陳繼超 田 夫 王曉放 高 強(qiáng) 隋永楓 藍(lán)吉兵 丁旭東

（1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院， 遼寧 大連， 116024； 2.杭州汽輪機(jī)股份有限公司， 浙江 杭州， 310022）

0 引言

近些年來(lái)， 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步， 高效、 經(jīng)濟(jì)、 快速靈活啟停、 降低運(yùn)行成本以及更大的運(yùn)行范圍是工業(yè)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)[1-3]，這就對(duì)葉片的性能提出了更高的要求。 由于低載荷運(yùn)行的工業(yè)汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)， 葉片經(jīng)常處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行， 而在不同的工況下， 葉柵通道內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大的變化， 進(jìn)而影響到葉片的損失[4-5]。而后加載葉型自提出以來(lái)， 由于其具有良好的攻角適應(yīng)性， 很好契合了汽輪機(jī)變工況運(yùn)行的特點(diǎn)， 受到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員的重視[6-8]。

Weiss P[9]等對(duì)不同載荷分布高載荷葉片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究， 并保證總載荷保持一致， 結(jié)果表明前加載的葉片表現(xiàn)出更強(qiáng)的通道渦旋渦結(jié)構(gòu)， 也造成更多的二次流損失。 孫奇[10]等對(duì)高載荷前加載葉片與后加載葉片進(jìn)行了平面葉柵實(shí)驗(yàn)研究， 考察了在不同攻角、 相對(duì)柵距、 馬赫數(shù)下， 2 種葉柵的能量損失情況， 發(fā)現(xiàn)2 種葉柵對(duì)攻角均不敏感，但是隨著出口Ma 的增加， 后加載葉片能量損失系數(shù)增長(zhǎng)幅度比前加載葉片小。 D.Corriveau[11]等對(duì)前加載、 均勻加載以及后加載3 種形式的跨音速高壓渦輪葉片進(jìn)行了平面葉柵測(cè)試， 結(jié)果表明后加載葉型在設(shè)計(jì)馬赫數(shù)下?lián)p失更低， 但是隨著馬赫數(shù)的增加， 后加載葉型損失惡化更為劇烈。 C.Prakash[12]等在某低壓渦輪葉片進(jìn)行了平面葉柵實(shí)驗(yàn)， 通過改變?nèi)~片數(shù)目， 安裝角以及尾緣彎折角來(lái)控制葉片載荷及載荷分布進(jìn)而分析其對(duì)損失的影響， 結(jié)果表明增大葉片載荷， 載荷位置后移以及雷諾數(shù)降低會(huì)使得葉片吸力面更易產(chǎn)生分離，進(jìn)而產(chǎn)生更大的損失。

綜上所述， 為研究載荷分布對(duì)葉柵氣動(dòng)特性的影響， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用前、 后加載或者均勻加載葉片進(jìn)行對(duì)比， 而對(duì)于同為后加載但載荷分布不一致情況下葉柵氣動(dòng)特性差別的實(shí)驗(yàn)研究較少， 為進(jìn)一步研究后加載葉片載荷重心位置對(duì)葉柵損失的影響， 本文在保證部分葉型參數(shù)不變的情況下， 通過改變?nèi)~片的尾緣彎折角和前緣直徑等葉型參數(shù)得到了2 種不同載荷分布的后加載葉型， 并對(duì)這2 種葉型進(jìn)行了詳細(xì)的平面葉柵實(shí)驗(yàn)測(cè)量與分析。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)是在大連理工大學(xué)能動(dòng)學(xué)院平面葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。 圖1 為葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片， 圖2為部分葉型參數(shù)的定義， 表1 提供了2 種葉型的幾何參數(shù)。 2 種葉型僅前緣半徑、 尾緣半徑和尾緣彎折角不同， 其余參數(shù)均保持一致。

