(1.中國船舶重工集團公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078; 2.海軍駐哈爾濱七〇三所軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150078; 3.哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

隨著燃氣輪機單機功率的增大，對燃氣輪機經(jīng)濟性的要求也在不斷提高。為提高機組的內(nèi)效率，需要氣動性能優(yōu)良、損失系數(shù)小的葉片，對于靜葉柵而言，其流動損失主要包括葉型損失和二次流損失[1-5]，因此詳細研究高負荷渦輪內(nèi)的流動對現(xiàn)代渦輪葉片的設計具有重要意義。

文獻[6]通過良好的端壁成型改善了流道內(nèi)端壁區(qū)域的流動狀況，大大減少了二次流損失。文獻[7-9]采用彎曲葉型控制端區(qū)二次流的研究方法，指出導葉尾跡和輪轂通道渦的二次流相互作用占主要地位。文獻[10]認為，葉型積疊方式及葉型的幾何選擇在很大程度上能影響流道內(nèi)二次流的生成與發(fā)展。文獻[11]表明攻角變化對二次流造成的損失有較大影響。本文利用實驗數(shù)據(jù)分別分析了不同出口氣流馬赫數(shù)和不同進氣攻角條件下，渦輪靜葉柵的氣動性能。

1 試驗系統(tǒng)

渦輪靜葉吹風試驗系統(tǒng)如圖1所示，氣流由氣源產(chǎn)生，然后經(jīng)風機加壓后進入穩(wěn)壓筒，再經(jīng)過蜂窩器整流，接著依次通過收斂器、進口段、活動側板，最終進入葉柵試驗段。葉柵嵌裝于可轉動的半圓盤上，通過轉動該圓盤來調節(jié)葉柵的入口氣流角從而改變?nèi)~柵攻角。

渦輪葉柵試驗數(shù)據(jù)采集：在方變扇段上游的風洞穩(wěn)壓箱內(nèi)布置總溫、總壓探針采集試驗件進口總溫、總壓；在扇形葉柵中間三個葉片上的10%、50%、90%葉高處設置表面靜壓孔采集葉片靜壓；在葉柵出口用五孔探針測量葉柵出口的氣流情況。

2 研究對象及試驗內(nèi)容

本次葉柵試驗段由7葉片6通道構成，在扇形葉柵中間三個葉片上的10%、50%、90%葉高處分別開設27、25和26個靜壓孔，并在試驗葉柵的前部向前延長70 mm，在后部向后延長70 mm，為確保葉柵試驗件的結構強度，預定輪轂與機匣厚度為25 mm。其實物如圖2所示。

試驗內(nèi)容為在進口氣流偏離軸向23°條件下，試驗出口馬赫數(shù)分別為0.7、0.8、0.9；在出口馬赫數(shù)為0.8的條件下，攻角為0、±7.5°與±15°，對葉柵進行吹風試驗。

3 試驗結果及分析

圖3是不同相對葉高處在不同馬赫數(shù)下靜壓系數(shù)的分布情況。在葉片壓力面中前部，三個工況下的靜壓系數(shù)基本不變。隨著馬赫數(shù)的增加，整體上葉片表面靜壓系數(shù)下降，說明氣流的加速能力增強，同時可以看到葉片的負荷增加，并且在葉片中部和尾緣附近比較明顯。同時，隨著馬赫數(shù)的增加，在尾緣處的相對靜壓相差較大，最大負荷值增加，但是最大負荷位置變化不大，這意味著來流馬赫數(shù)影響葉片的負載特性。而在葉根和中間葉高位置的葉型最大負荷位置靠后，為后加載形式；在葉頂部分，葉型則趨向于均勻加載，可能原因是上通道渦對葉頂附近氣流的牽引影響了葉片載荷分布。

