杜金霖, 鄒正平,2,*, 黃 霖, 軒笠銘, 王元鵬

1.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100191;2.北京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院, 北京 102206

0 引 言

葉尖泄漏是造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪內(nèi)部損失的重要因素。目前的研究表明，凹槽葉尖可以有效控制葉尖泄漏。與平葉尖相比，凹槽葉尖可以使氣流在壓力面和吸力面肋條處同時(shí)形成流動(dòng)分離，對(duì)泄漏流形成二次堵塞，還可以通過(guò)凹槽腔內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)減小間隙射流系數(shù)，對(duì)泄漏流動(dòng)形成有效控制[1-2]。因此，準(zhǔn)確了解凹槽內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程有助于認(rèn)識(shí)間隙泄漏流動(dòng)規(guī)律以及物理機(jī)制。隨著對(duì)凹槽葉尖研究的不斷深入，研究學(xué)者逐漸注意到凹槽腔內(nèi)存在刮削渦和肋條角渦等多種旋渦結(jié)構(gòu)[3]。Zou等[4-5]的研究表明，在凹槽腔內(nèi)復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)中，刮削渦在凹槽內(nèi)部起到了類似氣動(dòng)篦齒封嚴(yán)的效果，可以有效減小間隙射流系數(shù)、控制泄漏流動(dòng)，是影響凹槽葉頂泄漏性能的主控流動(dòng)結(jié)構(gòu)。刮削渦的演化受機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響明顯。Yang等[6-7]對(duì)平葉尖和凹槽葉尖的研究表明，機(jī)匣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)間隙泄漏流動(dòng)起主要的影響作用，并且會(huì)對(duì)凹槽內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，Virdi等[8]的研究也表明機(jī)匣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)影響凹槽內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。因此，在凹槽葉尖流動(dòng)中，機(jī)匣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)扮演著一個(gè)重要角色。目前針對(duì)凹槽葉尖的大多數(shù)研究都是采用數(shù)值模擬方法，較少?gòu)膶?shí)驗(yàn)方面對(duì)凹槽內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。為了更好地探究渦輪環(huán)境中葉尖凹槽內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，需開(kāi)展計(jì)及機(jī)匣運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究。

除了受到機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響之外，凹槽葉尖的流動(dòng)結(jié)構(gòu)還受許多其他因素的影響，例如葉尖幾何、葉型負(fù)荷、來(lái)流攻角、間隙高度等因素均會(huì)對(duì)凹槽葉尖的泄漏流動(dòng)造成影響，因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)需要綜合考慮這些因素。研究人員針對(duì)葉尖泄漏流動(dòng)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，所使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要有平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)和旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)兩種。平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在研究過(guò)程中使用較多，例如劍橋大學(xué)[2]、卡爾頓大學(xué)[9]、牛津大學(xué)[10]、德克薩斯A&M大學(xué)[11]和中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所[12]等使用的均是平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)。但是這些實(shí)驗(yàn)臺(tái)多數(shù)不能滿足上述多種因素的研究需求，如劍橋大學(xué)、卡爾頓大學(xué)和牛津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)不具備可變攻角的功能，而德克薩斯A&M大學(xué)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)則無(wú)法進(jìn)行機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究。除平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)外,研究人員還搭建了旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)搭建的1+1/2低速旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)[13]，這類實(shí)驗(yàn)臺(tái)自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分困難，雖然考慮了影響因素但是由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)葉尖凹槽內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量。上述實(shí)驗(yàn)臺(tái)只是考慮了其中部分因素，并不能對(duì)影響凹槽葉尖流動(dòng)的因素進(jìn)行綜合研究。

在測(cè)量技術(shù)方面，卡爾頓大學(xué)[9]和Yamamoto[14]使用孔壓力探針對(duì)葉尖間隙泄漏流進(jìn)行了測(cè)量，劍橋大學(xué)[2]則使用熱線探針對(duì)葉尖間隙泄漏流進(jìn)行了測(cè)量，Xiao等[15-17]則通過(guò)五孔探針和激光多普勒測(cè)速儀對(duì)間隙區(qū)域的流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)觀察。此外也有不少研究人員使用流場(chǎng)顯示技術(shù)對(duì)葉尖流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，如李成勤[12]、Sjolander[18]和Rao[19]等通過(guò)油流實(shí)驗(yàn)對(duì)葉尖泄漏流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，牛津大學(xué)[10]和德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)[13]則使用內(nèi)窺式PIV和體式PIV對(duì)葉尖端區(qū)泄漏流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。但是以上方法適用范圍有限，不能夠進(jìn)行葉尖凹槽腔內(nèi)流動(dòng)的測(cè)量。

