謝金偉，劉志剛，張曉東，朱承華，趙旺東

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

航空發(fā)動機(jī)研制朝著更高的渦輪前溫度和更緊湊的燃燒室結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，由此帶來渦輪進(jìn)口流動規(guī)律復(fù)雜、流場參數(shù)分布不均等問題，并在渦輪進(jìn)口形成具有明顯高溫核心區(qū)的燃?xì)饬鲌F(tuán)，即所謂的熱斑(Hot Streak)現(xiàn)象。熱斑在渦輪葉柵流道中的遷移會導(dǎo)致葉片特定位置出現(xiàn)局部高溫區(qū)，增加葉身熱應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)還會造成葉片局部燒蝕[1]。為此需開展渦輪葉柵進(jìn)口熱斑遷移特性及其主要影響因素研究，以針對渦輪葉片局部高溫區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)冷卻，在保證葉片冷卻效果和可靠性的前提下，減少冷氣用量，提高渦輪效率，保證渦輪運(yùn)行安全。

從公開文獻(xiàn)看，美國NASA Lewis研究中心[2]、聯(lián)合技術(shù)研究中心(UTRC)[3]、空軍研究試驗(yàn)室(AFRL)[4]、德克薩斯州立大學(xué)[5]及英國QinetiQ研究中心[6]等，均擁有開展渦輪進(jìn)口熱斑試驗(yàn)的渦輪級性能試驗(yàn)器和進(jìn)行熱斑機(jī)理研究的葉柵試驗(yàn)器，以O(shè)ng[7]、Halde?man[8]、Denton[9]、Dorney[10]、He[11]等為代表的學(xué)者對熱斑現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究。但公開文獻(xiàn)也表明，國外對熱斑的研究還不夠系統(tǒng)，對一些相似的熱斑現(xiàn)象甚至還得到了相悖的結(jié)論[6，10]。近年來，國外在一部分渦輪及葉柵試驗(yàn)設(shè)備改造升級、新建時(shí)，還將渦輪進(jìn)口熱斑模擬作為一個(gè)重要的試驗(yàn)器功能進(jìn)行考慮[12]，說明目前對熱斑現(xiàn)象還有繼續(xù)深入研究的必要。國內(nèi)對熱斑現(xiàn)象的研究起步較晚，直到本世紀(jì)初董素艷[13]、季路成[14]、劉高文[15]、薛偉鵬[16]等才分別開展了一些與熱斑相關(guān)的數(shù)值計(jì)算工作，以及閆朝[17]在日本三菱重工高砂研究所、趙慶軍[18]在中科院工程熱物理研究所的渦輪試驗(yàn)臺上對熱斑現(xiàn)象進(jìn)行了部分試驗(yàn)研究。目前，國內(nèi)還未見有關(guān)渦輪葉柵內(nèi)熱斑遷移及影響機(jī)理試驗(yàn)研究的公開報(bào)道。

本文采用數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)搭建了一套渦輪葉柵進(jìn)口熱斑遷移及其影響因素研究的試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)段進(jìn)口采用擾流格柵模擬湍流，采用直接向主流中注入熱氣流方式模擬熱斑，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了進(jìn)口裝置的模擬效果。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備氣源條件，采用NASA的C3X葉片作為試驗(yàn)葉片，完成了葉柵試驗(yàn)段的周期性優(yōu)化設(shè)計(jì)和葉片材料選擇。分別測量葉柵進(jìn)、出口溫度場以獲取進(jìn)、出口熱斑形態(tài)，葉片表面溫度采用紅外熱像儀和熱電偶對比測量。該套試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和成功應(yīng)用，可為深入了解并掌握熱斑的遷移擴(kuò)散規(guī)律、進(jìn)而開展熱斑進(jìn)口邊界條件下的渦輪葉柵氣熱耦合設(shè)計(jì)優(yōu)化等提供重要的試驗(yàn)硬件支撐。同時(shí)，該試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，也可為類似裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

