高麗敏 蔡 明

（1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院；2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心）

0 引言

高壓壓氣機(jī)的研制一直是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。為了設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的壓氣機(jī)需要設(shè)計(jì)者深入了解壓氣機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象，而壓氣機(jī)葉片通道內(nèi)的流動(dòng)極為復(fù)雜。平面葉柵作為壓氣機(jī)工作級(jí)的基本單元，其性能的好壞直接影響壓氣機(jī)的性能，因此研究平面葉柵的氣動(dòng)特性，減少葉柵中的能量損失并提高葉柵效率，對(duì)于壓氣機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有極其重要的意義[1]。

隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷攀高，壓氣機(jī)葉型設(shè)計(jì)面臨負(fù)荷增大、可用攻角范圍拓寬、附面層抗分離等問(wèn)題[1]。為了解決這些問(wèn)題，需要不斷發(fā)展壓氣機(jī)的葉型種類，如傳統(tǒng)的C4葉型、NACA65葉型、雙圓弧葉型（DCA）漸漸向多圓弧葉型、可控?cái)U(kuò)散葉型（CDA）等，或者采用各種優(yōu)化設(shè)計(jì)手段對(duì)壓氣機(jī)的葉型進(jìn)行優(yōu)化，如遺傳算法[2-3]、伴隨算法[4]等。

平面葉柵試驗(yàn)作為葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要組成部分，在葉柵性能基礎(chǔ)研究中占據(jù)了極為重要的地位[1]，進(jìn)行平面葉柵試驗(yàn)的主要目的：研究壓氣機(jī)、渦輪葉片型面和葉柵幾何參數(shù)對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響；評(píng)定葉型氣動(dòng)性能和驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法并指導(dǎo)葉型設(shè)計(jì)；驗(yàn)證和校核計(jì)算流體力學(xué)（CFD）計(jì)算模型及軟件。因此，葉柵試驗(yàn)和性能分析是高性能壓氣機(jī)葉柵設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)[5]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)壓氣機(jī)葉柵進(jìn)行了很多機(jī)理性的研究工作，考慮到試驗(yàn)成本及試驗(yàn)測(cè)量精度，大多數(shù)僅對(duì)低速壓氣機(jī)葉柵進(jìn)行了流動(dòng)控制[6-8]以及內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理[9-13]的研究。然而，隨著進(jìn)口馬赫數(shù)增大，葉柵內(nèi)部流場(chǎng)強(qiáng)剪切、強(qiáng)三維性、強(qiáng)非定常性加劇，導(dǎo)致葉柵有效工作范圍縮小[14]。同時(shí)葉柵角區(qū)分離流動(dòng)也受到試驗(yàn)工況影響，角區(qū)結(jié)構(gòu)有所變化。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高速壓氣機(jī)葉柵開(kāi)展的試驗(yàn)研究較少[5,15-19]。

基于某高亞音速平面葉柵風(fēng)洞，本文對(duì)某高速高負(fù)荷壓氣機(jī)B1葉型及其B2葉型進(jìn)行了平面葉柵試驗(yàn)，對(duì)兩套葉柵試驗(yàn)件進(jìn)出口參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，獲得兩套葉型多個(gè)試驗(yàn)工況的攻角特性和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布，對(duì)比分析了兩套葉柵的流動(dòng)特征。

1 試驗(yàn)設(shè)備

葉柵試驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)的高亞音速平面葉柵風(fēng)洞上完成，如圖1所示。該風(fēng)洞主要由氣源、穩(wěn)定段、收斂段、試驗(yàn)段、風(fēng)洞側(cè)壁抽吸系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成，氣源由3臺(tái)R602型羅茨鼓風(fēng)機(jī)并行供氣，最大流量9.9kg/s，最高壓升0.05MPa。穩(wěn)定段由四段圓筒構(gòu)成，每段均安裝蜂窩柵格和紗網(wǎng)以降低進(jìn)口氣流湍流度。

試驗(yàn)段進(jìn)口馬赫數(shù)范圍為0.3～0.95，葉柵風(fēng)洞的最大風(fēng)口面積為100mm×300mm，氣流攻角可以在±45°范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，不同攻角工況的測(cè)量通過(guò)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)段調(diào)節(jié)進(jìn)口氣流相對(duì)于葉柵額線的夾角實(shí)現(xiàn)。