本文搭建了一個(gè)可以綜合研究以上多種因素的平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)機(jī)匣運(yùn)動(dòng)、葉型負(fù)荷、葉尖幾何、間隙高度、來(lái)流攻角等因素進(jìn)行研究；還在前人測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可以用于凹槽腔內(nèi)的可視化測(cè)量方案，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供一種可行的實(shí)驗(yàn)思路；結(jié)合數(shù)值模擬分析了機(jī)匣運(yùn)動(dòng)對(duì)凹槽葉尖流動(dòng)結(jié)構(gòu)形態(tài)和演化以及對(duì)泄漏流動(dòng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)施及測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)設(shè)施整體布局如圖1所示[20]，灰色部分為低速風(fēng)洞，白色部分為平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及運(yùn)動(dòng)端壁。實(shí)驗(yàn)所用氣源由外部接入。

1.1 氣源系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用氣源采用ARE200羅茨鼓風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)由額定功率37 kW的三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定轉(zhuǎn)速為1475 r/min，壓頭19.6 kPa，流量75 m3/min。氣源通過(guò)風(fēng)管連接到室內(nèi)的風(fēng)洞，在接口位置安裝有蝶閥，通過(guò)調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度控制流量大小。

1.2 風(fēng)洞系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用的風(fēng)洞為低速開(kāi)環(huán)風(fēng)洞，由擴(kuò)張段、穩(wěn)壓段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段等4部分組成。

擴(kuò)張段分為兩段，兩段之間設(shè)置蜂窩器，其前后均設(shè)置紗網(wǎng)。在擴(kuò)張段和穩(wěn)定段之間同樣設(shè)置蜂窩器，穩(wěn)定段內(nèi)設(shè)置6層紗網(wǎng)。收縮段型線為三次曲線，表達(dá)式見(jiàn)公式(1)，式中n=3?？紤]邊界層厚度，收縮段相對(duì)長(zhǎng)度取值為1.6；為保證出口流場(chǎng)速度均勻性，收縮比取值為12。

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如圖2所示，D1和D2分別為收縮段進(jìn)、出口高度，D為任意k位置的高度,L為收縮段長(zhǎng)度，K=0.5。

圖2 收縮曲線示意圖Fig.2 Schematic of the contraction

風(fēng)洞出口尺寸為540 mm×200 mm，最終保證：在實(shí)驗(yàn)所需出口速度為10 m/s的情況下，出口壁面邊界層≤4 mm，動(dòng)壓不穩(wěn)定性≤0.5%，速度不均勻性≤1%，湍流度≤0.5%，出口速度連續(xù)可調(diào)。圖3為風(fēng)洞出口速度場(chǎng)云圖。

圖3 風(fēng)洞出口速度場(chǎng)分布Fig.3 Wind tunnel exit velocity field distribution

1.3 平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)

平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)(正面)如圖4所示，主要結(jié)構(gòu)有葉柵底板、攻角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、去邊界層的狹縫以及葉柵前后測(cè)壓狹縫。葉柵底板可以根據(jù)葉型的不同進(jìn)行更換，葉片可以用不同的定位塊調(diào)節(jié)葉頂間隙。實(shí)驗(yàn)臺(tái)四周配置去邊界層狹縫以保證來(lái)流流場(chǎng)品質(zhì)，通過(guò)葉柵前后測(cè)壓狹縫測(cè)量流場(chǎng)的均勻性和周期性。

圖4 葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Cascade test platform

攻角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以改變?nèi)~柵攻角，攻角變化范圍為-25°～55°。在流道內(nèi)安裝圖5所示的上下調(diào)節(jié)擋板，可以隨攻角的變化調(diào)整(如圖6所示)，以保證來(lái)流均勻。

圖5 調(diào)節(jié)擋板Fig.5 Adjustable plate

圖6 不同攻角狀態(tài)示意圖Fig.6 Sketch of bottom plate at different incidence angles

1.4 機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)

模擬機(jī)匣運(yùn)動(dòng)的端壁運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖7所示，黑色皮帶為運(yùn)動(dòng)端壁，用來(lái)模擬機(jī)匣相對(duì)葉片運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和帶輪安裝于殼體內(nèi)。運(yùn)動(dòng)端壁通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)背面預(yù)留的方框與實(shí)驗(yàn)臺(tái)配合(見(jiàn)圖8)，通過(guò)傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)保持協(xié)同。殼體內(nèi)有調(diào)節(jié)裝置可以控制皮帶與葉頂?shù)钠叫卸?，皮帶振幅控制?.08 mm以內(nèi)。