2 進(jìn)口模擬裝置

熱斑試驗(yàn)進(jìn)口模擬裝置的功能主要是產(chǎn)生不同湍流強(qiáng)度的主流進(jìn)口條件和不同特征的熱斑流動，即湍流模擬和熱斑模擬。根據(jù)試驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了一組可拆卸的圓柱擾流棒組合件進(jìn)行湍流模擬(圖1(a))。擾流棒兩端通過螺栓固定在外框架上，可根據(jù)試驗(yàn)工況需求調(diào)整其數(shù)量及間距以獲得不同的進(jìn)口湍流條件。不模擬湍流時(shí)取下擾流棒組、擰緊擾流棒兩端的固定螺栓即可實(shí)現(xiàn)流道密封。圖1(b)為設(shè)計(jì)階段通過三維仿真得到的進(jìn)口裝置湍流強(qiáng)度分布。由圖可知，擾流棒正后方湍流強(qiáng)度稍大，兩根擾流棒之間空隙部分湍流強(qiáng)度較小，整體上湍流度比較均勻。試驗(yàn)時(shí)用單絲熱線儀測量了葉柵前緣不同徑向高度上的湍流分布(圖1(c))，其湍流強(qiáng)度平均值約為12.04%。

采用直接向主流中注入熱次流來模擬熱斑，定義熱次流與主流總溫的比值為熱斑溫比(T/T0)。圖2為完成擾流棒和熱次流引氣管組裝后的進(jìn)口模擬裝置的三維模型及實(shí)物圖。渦輪中由于時(shí)鐘效應(yīng)的存在，熱斑可能處于導(dǎo)葉進(jìn)口的任意周向位置，且隨著燃燒室運(yùn)行工況的改變，其在流道中的徑向相對高度也會隨之變化。因此，按不同徑向高度共加工了3套熱次流引氣管，且均可再通過調(diào)整各自的安裝螺栓改變熱斑在試驗(yàn)葉柵通道內(nèi)的相對周向位置。圖3為不同熱斑周向、徑向位置時(shí)位移機(jī)構(gòu)拖動葉柵試驗(yàn)件進(jìn)口總溫耙步進(jìn)測量得到的進(jìn)口總溫分布?？梢?，圓形熱斑十分完整，從核心區(qū)向主流溫度逐漸降低；核心區(qū)熱斑溫比約1.14，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 葉柵試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)葉片

Hylton等[19]在1984年公開發(fā)表了C3X葉柵流動換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文以C3X原型葉柵為試驗(yàn)葉片進(jìn)行試驗(yàn)段設(shè)計(jì)。為給后續(xù)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案制定提供依據(jù)，需充分掌握試驗(yàn)葉片的基準(zhǔn)流動特性。圖4為C3X基準(zhǔn)葉型的計(jì)算網(wǎng)格(有10個(gè)內(nèi)冷卻通道)。單葉片計(jì)算時(shí)流道兩側(cè)采用了周期性邊界條件，其他邊界按Hylton的試驗(yàn)條件給定，計(jì)算在ANSYS CFX 12.1中進(jìn)行。圖5為采用不同湍流模型計(jì)算的文獻(xiàn)[19]試驗(yàn)中編號4521工況下葉片中截面的壓力分布，可見不同湍流模型計(jì)算得到的壓力分布均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

為研究氣膜冷卻對葉柵通道內(nèi)熱斑遷移的影響，除實(shí)心葉片外，本文在C3X基準(zhǔn)葉片基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了氣膜孔結(jié)構(gòu)。如圖6所示，全氣膜冷卻葉片壓力面、吸力面各有2排氣膜孔，前緣有3排氣膜孔，相鄰氣膜孔排之間沿葉高錯(cuò)位布置。為測量葉片表面溫度，在葉片表面不同位置敷設(shè)了18支熱電偶。其中葉柵50%葉高截面布置14個(gè)，葉柵20%和80%葉高截面各布置2個(gè)，且各測點(diǎn)從壓力面尾緣開始向吸力面尾緣依次編號。