圖1 平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖2 葉片參數(shù)定義

表1 平面葉柵參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)的工況為進(jìn)口氣流角為設(shè)計(jì)進(jìn)口角， 柵后平均馬赫數(shù)0.29， 柵后平均雷諾數(shù)2.0×105。 為測(cè)量葉片表面靜壓分布， 在葉片中徑處表面均勻設(shè)有φ0.4 mm 的小孔， 并保證小孔與葉片表面垂直， 由于葉片尺寸較小， 難以在1 個(gè)葉片上將吸力面與壓力面的靜壓孔布置完全， 采用在1 個(gè)流道2 個(gè)葉片的壓力面與吸力面分別布置小孔的方法， 如圖3 所示。 實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)的測(cè)量工具為五孔探針， 考慮到平面葉柵在葉高方向的對(duì)稱性， 實(shí)驗(yàn)僅測(cè)量一半葉高。 測(cè)量截面布置如圖3 所示， 柵前測(cè)量截面距離葉柵前緣額線2 倍軸向弦長(zhǎng)， 流場(chǎng)檢測(cè)范圍3.4 倍節(jié)距， 實(shí)際處理數(shù)據(jù)使用的范圍為粗實(shí)線部分的2 倍節(jié)距； 柵后測(cè)量截面距離葉柵尾緣額線1 倍軸向弦長(zhǎng)， 測(cè)量范圍兩倍節(jié)距，在節(jié)距方向與葉高方向都是2 mm 1 個(gè)測(cè)點(diǎn)。 柵前截面的參數(shù)采用下標(biāo)1 表示， 柵后截面的參數(shù)采用下標(biāo)2 表示。

圖3 測(cè)量截面

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方式如下：

表面靜壓系數(shù)見式（1）。

式中： 總壓采用p0表示， 靜壓用p表示， 平均量采用“—” 表示，ps，j為葉片表面的靜壓。

當(dāng)?shù)乜倝簱p失系數(shù)見式（2）。

將單個(gè)葉高處的2 個(gè)節(jié)距內(nèi)測(cè)點(diǎn)的當(dāng)?shù)乜倝簱p失系數(shù)按照每一點(diǎn)的流量進(jìn)行加權(quán)求和可以得到每個(gè)葉高處的節(jié)距平均損失系數(shù)ωˉ。

2 結(jié)果與討論

2.1 柵前流場(chǎng)檢測(cè)

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信， 需要對(duì)流場(chǎng)節(jié)距方向的周期性進(jìn)行檢查， 同時(shí)， 由于本文涉及到端部損失的計(jì)算， 附面層厚度對(duì)端損的影響較大[13]，所以進(jìn)口來(lái)流的邊界層特性也需要進(jìn)行校核。

如圖4 所示為葉柵進(jìn)口流場(chǎng)的總壓（表壓）分布特性， 橫坐標(biāo)為無(wú)量綱節(jié)距， 縱坐標(biāo)為無(wú)量綱葉高， 兩條虛線內(nèi)的部分為實(shí)際處理數(shù)據(jù)使用范圍， 可以看出， 在節(jié)距方向與葉高方向， 主流區(qū)總壓波動(dòng)小于1%， 總壓分布均勻。 圖5 為進(jìn)口流場(chǎng)不同節(jié)距處的邊界層特性曲線， 橫坐標(biāo)表示無(wú)量綱的速度， 可以看出主流區(qū)速度分布均勻， 并且邊界層厚度基本保持一致， 約為10%葉高。

圖4 柵前流場(chǎng)總壓分布

圖5 不同節(jié)距位置處的邊界層特性曲線

2.2 2 種葉型表面的靜壓系數(shù)分布

圖6 葉片表面靜壓系數(shù)

如圖6 所示為0 攻角下blade_1 與blade_2 的表面靜壓系數(shù)沿軸向弦長(zhǎng)的分布。 可以看出， 2 種葉型的載荷分布變化趨勢(shì)一致， 最大載荷分布都位于尾緣區(qū)域， 屬于后加載葉型。 但由于前緣直徑及尾緣彎折角不同， 2 種葉型所呈現(xiàn)的載荷分布大小不同， 其中blade_2 葉型的后部載荷大小明顯高于blade_1 葉型。

在壓力面， 可以看出2 種葉型的相同點(diǎn)： 靜壓系數(shù)在很大的軸向弦長(zhǎng)范圍內(nèi)相比于吸力面變化都不大， 葉型表面的氣流先經(jīng)過較短的加速段和擴(kuò)壓段， 后進(jìn)入加速段緩慢降壓， 保持小的順壓梯度直至葉柵出口， 即壓力面上的變化趨勢(shì)一致。 而不同點(diǎn)： blade_2 葉型與blade_1 葉型相比在壓力面的擴(kuò)壓段略長(zhǎng)一些， 加速降壓段則略短，順壓梯度也略小， 導(dǎo)致壓力降低速度慢， 由于在加速階段的邊界層發(fā)展緩慢， 摩擦損失相對(duì)擴(kuò)壓段較小[15]， 故blade_2 壓力面附面層內(nèi)的氣流損失相比blade_1 會(huì)更大。