圖7 端壁運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.7 Moving casing simulator

圖8 實(shí)驗(yàn)段Fig.8 Testing facility

1.5 葉柵實(shí)驗(yàn)件

實(shí)驗(yàn)使用的葉柵如圖9所示，其葉型為某型渦輪的高壓轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)高低速相似變換得到的低速葉型，幾何參數(shù)如表1所示。

表1 葉片幾何參數(shù)Table 1 Blade geometries

圖9 渦輪葉柵Fig.9 Turbine cascade

此外，在該原始葉型的基礎(chǔ)上對(duì)葉型的載荷進(jìn)行調(diào)整，將葉型設(shè)計(jì)為載荷分布后加載葉型和載荷分布相對(duì)靠前的均勻加載葉型，分別定義為ALB和MLB。通過(guò)Zweifel系數(shù)保證變載荷后的葉型載荷大小和原始葉型基本相同。圖10為原始葉型和兩種加載葉型的對(duì)比。

圖10 兩種葉型與原葉型對(duì)比Fig.10 Comparison of two blades with original blade

葉柵周期性通過(guò)調(diào)整葉柵后部尾緣導(dǎo)板角度來(lái)控制。實(shí)驗(yàn)工況確定后，本文測(cè)試了原型葉柵出口平面壓力場(chǎng)[21]，得到中間3個(gè)通道葉柵出口總壓恢復(fù)系數(shù)(葉柵出口總壓和葉柵進(jìn)口總壓之比)，如圖11所示，從圖中可以看出各通道流場(chǎng)幾乎一致，葉柵周期性良好。

圖11 葉柵出口周期性驗(yàn)證[21]Fig.11 Periodic verification of cascade outlet[21]

1.6 測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)使用Lavision公司的粒子成像系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)主要由粒子發(fā)生器、激光器、同步控制器、采集電腦、CCD相機(jī)以及鏡頭等設(shè)備組成。

PIV測(cè)量的速度是散播在流場(chǎng)中的示蹤粒子的速度，因此要準(zhǔn)確得到流場(chǎng)的速度分布必然要求粒子具有很好的跟隨性、良好的散光性和散播均勻性[22]。本次實(shí)驗(yàn)使用課題組研制的粒子生成器，采用改進(jìn)的Laskin噴嘴并選取癸二酸二異辛酯生成示蹤粒子，粒子直徑在1 μm左右，具有非常好的示蹤效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中示蹤粒子從風(fēng)洞的進(jìn)口加入，既保證粒子在通道內(nèi)的均勻散播，同時(shí)又不干擾流場(chǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)值方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

凹槽腔內(nèi)測(cè)量的難點(diǎn)主要在于葉頂位置存在運(yùn)動(dòng)端壁，只能讓激光和鏡頭從葉片底部進(jìn)入，但受葉片尺寸的限制,激光和鏡頭難以進(jìn)入且激光設(shè)備和鏡頭之間容易互相干擾。因此本文利用PIV技術(shù)發(fā)展了一種可以測(cè)量凹槽腔內(nèi)受限空間流動(dòng)的測(cè)量方法。

本文的測(cè)量方法如圖12所示。受葉片尺寸的限制，以內(nèi)窺鏡鏡頭伸入葉頂凹槽內(nèi)的方式進(jìn)行測(cè)量。

圖12 測(cè)量方法示意圖Fig.12 Sketch of PIV test method

測(cè)量葉片使用3D打印技術(shù)制作，在所要拍攝的6個(gè)截面位置留出了激光通道。并在葉片吸力面肋條上留有3個(gè)通孔供鏡頭伸入，未使用的孔則使用補(bǔ)償柱塞住。在凹槽底安裝光學(xué)玻璃片，即可以保證非測(cè)量位置凹槽的形狀不變，又可以通過(guò)更換鏡頭位置和朝向測(cè)量所有截面。激光器由于體積過(guò)大無(wú)法與相機(jī)放在同一位置，所以將激光器橫置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)一側(cè)，通過(guò)直角棱柱將片光折射到拍攝截面位置。激光高度和方向通過(guò)升降臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其準(zhǔn)確照射在拍攝位置。測(cè)量之前需要在拍攝截面放置標(biāo)定板對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定，消除桶形畸變對(duì)測(cè)量造成的影響。葉片頂部和運(yùn)動(dòng)端壁需要進(jìn)行消光處理，將激光反射對(duì)測(cè)量的影響盡量降低。