3.2 試驗(yàn)件周期性

在設(shè)備供氣溫度、壓力條件下對試驗(yàn)葉片的計(jì)算表明，出口等熵馬赫數(shù)0.9時(shí)單個(gè)葉柵通道內(nèi)的質(zhì)量流量為856.07 g/s。如不考慮葉型縮放和葉高改變等因素，則在當(dāng)前氣源條件下(最大流量5.0 kg/s)進(jìn)行熱斑試驗(yàn)時(shí)理論上能允許的葉柵流道不超過5個(gè)，即平面葉柵試驗(yàn)件設(shè)計(jì)最多為6葉片5通道結(jié)構(gòu)，且需在此基礎(chǔ)上滿足葉柵試驗(yàn)周期性要求。目前葉柵試驗(yàn)大多通過增加葉片數(shù)(如7片、9片、11片等)來提高周期性，但數(shù)值計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)均表明，葉片只有在增加到一定數(shù)量時(shí)才對周期性的提高有效果。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，通常葉柵試驗(yàn)件周期性不佳的原因一方面來自葉柵進(jìn)口流道兩側(cè)附面層發(fā)展程度不同，另一方面是不恰當(dāng)?shù)奈舶寮s束導(dǎo)致壓力面和吸力面及尾緣斜切部分的膨脹程度不同。受試驗(yàn)段流量約束，本文的試驗(yàn)件不能采用傳統(tǒng)的增加葉片數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)周期性，為此試驗(yàn)件設(shè)計(jì)前需研究在本文試驗(yàn)條件下影響葉柵試驗(yàn)件周期性的因素。

圖7為進(jìn)行周期性影響因素探索時(shí)的計(jì)算邊界條件設(shè)置示意圖。葉柵進(jìn)口及葉片通道兩側(cè)設(shè)置為固壁條件，將葉柵出口尾板(沿出口氣流角方向，約72°)分別設(shè)置為固壁條件和周期性邊界條件進(jìn)行對比計(jì)算。圖8為兩種尾板邊界條件下葉片表面的壓力分布曲線?？煽闯?，相比固壁條件，當(dāng)葉柵出口尾板滿足周期性條件時(shí)葉片表面壓力分布的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，說明在當(dāng)前條件下葉柵試驗(yàn)件周期性主要由出口尾板決定。

周期性優(yōu)化計(jì)算時(shí)，分別在不同尾板長度(1.5倍弦長、0.5倍弦長、無尾板)、不同尾板角度(與流動方向夾角72°、90°)等組合條件下增加葉片數(shù)，逐步逼近目標(biāo)結(jié)果。計(jì)算表明，縮短尾板長度的同時(shí)增大尾板與流動方向的夾角可改善葉柵試驗(yàn)件周期性。72°、90°短尾板結(jié)構(gòu)在亞聲速流動條件下周期性較好，但在超、跨聲速流動時(shí)容易在尾板尖角處產(chǎn)生激波，尾板角度還需根據(jù)流動條件在試驗(yàn)中繼續(xù)調(diào)整，通用性不強(qiáng)。5葉片4通道無尾板試驗(yàn)件(圖9)兩側(cè)由兩個(gè)半葉片形成固壁，出口尾板不延長(計(jì)算時(shí)采用遠(yuǎn)場邊界條件)，氣流在沿出口氣流角方向流出葉柵通道后不受其他約束，在不同出口等熵馬赫數(shù)下的周期性表現(xiàn)均較好，可作為最終方案。圖中Vane 2、Vane 3葉片表面壓力分布與周期性邊界條件下的理論值幾乎重合，因此可選擇這兩個(gè)葉片作為試驗(yàn)葉片，選取這兩個(gè)葉片之間的流道為試驗(yàn)流道。該種方案下葉柵出口等熵馬赫數(shù)0.9時(shí)流量約3.1 kg/s，滿足設(shè)備的流量約束條件。圖10給出了葉柵試驗(yàn)段進(jìn)行C3X原型葉片基準(zhǔn)性能試驗(yàn)時(shí)葉柵出口約1.0倍弦長處的壁面靜壓分布與計(jì)算結(jié)果的對比，可見計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，說明對葉柵試驗(yàn)件的周期性優(yōu)化設(shè)計(jì)效果較好。