在吸力面， 2 種葉型也存在相同點(diǎn)， 即： 從葉片前緣至70%軸向弦長(zhǎng)部分， 氣流均在較大的順壓梯度下流動(dòng)， 隨后進(jìn)入擴(kuò)壓段， 且2 種葉型吸力面由順壓梯度過渡到逆壓梯度的位置基本保持一致。 不同點(diǎn)則是： blade_2 葉型的順壓梯度和逆壓梯度均大于blade_1， 且blade_2 的最大載荷也比blade_1 大。

2.3 載荷分布對(duì)葉型損失的影響

葉輪機(jī)械的效率很大程度上取決于葉柵的通流效率， 而葉柵的通流能力高低主要由氣流在葉柵中的能量損失大小決定。 葉柵內(nèi)的損失大方向上可分為葉型損失和端部二次流損失兩類。

部分葉型參數(shù)不同導(dǎo)致葉片表面出現(xiàn)的載荷分布的不同， 必然會(huì)對(duì)2 種葉型的能量損失產(chǎn)生一定影響。 首先是葉型損失， 包括氣流黏性引起的附面層摩擦損失、 附面層分離引起的渦流損失、葉片出口的尾跡損失。

圖7 柵后截面當(dāng)?shù)乜倝簱p失系數(shù)

圖7 為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到的2 種葉型柵后截面當(dāng)?shù)乜倝簱p失系數(shù)云圖， 由于平面葉柵的沿葉高方向上的對(duì)稱性， 圖中只展示了一半的葉高范圍內(nèi)云圖分布情況， 其中橫坐標(biāo)為無(wú)量綱節(jié)距，縱坐標(biāo)為無(wú)量綱葉高。 對(duì)于圖中的每個(gè)葉柵通道（兩條尾跡區(qū)之間）， 右側(cè)為吸力面， 左側(cè)為壓力面。 對(duì)于2 種葉型， 本文將流道內(nèi)的流動(dòng)區(qū)域劃分為主流區(qū)和端部區(qū)域， 則從圖中可以看出主流區(qū)域主要在15%葉高以外的區(qū)域， 端部區(qū)域則在15%葉高以內(nèi)； 同時(shí)還可以看出總壓損失的組成主要有： 葉柵的尾跡區(qū)域損失、 葉柵端壁區(qū)域損失、 端壁與吸力面尾部之間的角區(qū)損失。 在15%葉高范圍以外， Blade_1 葉型的尾跡寬度明顯大于Blade_2 葉型的尾跡寬度， 尾跡區(qū)總壓損失也明顯大于Blade_2 葉型。

為更直觀地比較這種壓力梯度差異引起的葉型損失變化， 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到的2 種葉型中徑處損失系數(shù)沿節(jié)距分布， 如圖8 所示， 圖中橫坐標(biāo)為無(wú)量綱節(jié)距， 縱坐標(biāo)為當(dāng)?shù)負(fù)p失系數(shù)?？梢钥闯?， 主流區(qū)通道內(nèi)的總壓損失都很低， 接近于0， 而葉型損失主要集中在尾跡區(qū)域內(nèi)， 2 種葉型的損失高點(diǎn)也基本一致。 但是blade_1 尾跡寬度遠(yuǎn)大于blade_2， 雖然blade_1 前緣和尾緣直徑大于blade_2 （在一定程度上相當(dāng)于增加了葉型的厚度）， 但是僅憑尾緣直徑的差異無(wú)法造成如此大的尾跡寬度差別。 分析其原因： 首先， 除了尾緣直徑不同這個(gè)因素外， 尾緣彎折角和葉型前緣半徑的不同也與尾緣直徑因素共同作用使得blade_1吸力面加速段的加速降壓效果不如blade_2， 導(dǎo)致blade_1 吸力面的加速段的邊界層厚度本身也大于blade_2。 其次， 雖然blade_2 吸力面尾緣擴(kuò)壓段逆壓梯度更大， 但是由于接近葉片尾緣， 擴(kuò)壓段長(zhǎng)度較小， 對(duì)造成吸力面附面層增厚只是起很小的作用。 綜合以上2 點(diǎn)的不同， 較長(zhǎng)并且更小的吸力面順壓梯度起主導(dǎo)作用， 使得blade_1 吸力面邊界層厚度大于blade_2， 進(jìn)而產(chǎn)生更寬的尾跡和更大的葉型損失。