為了研究葉頂凹槽內(nèi)的流動(dòng)演化，本文采用上述方法對(duì)凹槽內(nèi)不同位置的截面進(jìn)行測(cè)量。如圖13所示，實(shí)驗(yàn)葉片的凹槽深度為4.5 mm，肋條寬度為3 mm，間隙高度為3 mm。拍攝對(duì)象為沿流向分布的6個(gè)截面，其位置分別為弦長(zhǎng)的12.5%、25%、37.5%、50%、62.5%以及75%，分別以截面1～6命名。

圖13 測(cè)量截面沿流向的分布Fig.13 Distribution of test section along the flow direction

受實(shí)驗(yàn)條件限制，對(duì)每個(gè)截面僅拍攝了480張圖像;圖像分析時(shí)查問(wèn)域大小為24 pixel×24 pixel，通過(guò)互相關(guān)分析，每個(gè)截面可以得到240張瞬態(tài)速度場(chǎng)圖像進(jìn)行平均計(jì)算。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了不同的拍攝時(shí)間間隔，并選擇合適的時(shí)間間隔來(lái)獲得最終的速度場(chǎng)。使用Davis軟件進(jìn)行后處理，該軟件采用相關(guān)統(tǒng)計(jì)算法[23]可以得到時(shí)均速度場(chǎng)和不確定度，本次實(shí)驗(yàn)中各截面的速度不確定度為0.25 m/s左右。圖14為拍攝視場(chǎng)，整個(gè)葉尖凹槽可以被完整拍到，同時(shí)拍攝的粒子圖像清晰，滿足實(shí)驗(yàn)要求。后處理時(shí)選擇圖14中凹槽主體即紅框內(nèi)部作為處理范圍，保證凹槽內(nèi)部主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以被清晰記錄。由于存在激光反射等問(wèn)題,導(dǎo)致壁面附近以及間隙進(jìn)出口部分的流動(dòng)不能被有效記錄，且單純依靠PIV結(jié)果所獲得的流場(chǎng)信息有限，因此還需要數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充分析。

圖14 拍攝視場(chǎng)Fig.14 View field

2.2 數(shù)值方法

數(shù)值模擬采用AutoGrid5對(duì)計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，主流通道采用H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，葉片周圍以及間隙內(nèi)部網(wǎng)格采用O型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。壁面第一層網(wǎng)格高度設(shè)置為0.005 mm，壁面最大y+控制在1.2以內(nèi)，網(wǎng)格如圖15所示。采用商業(yè)軟件ANSYS CFX求解三維定黏性雷諾平均Navier-Stokes方程，選擇SSTk-ω湍流模型封閉方程組。主流進(jìn)口給定總溫、總壓、氣流角和湍流度，出口給定背壓，保證邊界條件與實(shí)驗(yàn)條件相符。

圖15 計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.15 Schematic of computing grid

為檢驗(yàn)網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本文以間隙徑向網(wǎng)格數(shù)量為例進(jìn)行無(wú)關(guān)性分析，計(jì)算域其他位置和方向的網(wǎng)格數(shù)均按照相同方法給定。對(duì)5種不同間隙徑向網(wǎng)格密度的算例進(jìn)行計(jì)算，各算例的網(wǎng)格信息如表2所示。

表2 計(jì)算域網(wǎng)格信息Table 2 Computing domain grid information

圖16給出了不同網(wǎng)格密度下泄漏量占主流通道流量的比例，可以看到隨著網(wǎng)格密度的增加，葉尖間隙泄漏量的變化逐漸平緩；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)Grid3時(shí)，葉尖間隙泄漏量的變化不足0.01%。因此本文采用Grid3的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬可以獲得較好的精度。

2.3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比

為校驗(yàn)數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性，以原葉型為例，分別對(duì)其平葉尖和凹槽葉尖在機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)作葉頂靜壓分布測(cè)量，并與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。壓力測(cè)試使用羅斯蒙特壓差變送器，本次測(cè)試范圍內(nèi)壓力不確定度為0.314 Pa。

圖17為測(cè)量葉頂靜壓時(shí)所用的凹槽葉頂和平葉頂，葉頂?shù)臏y(cè)壓孔均為102個(gè)。測(cè)量結(jié)果用靜壓系數(shù)表示，靜壓系數(shù)為當(dāng)?shù)販y(cè)量點(diǎn)靜壓除以葉柵進(jìn)口總壓。圖18為葉頂靜壓分布的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比[20]。