3.3 葉片材料和偶絲敷設(shè)工藝

為觀察到較明顯的熱斑現(xiàn)象，需降低熱斑在葉片表面的擴(kuò)散速率。同時(shí)，為研究氣膜冷卻對熱斑的影響，應(yīng)盡量降低葉片導(dǎo)熱對氣膜冷卻效果的影響。另外，根據(jù)需要，試驗(yàn)研究的熱斑溫比最高為1.14，對應(yīng)熱次流最高溫度約152℃。因此，葉片材料除滿足導(dǎo)熱系數(shù)小外，還應(yīng)能長時(shí)間處于152℃以上的環(huán)境中不變形、不軟化。據(jù)此，通過試驗(yàn)對比考核了已有的不銹鋼葉片、高溫尼龍葉片和某非金屬材料葉片的溫度特性，結(jié)果如圖11所示。據(jù)此，試驗(yàn)葉片采用某非金屬材料加工。此外，為保證熱電偶測溫效果并提高偶絲存活率，在葉片材料考核的同時(shí)還進(jìn)行了高溫氣流沖刷環(huán)境下的某非金屬葉片偶絲敷設(shè)工藝研究。最終獲得的敷設(shè)工藝使得同一葉片經(jīng)多次長時(shí)間試驗(yàn)和反復(fù)拆裝后，熱電偶存活率保持在95%以上(圖12)。

4 測試布局

圖13為試驗(yàn)段整體結(jié)構(gòu)及葉片安裝段放大圖。根據(jù)周期性設(shè)計(jì)結(jié)果，葉片安裝段包括1個(gè)試驗(yàn)葉片，2個(gè)陪襯葉片，安裝段兩側(cè)采用兩個(gè)半葉片形成流道，出口為半開放結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)時(shí)采用3股氣流分別模擬主流、熱次流和冷卻氣流，3股氣流由各自流路的閥門單獨(dú)控制，流量分別通過各路流量計(jì)或孔板測量。加溫后的主流氣體經(jīng)過湍流模擬器到達(dá)葉柵進(jìn)口，熱次流經(jīng)電加溫爐后通過熱斑模擬器到達(dá)葉柵進(jìn)口，冷卻氣流通過冷氣集氣盒供給氣膜冷卻試驗(yàn)葉片。主流和熱次流進(jìn)口狀態(tài)分別使用單點(diǎn)總溫總壓探針確定狀態(tài)，其中主流探針安裝在陪襯葉片與半葉片組成的流道上游以避免對試驗(yàn)葉片進(jìn)口流場造成干擾。試驗(yàn)時(shí)通過調(diào)整熱次流電加溫爐加熱功率改變熱斑溫比，通過調(diào)節(jié)兩路氣流各自對應(yīng)的閥門調(diào)節(jié)熱斑壓比(熱次流與主流總壓之比)。葉片上游約1.0倍弦長處設(shè)置一維進(jìn)口位移機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可安裝熱線風(fēng)速儀測量葉柵進(jìn)口湍流強(qiáng)度，也可安裝動態(tài)多孔針測量葉柵進(jìn)口流場。為避免進(jìn)口探針對試驗(yàn)葉片出口狀態(tài)的測量造成干擾，正式試驗(yàn)時(shí)該位移機(jī)構(gòu)拖動一支11點(diǎn)總溫耙測量試驗(yàn)葉片進(jìn)口溫度場以獲取進(jìn)口熱斑形態(tài)。完成進(jìn)口溫度場測量后機(jī)構(gòu)按照預(yù)先設(shè)定的移動方案將探針推入位移機(jī)構(gòu)安裝座下方設(shè)置的凹槽中，保持流道內(nèi)壁平整。葉柵出口使用二維位移機(jī)構(gòu)拖動11點(diǎn)梳狀總溫探針測量出口溫度場，同時(shí)葉柵出口下游壁面還布置了48個(gè)壁面靜壓測點(diǎn)(間距5 mm，覆蓋兩個(gè)柵距)以檢驗(yàn)葉柵試驗(yàn)件周期性(圖10)。圖14給出了試驗(yàn)現(xiàn)場圖片和部分試驗(yàn)測試裝備(圖中僅示出了2臺紅外熱像儀)。