圖8 中徑處總壓損失沿節(jié)距方向分布

綜上所述， 對(duì)于最大載荷位置相近的后加載葉型， 吸力面是影響葉型損失的主要因素， 合理設(shè)計(jì)吸力面順壓梯度的大小可以有效減小葉型損失， 而吸力面逆壓梯度的大小則影響較小。

2.4 載荷分布對(duì)端部區(qū)域損失的影響

從葉片表面靜壓系數(shù)分布圖（圖6）可以看出，blade_2 葉型的載荷大小明顯高于blade_1 葉型，當(dāng)葉片載荷增加時(shí)， 意味著葉柵通道內(nèi)存在著更強(qiáng)的橫向流動(dòng)， 進(jìn)而影響到端部區(qū)域的損失。 從2種葉型的柵后截面當(dāng)?shù)乜倝簱p失系數(shù)云圖（圖7）中可以看出， 在端部區(qū)域的總壓損失主要位于15%葉高以內(nèi)的流動(dòng)范圍中， 包括葉柵的端壁附面層區(qū)域以及端壁與吸力面尾部之間的角區(qū)。 從數(shù)值上看， blade_2 的角區(qū)損失的最大值略高于blade_1， 從尾跡形態(tài)上看， blade_2 的二次流動(dòng)也更為強(qiáng)烈。

為進(jìn)一步比較端部區(qū)域損失分布， 采用如圖9所示的節(jié)距平均損失系數(shù)沿葉高分布進(jìn)行對(duì)比，橫坐標(biāo)為節(jié)距平均損失系數(shù)， 縱坐標(biāo)為無(wú)量綱葉高。 結(jié)合圖7 所示的端部區(qū)域位置， 可以看出blade_2 在端部區(qū)域的損失略大于blade_1。 分析其原因是更大的橫向靜壓梯度加劇了端部流體的二次流運(yùn)動(dòng)， 使得blade_2 葉型的端部損失更大一些。 由于2 種葉型的后部載荷在量級(jí)上相差不大，以至于blade_2 葉型端部?jī)?nèi)的二次流損失雖然比blade_1 大， 但是相比于端部外blade_1 葉型高出blade_2 葉型的葉型損失值而言， 其數(shù)值較小。

圖9 節(jié)距平均損失系數(shù)沿葉高分布

綜上所述， 對(duì)于整體載荷相近的后加載葉型，最大載荷的提高會(huì)增加端部區(qū)域的損失， 但由于接近葉片尾緣， 且后加載葉型本身就具有抑制二次流損失的葉型特點(diǎn)， 故后加載葉型的最大載荷的提高對(duì)端部損失增加量的影響較小。

3 結(jié)論

本文在低亞音速工況下針對(duì)2 種后加載葉型葉柵進(jìn)行了全面的氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究， 分析了由于葉型參數(shù)不同而導(dǎo)致的不同的載荷分布對(duì)后加載葉型葉片氣動(dòng)性能的影響， 在本文的研究條件下， 可以得出以下結(jié)論：

（1）就本文的2 個(gè)葉型而言， 具有較小前緣半徑、 較小后緣半徑及較大尾緣彎折角的blade_1 葉型， 綜合其由于更大的順壓梯度導(dǎo)致更小的葉型損失， 疊加其由于更大的后部載荷而導(dǎo)致稍大的端部損失， 總效果是其總壓損失更小， 即流經(jīng)該blade_1 葉型時(shí)的能量損失更小， 通流效率更高。

（2）對(duì)于最大載荷位置相近的后加載葉型， 合理設(shè)計(jì)吸力面順壓梯度的大小可以有效減小吸力面的附面層損失， 從而降低后加載葉型的葉型損失； 而吸力面逆壓梯度的大小則對(duì)葉型損失的影響較小。

（3）對(duì)于整體載荷相近的后加載葉型， 最大載荷的增加和其位置的后移會(huì)加劇葉片端部區(qū)域的二次流損失； 但由于接近葉片尾緣， 且后加載葉型本身就具有抑制二次流損失的特點(diǎn)， 故這種損失的增加量較小。

（4）總之對(duì)于最大載荷大小相近、 位置相近的后加載葉型， 相比于二次流損失， 著力降低其葉型損失是提高其通流效率的關(guān)鍵。 可以通過適當(dāng)降低前緣直徑和尾緣直徑等方法， 以減小葉片對(duì)來(lái)流的阻礙作用， 降低尾跡損失， 最終降低葉型損失。