圖17 葉頂測(cè)壓孔分布Fig.17 Distribution of pressure hole

圖18 葉頂靜壓分布對(duì)比Fig.18 Comparison of blade tip static pressure distribution

可以看出，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在分布趨勢(shì)上大體一致。葉頂(凹槽底部)的壓力分布是由位勢(shì)作用和旋渦誘導(dǎo)產(chǎn)生的。在凹槽葉頂?shù)那熬?，由于凹槽?nèi)外壓差的作用，部分來(lái)流從前緣吸力面和壓力面進(jìn)入凹槽，形成角渦和刮削渦，在凹槽底部形成了較大的壁面剪切力，在前緣形成高壓區(qū)。向下游發(fā)展過(guò)程中，受壓力梯度的影響，刮削渦向吸力面移動(dòng)，泄漏流翻過(guò)壓力面肋條進(jìn)入凹槽，在刮削渦的誘導(dǎo)作用下形成射流沖擊凹槽底部，形成高壓區(qū)域。當(dāng)刮削渦流出凹槽后誘導(dǎo)作用隨之消失。平葉頂前緣來(lái)自壓力面和吸力面的氣流在此區(qū)域再附，加之該區(qū)域葉片兩側(cè)壓差小、泄漏流弱，所以產(chǎn)生一個(gè)高壓區(qū)。葉片中部壓力面?zhèn)却嬖诘蛪簠^(qū)，這和該區(qū)域壓力梯度大、壓力面氣流在該區(qū)域產(chǎn)生分離泡以及該區(qū)域位于馬蹄渦的壓力面?zhèn)缺巯路接嘘P(guān)。

局部位置的壓力場(chǎng)數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有少許偏差，這可能是由于測(cè)量是使用若干個(gè)壓差變送器逐一測(cè)量(而不是同時(shí)測(cè)量)導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、環(huán)境壓力波動(dòng)而引起的，也可能是由葉頂測(cè)壓孔加工時(shí)造成的葉頂表面粗糙度變化引起的。

3 結(jié)果分析

3.1 端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)葉尖泄漏的影響

通過(guò)凹槽葉尖間隙出口泄漏量、間隙射流系數(shù)、間隙有效流通面積來(lái)探討端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)凹槽葉尖泄漏流動(dòng)造成的影響。

圖19 間隙出口泄漏量沿流向分布Fig.19 Leakage flow rate distribution along the streamwise direction at the gap outlet

(2)

式中,VN為單位面積上的法向速度，Ae為間隙出口有效流通面積。從圖中可以看出，對(duì)凹槽葉尖，端壁運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)泄漏量沿流向分布相似，均沿流向迅速升高，出現(xiàn)小幅度下降后再次明顯上升，達(dá)到最大值后逐漸下降。區(qū)別在于兩者達(dá)到極小值和最大值的位置不同，且端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)的泄漏量基本小于端壁靜止時(shí)，僅在40%～42%流向位置略大于端壁靜止時(shí)。在82%流向位置下游，兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的泄漏量分布和大小基本一致。可見(jiàn)端壁運(yùn)動(dòng)可以在葉片的前中部有效減小泄漏量，同時(shí)還使凹槽內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展向下游推遲。

射流系數(shù)Cd代表了間隙內(nèi)部流動(dòng)對(duì)泄漏流的堵塞作用，其定義為實(shí)際泄漏量與理論泄漏量之比：

(3)

圖20給出端壁靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)射流系數(shù)沿流向的分布。端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，凹槽葉尖射流系數(shù)在大部分區(qū)域均有不同程度的減小，在20%～35%流向位置以及45%～58%位置凹槽葉尖射流系數(shù)顯著降低，這對(duì)控制葉尖泄漏十分有利。在85%流向位置之后，兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的射流系數(shù)變化趨勢(shì)一致并且數(shù)值接近，意味著尾緣部分的端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)泄漏流的控制作用已經(jīng)迅速減弱。圖21所示的間隙出口有效流通面積的變化趨勢(shì)與射流系數(shù)的變化趨勢(shì)大致相同。

圖20 射流系數(shù)沿流向分布Fig.20 Distribution of discharge coefficient along the streamwise direction

圖21 間隙出口有效流通面積沿流向分布Fig.21 Distribution of equivalent flow area along the streamwise direction