葉片表面溫度同時(shí)采用熱電偶和紅外熱像儀進(jìn)行測量。在試驗(yàn)調(diào)試階段通過紅外熱像儀與熱電偶測溫結(jié)果對比確定熱像儀的具體安裝位置和拍攝角度并標(biāo)記固定，每次試驗(yàn)前均再次進(jìn)行確認(rèn)。試驗(yàn)先后使用了3臺紅外熱像儀進(jìn)行葉表溫度拍攝測量，其中第1和第2臺通過葉柵試驗(yàn)段兩側(cè)開設(shè)的紅外觀察窗(透過氟化鈣光學(xué)玻璃)分別對試驗(yàn)葉片壓力面、前緣進(jìn)行拍攝，第3臺安裝在葉柵試驗(yàn)段軸向出口位置對試驗(yàn)葉片吸力面直接拍攝。根據(jù)圖9模擬結(jié)果，試驗(yàn)段軸向出口位置為葉柵出口的流動死區(qū)，該區(qū)域在不同出口馬赫數(shù)下均無氣流直接沖刷且壓力波動小，安裝一臺紅外熱像儀用于拍攝安全可行，且不需透過價(jià)格昂貴的氟化鈣玻璃觀察窗拍攝，得到的成像效果更為清晰。

5 應(yīng)用驗(yàn)證

圖15為出口等熵馬赫數(shù)0.8，渦輪葉柵進(jìn)口熱斑分別位于試驗(yàn)葉片前緣、流道中間時(shí)，圖14中示出的2臺紅外熱像儀拍攝的葉片表面溫度分布，圖中在吸力面?zhèn)燃t外拍攝結(jié)果中標(biāo)注出了試驗(yàn)葉片?？梢?，葉柵進(jìn)口熱斑正對前緣時(shí)，試驗(yàn)葉片表面溫度不均勻，出現(xiàn)了明顯的高溫區(qū)，局部熱負(fù)荷上升。對比壓力面和吸力面紅外拍攝結(jié)果可知，正對前緣的熱斑沖擊到葉片表面后被分成兩半，熱次流包裹整個(gè)試驗(yàn)葉片后分別沿壓力面和吸力面流動。熱斑位于流道中間時(shí)，紅外拍攝結(jié)果顯示試驗(yàn)葉片表面溫度與主流進(jìn)氣總溫接近，但在流道內(nèi)橫向壓力梯度作用下熱斑向陪襯葉片吸力面遷移運(yùn)動，在吸力面拍攝結(jié)果中可看到陪襯葉片吸力面出現(xiàn)了一個(gè)溫度較高的區(qū)域。

圖16為出口等熵馬赫數(shù)0.8、不安裝擾流棒、熱斑正對葉片前緣中部時(shí)，葉片表面50%葉高處紅外熱像儀1和紅外熱像儀3測溫結(jié)果與熱電偶測溫結(jié)果的比較。可見，熱斑正對前緣會引起葉片前緣溫度顯著上升，紅外測溫與熱電偶測溫結(jié)果在趨勢上基本一致。葉片前緣附近由紅外熱像儀1透過光學(xué)玻璃拍攝，該區(qū)域內(nèi)紅外測溫平均值與熱電偶測溫平均值相比偏高約2.4%；葉片吸力面由紅外熱像儀3直接拍攝，該區(qū)域內(nèi)紅外測溫平均值與熱電偶測溫平均值相比偏高約1.0%。

6 結(jié)論

采用仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)搭建了一套渦輪葉柵進(jìn)口熱斑遷移及其影響因素研究的試驗(yàn)裝置，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的使用效果，主要得到以下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)段進(jìn)口采用擾流棒組模擬湍流，采用直接向主流中注入熱次流方式模擬熱斑，進(jìn)口模擬裝置達(dá)到的進(jìn)口平均湍流度為12.04%，能較方便地調(diào)節(jié)熱斑的周向、徑向位置和準(zhǔn)確改變熱斑溫比。

(2)采用5葉片4通道結(jié)構(gòu)獲得了周期性良好的葉柵試驗(yàn)件，通過試驗(yàn)確定選用某非金屬材料加工熱斑試驗(yàn)葉片，研發(fā)了高溫氣流沖刷環(huán)境下的非金屬葉片表面偶絲敷設(shè)工藝，葉片表面熱電偶存活率達(dá)到95%以上。

(3)紅外熱像儀與熱電偶的測溫結(jié)果吻合較好，兩種方式獲得的溫度平均值相差約2.4%，能滿足渦輪葉柵內(nèi)熱斑遷移及影響規(guī)律研究的需要。

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