圖1 高亞音速平面葉柵風(fēng)洞Fig.1 The high subsonic linear cascade wind tunnel

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

本文研究的兩套壓氣機(jī)葉柵葉型分別為B1葉型和B2葉型，葉型幾何如圖2所示，黑色試線表示B1葉型，紅色虛線表示B2葉型。兩種葉型的前尾緣小圓完全一致，B2葉型葉背近前緣段比B1葉型略厚，而在葉背中段比B1葉型更薄，兩種葉型在葉背近尾緣段和整個(gè)葉盆完全重合。兩套葉柵主要參數(shù)如表1所示，葉柵幾何參數(shù)定義如圖4所示。

圖2 兩種壓氣機(jī)葉型對(duì)比Fig.2 Comparison of two compressors airfoils

圖3 平面葉柵幾何參數(shù)定義Fig.3 Cascade nomenclature

表1 平面葉柵幾何參數(shù)及設(shè)計(jì)工況Tab.1 Cascade geometry and design conditions

3 測(cè)試方案

依據(jù)平面葉柵試驗(yàn)段尺寸，葉柵柵板可安裝8個(gè)葉片，形成7個(gè)葉柵通道。為了獲得葉型表面壓力分布，選取中間通道相鄰兩個(gè)葉片的葉盆和葉背半葉高位置各沿弦向加工8個(gè)靜壓孔，靜壓孔孔徑φ0.4mm，葉片端部孔徑φ0.8mm。靜壓孔相對(duì)弦長(zhǎng)位置分布如下表2所示。

表2 兩套葉柵葉片表面測(cè)壓孔分布Tab.2 Distribution of pressure taps on the blade surface

葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)段氣動(dòng)參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖4所示，其中t截面為穩(wěn)壓箱內(nèi)總參數(shù)測(cè)量平面，1截面為葉柵進(jìn)口測(cè)量平面，2截面為葉柵出口測(cè)量平面，P截面為壓力面靜壓測(cè)量位置，S截面為吸力面靜壓測(cè)量位置。

圖4 氣動(dòng)參數(shù)測(cè)量Fig.4 Aerodynamic measurements

在風(fēng)洞穩(wěn)定段采用總壓探針測(cè)量來(lái)流的總溫、總壓，柵前/柵后靜壓由壁面靜壓孔測(cè)得，柵后尾跡及氣流角通過(guò)位移機(jī)構(gòu)沿著柵距方向帶動(dòng)五孔探針進(jìn)行測(cè)量，單個(gè)柵距共計(jì)32個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試截面距離葉片尾緣約1倍弦長(zhǎng)，試驗(yàn)時(shí)利用非對(duì)向測(cè)量法校準(zhǔn)曲線求出氣流角度、氣流總壓及靜壓，當(dāng)氣流角度在探針測(cè)試范圍內(nèi)（±20°）以內(nèi)，可保證相應(yīng)測(cè)量結(jié)果的精度。

在進(jìn)口馬赫數(shù)Ma1分別為0.5、0.6、0.7時(shí)，對(duì)原始葉型在±5°、0°、±2.5°等多個(gè)攻角下測(cè)取各測(cè)量截面的氣動(dòng)參數(shù)。

依據(jù)穩(wěn)定段測(cè)量總壓pt1，柵前靜壓p1及葉柵出口總壓pt2計(jì)算尾跡總壓損失系數(shù)ω為

平面葉柵柵前流場(chǎng)的均勻性一般由風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)來(lái)保證，在亞聲速來(lái)流時(shí)遠(yuǎn)離葉片前緣位勢(shì)影響區(qū)即可。葉柵試驗(yàn)段的流場(chǎng)主要依靠中間測(cè)試截面的軸向速度密度比和出口流場(chǎng)參數(shù)的周期性來(lái)衡量。由于兩套葉柵試驗(yàn)件并沒(méi)有進(jìn)行柵板端壁附面層抽吸，不能進(jìn)行變軸向速度密度比試驗(yàn)，因此，受到葉片尾緣處靠近柵板的端壁角區(qū)氣流分離影響，試驗(yàn)工況的軸向速度密度比會(huì)大于1.0。