從上述結(jié)果可知，端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)凹槽葉尖的泄漏流動(dòng)有很大影響，在葉片大部分區(qū)域可以明顯減弱泄漏流，在葉片前中部位置尤為明顯。

利用Q法則對(duì)凹槽葉尖端區(qū)旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，并用流向渦量著色Q等值面，得到如圖22所示的凹槽葉尖主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)。從圖中可以清晰地看到葉尖端區(qū)存在凹槽內(nèi)刮削渦(SV)、壓力面肋條角渦(PCV)、以及通道內(nèi)泄漏渦(TLV)等多種旋渦結(jié)構(gòu)，其中壓力面肋條角渦和刮削渦構(gòu)成了凹槽內(nèi)部的主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖22 凹槽葉尖主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.22 Vortices in the tip region

圖23給出了端壁靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)6個(gè)截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，清楚地顯示了凹槽腔內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)沿流向的演化過(guò)程。

圖23 不同截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)(實(shí)驗(yàn)結(jié)果)Fig.23 Flow structure at different test sections (experimental results)

從圖中可以看出，端壁的運(yùn)動(dòng)與否對(duì)葉尖凹槽內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有重要影響，主要體現(xiàn)在對(duì)凹槽內(nèi)主控流動(dòng)結(jié)構(gòu)刮削渦(SV)的影響上。

端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于黏性作用端壁附近流體做與泄漏流方向相反的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的強(qiáng)剪切流動(dòng)導(dǎo)致刮削渦的尺寸和控制范圍均十分顯著，形成對(duì)泄漏流的堵塞作用，導(dǎo)致泄漏流方向改變。刮削渦在凹槽內(nèi)沿流向的演化過(guò)程中，尺寸先增大到一定程度，然后逐漸變小，并逐步向吸力面移動(dòng)，直到最后流出凹槽，其在流向上的控制范圍超過(guò)了凹槽長(zhǎng)度的一半。刮削渦流出凹槽后堵塞作用消失，泄漏流直接流出間隙。

端壁靜止時(shí)刮削渦的尺寸和控制范圍縮小，自前緣生成后在凹槽內(nèi)存在時(shí)間較短，對(duì)泄漏流的堵塞效果下降，泄漏流較容易從間隙內(nèi)流出。

其他流動(dòng)結(jié)構(gòu)如壓力面肋條角渦也會(huì)受到刮削渦的影響。例如，端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)壓力面肋條角渦受刮削渦的影響，尺寸變小，向吸力面的移動(dòng)也有所延后。

下文將在圖23實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,結(jié)合圖24～26的數(shù)值結(jié)果對(duì)凹槽內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的演化及其對(duì)泄漏流的影響進(jìn)行分析。

圖24 凹槽腔內(nèi)流線分布(數(shù)值結(jié)果)Fig.24 Distribution of streamlines in the cavity (numerical results)

在凹槽流向10%～40%范圍內(nèi)，氣流從前緣靠壓力面?zhèn)群涂课γ鎮(zhèn)冗M(jìn)入間隙，兩股氣流在凹槽腔內(nèi)發(fā)生剪切并形成了壓力面肋條角渦PCV和刮削渦SV。端壁靜止時(shí)，刮削渦形成了堵塞作用，因此射流系數(shù)和有效流通面積有一定的下降，但是在吸力面氣流的帶動(dòng)下刮削渦較早流出凹槽間隙(圖24棕色線條)。端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于端壁的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致葉片前緣來(lái)流方向發(fā)生改變，來(lái)自吸力面?zhèn)鹊臍饬髯璧K泄漏流從間隙出口流出，此外，由于刮削渦的堵塞和誘導(dǎo)作用，間隙射流一部分在凹槽內(nèi)繞過(guò)刮削渦形成“U”型流動(dòng)(圖23)，沖擊凹槽吸力面內(nèi)壁，在吸力面肋條頂部形成閉式分離(圖25(b)截面3)，使間隙出口有效流通面積明顯減小，凹槽葉尖射流系數(shù)明顯小于端壁靜止時(shí)。另一部分間隙射流則受刮削渦堵塞后流向下游。在這個(gè)過(guò)程中，刮削渦在凹槽腔內(nèi)產(chǎn)生氣動(dòng)封嚴(yán)的效果，作用類似于篦齒結(jié)構(gòu)，改變了間隙射流的流動(dòng)方向，增大了流動(dòng)損失，有利于凹槽葉尖射流系數(shù)和有效流通面積的降低。

