），之后在靠近葉片尾緣附近形成比較明顯的反漩渦（F區(qū)域），這種反漩渦一直向下游傳播（如H區(qū)域所示），并與G區(qū)域的正漩渦一起構(gòu)成了動(dòng)葉葉片的尾跡.所得結(jié)果與Soranna等［10］利用PIV技術(shù)得到的動(dòng)葉尾跡渦量場(chǎng)分布極為相似.

如圖9所示，隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開(kāi)度方向調(diào)整，葉輪流道內(nèi)部的正漩渦和反漩渦區(qū)域均有所增大，低漩渦區(qū)域相應(yīng)減小，表明上游導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角對(duì)葉輪流道內(nèi)部的流動(dòng)損失有明顯影響，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變小，葉輪流道內(nèi)部流動(dòng)損失增加.觀察葉片尾跡同樣可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變小后葉輪尾跡所對(duì)應(yīng)的渦量分布更加明顯，尾跡損失有所增加.

圖9 不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角下渦量分布圖Fig.9 Vorticity contour at different guide vane angles

3 結(jié) 論

（1）PIV技術(shù)可以有效獲得變幾何渦輪動(dòng)葉葉柵及其下游區(qū)域的速度場(chǎng)和渦量場(chǎng)分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為研究變幾何渦輪內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)提供參考.

（2）導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從＋6°向－6°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，渦輪動(dòng)葉葉柵流道出口及其下游區(qū)域氣流絕對(duì)速度增大，出口截面最大速度增加約11%，但對(duì)該區(qū)域氣流角度的影響相對(duì)較小.

（3）導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從＋6°向－6°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，渦輪動(dòng)葉葉柵流道內(nèi)部氣流速度明顯增大，最大絕對(duì)速度增加約40.6%，對(duì)氣流角的影響也比較明顯.變幾何導(dǎo)葉的調(diào)整對(duì)動(dòng)葉葉柵流道內(nèi)部氣流的影響大于對(duì)葉柵出口及其下游區(qū)域的影響.

（4）隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開(kāi)度方向調(diào)整，動(dòng)葉葉柵流道內(nèi)部氣流角和速度均不斷增大，最終導(dǎo)致葉柵輸出功率不斷增大，但流道內(nèi)部及尾緣下游區(qū)域氣流渦量增加，動(dòng)葉流動(dòng)損失會(huì)有所增大.

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