為了確保葉柵中間測(cè)試截面流場(chǎng)的周期性，試驗(yàn)之前對(duì)柵后流場(chǎng)進(jìn)行了周期性檢查。圖5為兩套葉柵0°攻角下Ma1=0.4時(shí)出口總壓損失系數(shù)ω在相鄰葉柵通道的分布情況，7個(gè)葉柵通道順序編號(hào)，周期性檢查測(cè)量通道為第4和第5通道。“x/t”表示測(cè)點(diǎn)沿著柵距的相對(duì)位置。由圖5可知，B1葉型和B2葉型相鄰?fù)ǖ赖某隹诳倝簱p失系數(shù)在深度和寬度上重復(fù)性都較高，B1葉型在第4通道的損失稍有增大，但是不影響第5通道的測(cè)量。因此兩套葉型中間測(cè)試截面的流場(chǎng)周期性可以得到保證。

圖5 出口總壓損失分布Fig.5 Distribution of outlet total pressure loss

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 B2葉柵表面等熵馬赫數(shù)分布

圖6所示分別為±5°、0°、±2.5°攻角時(shí)，不同進(jìn)口馬赫數(shù)時(shí)不同攻角下的B2葉柵葉片表面等熵馬赫數(shù)分布，其中橫坐標(biāo)x/b為相對(duì)弦長(zhǎng)，縱坐標(biāo)Mais為葉片表面中間葉高處等熵馬赫數(shù)值。

圖6 不同攻角下B2葉柵在不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.6 Blade surface isentropic Mach number at different inlet flow angle of B2 cascade

當(dāng)氣流沿負(fù)攻角方向流入，葉片負(fù)荷較高。在Ma1=0.7,-5°攻角時(shí)，由于負(fù)攻角很大，氣流前駐點(diǎn)更靠近葉片葉背，由于前緣曲率大，繞前緣小圓流向葉盆的氣流加速膨脹，出現(xiàn)了超音區(qū)，在葉盆強(qiáng)逆壓梯度的作用下氣流速度將減小為亞聲速，葉盆產(chǎn)生較大的分離損失。當(dāng)負(fù)攻角較小時(shí)，葉片表面等熵馬赫數(shù)明顯減小，馬赫數(shù)峰值點(diǎn)向前緣方向移動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)超音速流動(dòng)。當(dāng)氣流沿正攻角方向流入，葉片負(fù)荷明顯低于負(fù)攻角及零攻角，因?yàn)楣ソ沁^(guò)大，氣流在葉背產(chǎn)生分離，導(dǎo)致葉片負(fù)荷下降，擴(kuò)壓能力降低。

氣流沿著葉背前緣的加速流動(dòng)在試驗(yàn)中沒(méi)有捕捉到，為了直觀地對(duì)此進(jìn)行解釋，本文給出了B2葉型葉背型面點(diǎn)的曲率分布，如圖7所示。B2葉型在葉背大約6%相對(duì)弦長(zhǎng)位置為外凸曲率極大值點(diǎn)，氣流加速度較大，該位置之前氣流加速膨脹，該位置之后氣流開(kāi)始減速擴(kuò)壓。試驗(yàn)時(shí)鑒于厚度太小難以加工的緣故，葉背第一個(gè)測(cè)壓孔布置在大約9%弦長(zhǎng)位置，因此試驗(yàn)獲得表面等熵馬赫數(shù)分布沒(méi)有能夠捕捉到葉背靠近前緣的加速流動(dòng)過(guò)程，但是捕捉到了6%弦長(zhǎng)位置之后的氣流減速過(guò)程。

圖7 B2葉型葉背型面點(diǎn)的曲率分布Fig.7 Curvature distribution of suction side of B2 blade

當(dāng)氣流減速擴(kuò)壓到大約50%弦長(zhǎng)位置之后出現(xiàn)了較小地加速，葉背等熵馬赫數(shù)有所增大，擴(kuò)壓能力減弱。B2葉柵在葉背大約68%弦長(zhǎng)位置曲率急劇增大然后迅速減小，對(duì)應(yīng)于葉背上一個(gè)明顯外凸的尖點(diǎn)，導(dǎo)致在該位置之前氣流出現(xiàn)加速，該位置之后氣流繼續(xù)減速擴(kuò)壓。試驗(yàn)時(shí)葉背最后一個(gè)測(cè)壓孔布置在大約66%弦長(zhǎng)位置，捕捉到了50%弦長(zhǎng)位置后部分加速過(guò)程，沒(méi)有能夠完全捕捉到該尖點(diǎn)之后氣流減速過(guò)程。