圖25 各截面泄漏流速度矢量圖(數(shù)值結(jié)果)Fig.25 Velocity vector of leakage flow at different sections (numerical results)

在40%～65%流向范圍內(nèi)，端壁靜止時(shí)刮削渦已經(jīng)不存在(圖23)，間隙泄漏流從壓力面直接流出吸力面(如圖25(a)所示)，使間隙射流系數(shù)和有效流通面積迅速增加到最大值，在間隙強(qiáng)射流的帶動(dòng)下，壓力面肋條角渦的尺寸開(kāi)始逐漸增大并不斷向吸力面移動(dòng)。端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，刮削渦逐漸向吸力面肋條靠近，同時(shí)其尺寸開(kāi)始逐漸減小，但刮削渦仍具有堵塞作用，因此壓力面肋條角渦向吸力面移動(dòng)的過(guò)程較端壁靜止時(shí)有所延后。從圖25(b)中截面4的流動(dòng)圖可以看出，當(dāng)刮削渦靠近吸力面肋條時(shí)，氣流繞過(guò)刮削渦后以更大的射流角度(泄漏流方向與間隙出口法向的夾角)進(jìn)入吸力面肋條間隙，導(dǎo)致吸力面肋條頂部的分離區(qū)域變大，有效流通面積隨之減小。之后當(dāng)刮削渦流出凹槽間隙時(shí)，在失去刮削渦堵塞作用的情況下，吸力面肋條頂部開(kāi)式分離也逐漸消失，間隙射流變?yōu)閺膲毫γ嬷苯恿飨蛭γ?，有效出口流通面積增大。因此在該范圍內(nèi)凹槽葉尖射流系數(shù)和有效流通面積有一個(gè)先下降后上升的過(guò)程。

在65%～90%流向范圍內(nèi)，凹槽內(nèi)主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)僅存在壓力面肋條角渦，無(wú)論端壁靜止或者運(yùn)動(dòng)，泄漏射流流經(jīng)凹槽間隙時(shí)都不再受到明顯的誘導(dǎo)和堵塞作用(圖23)，僅端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在間隙內(nèi)形成部分剪切層。兩者的間隙射流均從壓力面直接流向吸力面，流動(dòng)結(jié)構(gòu)相似，凹槽葉尖射流系數(shù)和有效流通面積開(kāi)始近似相同(圖20、21)，但由于端壁運(yùn)動(dòng)的存在，端壁附近的流體運(yùn)動(dòng)方向和泄漏流相反，產(chǎn)生的剪切層在一定程度上起到了控制泄漏的作用，因此端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)凹槽葉尖射流系數(shù)和有效流通面積仍小于端壁靜止時(shí)。在凹槽尾緣附近，氣流在凹槽尾緣內(nèi)壁滯止后沿徑向流出凹槽腔，并在吸力面肋條間隙內(nèi)形成開(kāi)式分離，如圖26所示，此時(shí)端壁靜止和端壁運(yùn)動(dòng)情況下間隙出口有效流通面積又出現(xiàn)了明顯減小，凹槽葉尖射流系數(shù)降低。

圖26 凹槽尾緣截面泄漏流速度矢量圖(數(shù)值結(jié)果)Fig.26 Velocity vector of leakage flow near the cavity end (numerical results)

根據(jù)凹槽腔內(nèi)刮削渦在演化過(guò)程中對(duì)泄漏流所起到的控制作用大小，按照上述演化過(guò)程將凹槽沿流向分成3個(gè)區(qū)域。區(qū)域1為前緣至40%流向位置，此區(qū)域內(nèi)刮削渦形成后不僅對(duì)凹槽腔內(nèi)泄漏流形成了堵塞作用，還誘導(dǎo)泄漏流在吸力面肋條間隙內(nèi)形成閉式分離，導(dǎo)致間隙出口有效流通面積顯著降低。在此區(qū)域，由于端壁靜止時(shí)在前緣形成的刮削渦較早流出凹槽間隙，導(dǎo)致其對(duì)泄漏的控制效果減弱；而端壁運(yùn)動(dòng)改變了葉片前緣吸力面來(lái)流方向，也有助于減小間隙泄漏，同時(shí)也使刮削渦繼續(xù)向下游發(fā)展，延長(zhǎng)了刮削渦的控制范圍，增大了控制泄漏的效果。區(qū)域2為45%～65%流向區(qū)域，在此區(qū)域端壁靜止時(shí)已經(jīng)失去了刮削渦的控制作用，泄漏達(dá)到最大；端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然刮削渦的尺寸不斷變小并逐漸向吸力面間隙出口移動(dòng)，但是刮削渦的誘導(dǎo)作用使泄漏流在吸力面肋條頂部的閉式分離區(qū)域擴(kuò)大并導(dǎo)致有效流通面積降低，因此區(qū)域2也可以有效控制泄漏。在區(qū)域3，端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)刮削渦已經(jīng)流出凹槽間隙，端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)泄漏的控制效果明顯下降。結(jié)合間隙出口泄漏量沿流向的分布，區(qū)域1和區(qū)域2即為端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)泄漏的有效控制區(qū)域，而刮削渦的堵塞和誘導(dǎo)作用是該區(qū)域控制泄漏的關(guān)鍵。