圖4是不同出口馬赫數(shù)下出口總壓損失分布圖，由圖4可以看出，在出口尾跡區(qū)域附近存在上下兩個高損失的通道渦區(qū)域，大概位于1/3和2/3相對葉高位置。此外，每個工況下的通道渦在出口位置均表現(xiàn)為上通道渦的影響范圍大于下通道渦。從圖4中還可以看出，在馬赫數(shù)為0.9的工況下，損失核心區(qū)的總壓損失較高，而0.7馬赫數(shù)工況下總壓損失則較低。由此可以推測出，隨著馬赫數(shù)的增加，總壓損失系數(shù)會隨之增加，同時上下通道渦的強度也會隨之增加。

圖5為不同馬赫數(shù)下，葉柵出口氣流角沿徑向的分布圖。從圖中可以看出，隨著馬赫數(shù)的增加，出口氣流角變化相對緩和，且隨著馬赫數(shù)的增加，氣流角略微減小，這是由于更大的馬赫數(shù)減小了葉型落后角所致。

圖6是葉片不同相對葉高處在不同進口攻角情況下的靜壓系數(shù)分布圖。從圖中可以看出在葉片壓力面一側存在較為明顯的區(qū)別，進口攻角越大，壓力面上的靜壓系數(shù)則相對越大，而同時葉片吸力面的中部和尾緣區(qū)別不大，因此葉片前緣的壓力載荷隨著進口攻角的增加而增大，但變化幅值并不太明顯。在不同來流攻角工況下的三個相對葉高處均有相似的分布規(guī)律。葉片中部的壓力載荷隨著攻角增大而略有增加，但最大載荷位置幾乎不變，葉片后部壓力變化不明顯。因此，進口攻角的變化對葉片中部與尾緣的壓力載荷影響不大。由此可知此扇形葉柵葉型具有較佳的對攻角變化的敏感性。

圖7是不同進口氣流攻角時出口總壓損失系數(shù)分布圖。從圖7中可以看出，五種來流攻角工況下的出口總壓損失分布具有相似的特點，即存在上下兩個高總壓損失的通道渦區(qū)域，且上通道渦的損失影響范圍要明顯大于下通道渦。從圖8中可以看出，隨著來流攻角從零到正/負的變化，總壓損失系數(shù)均增加。因為只有當進口攻角為0°或者接近0°時，氣流才能較好地流經(jīng)葉片表面，具有較小的流動損失，否則氣流沖擊葉片，造成較大的流動損失。

圖9是葉柵出口節(jié)距平均總壓損失系數(shù)沿葉高的分布情況，在圖中約70%和30%相對葉高位置，總壓損失系數(shù)存在兩個峰值，這是上下通道渦所在的位置，并且通道渦所在位置的節(jié)距平均總壓損失系數(shù)明顯比其他位置要大，其中上通道渦產(chǎn)生了最大的損失。此外，隨著進口氣流攻角的增大，峰值位置逐漸向葉片中部靠近，即表示通道渦逐漸向葉片中部靠近，而隨著來流攻角的變化，出口氣流角的峰值逐漸向中間葉高位置移動，并且中間葉高位置的出口氣流角不斷增加，這同樣印證了通道渦隨進口攻角變化的規(guī)律。

4 結 論

經(jīng)過對渦輪扇形靜葉柵的試驗結果的對比分析，得出渦輪扇形靜葉柵的流動特性，具體情況如下：

(1)隨著出口馬赫數(shù)的增加，葉片表面靜壓系數(shù)下降，表明葉片氣流加速能力增強，且葉片載荷增大；

(2)隨著出口馬赫數(shù)的增加，通道渦增強，出口總壓損失隨之增加，出口氣流角有所減?。煌ǖ罍u位置隨著出口馬赫數(shù)的增加向中間靠攏，且上通道渦的影響范圍更大；

(3)葉片前緣的壓力載荷隨著進口攻角的增加而增大，但進口攻角的變化對葉片中部與尾緣的壓力載荷影響不大，葉柵葉型對攻角變化具有較佳的敏感性；

(4)隨著進口攻角從零到正/負的變化過程中，上下兩個通道渦影響范圍逐漸增大，在攻角為0°時，葉柵出口總壓損失具有最小值，隨著來流攻角由負到正的變化過程中，出口氣流角的峰值逐漸向中間葉高位置移動，且中間葉高位置的出口氣流角不斷增加。