綜合以上分析，B2葉柵葉背上氣流加速膨脹流動(dòng)更加靠近前緣，在9%弦長(zhǎng)位置氣流已經(jīng)處于擴(kuò)壓減速狀態(tài)。B2葉柵在20%～50%弦長(zhǎng)位置的范圍內(nèi)曲率小且變化很小，葉背接近平臺(tái)狀，因此葉型的擴(kuò)壓過(guò)程較為平緩，在68%弦長(zhǎng)位置出現(xiàn)的尖點(diǎn)，導(dǎo)致了B2葉柵葉背表面等熵馬赫數(shù)出現(xiàn)了一些局部的加速區(qū)。

4.2 B1葉柵表面等熵馬赫數(shù)分布

圖8所示分別為±5°、0°、±2.5°攻角時(shí)，不同進(jìn)口馬赫數(shù)時(shí)不同攻角下的B1葉柵葉片表面等熵馬赫數(shù)分布，其中橫坐標(biāo)x/b為相對(duì)弦長(zhǎng)，縱坐標(biāo)Mais為葉片表面中間葉高處等熵馬赫數(shù)值。

圖8 不同攻角下B1葉柵在不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.8 Blade surface isentropic Mach number at different inlet flow angle of B1 cascade

由表面馬赫數(shù)等熵分布看出，B1葉柵葉背大約在28%弦長(zhǎng)位置馬赫數(shù)加速到峰值。B1葉型葉背型面點(diǎn)的曲率分布如圖9所示，可以看出B1葉型葉背在大約30%弦長(zhǎng)位置為外凸曲率極大值點(diǎn)，氣流加速度較大，該位置之前氣流加速膨脹，該位置之后氣流開(kāi)始減速擴(kuò)壓。

圖9 B2葉型葉背型面點(diǎn)的曲率分布Fig.9 Curvature distribution of suction side of B2 blade

進(jìn)口馬赫數(shù)較高在-2.5°攻角下進(jìn)口馬赫數(shù)為0.7工況時(shí)，B1葉柵葉盆附面層加厚導(dǎo)致流道的有效流通面積減小，擴(kuò)壓能力降低。葉背氣流經(jīng)過(guò)馬赫數(shù)峰值后迅速下降，流向逆壓梯度增大，從約40%弦長(zhǎng)位置開(kāi)始等熵馬赫數(shù)分布較為平坦，葉背出現(xiàn)了局部流動(dòng)分離，幾乎沒(méi)有擴(kuò)壓能力，并且等熵馬赫數(shù)在數(shù)值上超過(guò)了當(dāng)?shù)芈曀?。?dāng)B1葉柵處于正攻角時(shí)，氣流從峰值馬赫數(shù)后較為均勻地減速擴(kuò)壓，葉片葉背未發(fā)生分離流動(dòng)。

4.3 葉柵攻角特性

圖10為B2葉柵攻角特性，圖11為B1葉柵攻角特性。兩者攻角特性曲線有著共同特點(diǎn)，同一進(jìn)口馬赫數(shù)下，隨攻角增加，葉柵出口總壓損失系數(shù)先減小后增大。

圖10 B2葉柵攻角特性Fig.10 Loss-incidence characteristic of B2 cascade

圖11 B1葉柵攻角特性Fig.11 Loss-incidence characteristic of B1 cascade

當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)為設(shè)計(jì)馬赫數(shù)為0.5時(shí)，B2葉柵低總壓損失系數(shù)對(duì)應(yīng)的攻角范圍為-3.5°～2.5°，B1葉柵低總壓損失系數(shù)對(duì)應(yīng)的攻角范圍為0～2.5°，因此B2葉柵的低損失范圍比B1葉柵更加寬廣。B2葉柵設(shè)計(jì)攻角為0°時(shí)總壓損失系數(shù)最小為4.04%，B1葉柵設(shè)計(jì)攻角2.5°時(shí)總壓損失系數(shù)達(dá)到最小為3.41%，因此設(shè)計(jì)狀態(tài)下B1葉柵總壓損失比B1葉柵更小。

當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)小于0.7時(shí)，在0～2.5°攻角范圍內(nèi)，B2葉柵和B1葉柵總壓損失系數(shù)較低且大小接近，因?yàn)楣ソ禽^小，氣流還未從葉片表面分離，氣流流動(dòng)狀況較好。其它攻角時(shí)，B2葉型表現(xiàn)出較好的負(fù)攻角特性，而B(niǎo)1葉型表現(xiàn)出較好的正攻角特性。對(duì)于B2葉柵，在較小的負(fù)攻角工況時(shí)，葉片負(fù)荷較高，氣流流動(dòng)狀況較好；而在較大的正攻角工況時(shí)，B2葉柵葉片負(fù)荷較低，因?yàn)楣ソ沁^(guò)大，氣流在葉背產(chǎn)生分離，導(dǎo)致葉片負(fù)荷下降，擴(kuò)壓能力降低。對(duì)于B1葉柵，在較大的負(fù)攻角工況時(shí)，葉盆產(chǎn)生較大分離損失。葉背峰值馬赫數(shù)迅速降低，逆壓梯度增大，從約45%弦長(zhǎng)位置開(kāi)始等熵馬赫數(shù)分布較為平坦，葉背氣流在逆壓梯度作用下出現(xiàn)局部流動(dòng)分離；而在較小的正攻角工況時(shí)，氣流從峰值馬赫數(shù)后較為均勻地減速擴(kuò)壓，葉片葉背未發(fā)生分離流動(dòng)。

當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)為0.7時(shí)，B1葉柵在整個(gè)攻角范圍內(nèi)損失明顯增大，B2葉型低總壓損失系數(shù)對(duì)應(yīng)的攻角范圍相對(duì)減小，葉柵損失增大程度比B1葉型小。因?yàn)锽1葉柵葉片負(fù)荷比B2葉柵高，葉片表面等熵表面等熵馬赫數(shù)在高進(jìn)口馬赫數(shù)下普遍較高，導(dǎo)致該葉型損失明顯增大。

5 結(jié)論

基于高亞音速平面葉柵風(fēng)洞，本文對(duì)兩種壓氣機(jī)葉型的平面葉柵流場(chǎng)進(jìn)行了全面的氣動(dòng)參數(shù)試驗(yàn)研究，在本文的研究條件下，可以得到如下結(jié)論：

1）基于葉背型面點(diǎn)的曲率分布，預(yù)估了B2葉型葉背氣流馬赫數(shù)峰值大約位于6%弦長(zhǎng)位置，試驗(yàn)葉片表面測(cè)壓孔沒(méi)有能夠捕捉到葉背靠近前緣的加速膨脹過(guò)程，但是捕捉到了6%弦長(zhǎng)位置之后的減速擴(kuò)壓過(guò)程。預(yù)估了B1葉型表面峰值馬赫數(shù)位置大約位于30%弦長(zhǎng)位置，與試驗(yàn)得到的葉型表面等熵馬赫數(shù)峰值位置基本一致。

2）在葉柵中間部分，B2葉柵在20%～50%弦長(zhǎng)位置的范圍內(nèi)曲率小且變化很小，葉背接近平臺(tái)狀，葉片表面氣流的擴(kuò)壓過(guò)程較為平緩。B2葉柵葉背在68%弦長(zhǎng)位置出現(xiàn)的尖點(diǎn)，導(dǎo)致了葉型的表面等熵馬赫數(shù)出現(xiàn)了一些局部的加速區(qū)，擴(kuò)壓能力減弱。

3）進(jìn)口馬赫數(shù)較小時(shí)（Ma1＜0.7），B2葉型低總壓損失系數(shù)對(duì)應(yīng)的攻角范圍較B1葉型更寬，其中在0～2.5°攻角范圍內(nèi)，B1葉柵和B2葉柵的低總壓損失系數(shù)基本一致，此時(shí)攻角較小，氣流還未從葉片表面分離，氣流流動(dòng)狀況較好。整體上看，B2葉柵表現(xiàn)出較好的負(fù)攻角特性，而B(niǎo)1葉柵表現(xiàn)出較好的正攻角特性。

4）當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)較高時(shí)（Ma1=0.7），B1葉柵負(fù)荷更大，葉片表面等熵表面馬赫數(shù)普遍較高，導(dǎo)致該葉型損失明顯增大。

5）B2葉柵的低損失范圍比B1葉柵更加寬廣，在較小的負(fù)攻角時(shí)氣流也能保持較小出口總壓損失的流動(dòng)。設(shè)計(jì)狀態(tài)下兩套葉柵總壓損失系數(shù)都達(dá)到最小，相較而言，B1葉柵總壓損失系數(shù)更小。

下一步工作將根據(jù)本次葉柵試驗(yàn)結(jié)果，校核數(shù)值模擬方法的可靠性，用數(shù)值模擬和和試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)一步研究B1和B2兩種壓氣機(jī)葉型平面葉柵內(nèi)部流動(dòng)情況。