通過(guò)上述分析可知，端壁運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)組織間隙內(nèi)部流動(dòng)形成刮削渦，并擴(kuò)大刮削渦的控制范圍，在凹槽腔內(nèi)產(chǎn)生類似于篦齒結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)封嚴(yán)效果并進(jìn)行堵塞，同時(shí)誘導(dǎo)局部流向位置的泄漏射流以更大的射流角度進(jìn)入吸力面肋條間隙形成分離并減少間隙出口有效流通面積，從而有效降低凹槽葉尖射流系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙泄漏的有效控制。

3.2 端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)不同加載形式葉片的影響

圖27給出了端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)后加載葉片和均勻加載葉片在97.5%高度葉尖壓力分布和原型葉片的對(duì)比，其中OL代表原型葉片，AL代表后加載葉片，ML代表均勻加載葉片。Cp定義為：

圖27 葉片負(fù)荷分布Fig.27 Blade load distribution

(4)

式中，p表示當(dāng)?shù)仂o壓，ρ和V表示密度和速度，下標(biāo)2表示葉柵通道出口位置。

對(duì)于后加載葉型，由圖28～30可知，其泄漏開(kāi)始位置相對(duì)后移，泄漏量、有效流通面積、射流系數(shù)等增長(zhǎng)迅速，各個(gè)量在葉片后部會(huì)保持一段較大值。端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)各量在流向分布造成的影響與原型葉片基本相同，均使其減小并且向下游推遲發(fā)展。在葉片前部，由于刮削渦的堵塞作用，各物理量跟端壁靜止時(shí)相比有所下降，在葉片后部雖然沒(méi)有刮削渦，但是會(huì)在間隙內(nèi)出現(xiàn)剪切層，限制泄漏流動(dòng)，所以在葉片后部各物理量仍低于端壁靜止時(shí)，但是葉片后部負(fù)荷較大，泄漏驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，剪切層的作用有限。

圖28 后加載葉片間隙出口泄漏量沿流向分布Fig.28 Leakage flow rate distribution along the streamwise direction at the gap outlet of after-loaded blade

圖29 后加載葉片射流系數(shù)沿流向分布Fig.29 Distribution of discharge coefficient along the streamwise direction of after-loaded blade

圖30 后加載葉片間隙出口有效流通面積沿流向分布Fig.30 Distribution of equivalent flow area along the streamwise direction of after-loaded blade

圖31所示為后加載葉片凹槽流動(dòng)結(jié)構(gòu)沿流向分布圖。端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，在凹槽前部能觀察到明顯的刮削渦。刮削渦在凹槽前端生成之后，尺寸逐漸擴(kuò)大，隨后不斷縮小并逐漸流出凹槽。在截面2位置形成的刮削渦的尺寸要遠(yuǎn)大于其他截面的刮削渦尺寸，幾乎占據(jù)了整個(gè)凹槽，可能是由于葉片前端負(fù)荷較輕，泄漏流強(qiáng)度較弱，在凹槽內(nèi)容易受到端壁附近流體的黏性作用而形成刮削渦，也可能是凹槽較大的寬深比更加有利于刮削渦的形成和發(fā)展，或者是兩者綜合作用的結(jié)果。刮削渦主要存在于凹槽前中部，對(duì)泄漏流形成了堵塞和誘導(dǎo)作用，增大了泄漏流在間隙出口的射流角度，能夠減小有效流通面積和射流系數(shù)，降低泄漏量。在葉片后部由于負(fù)荷逐漸增大，泄漏流直接流出凹槽，端壁運(yùn)動(dòng)控制泄漏的效果逐漸降低，最終泄漏量和端壁靜止時(shí)一致。

圖31 后加載葉片不同截面流動(dòng)結(jié)構(gòu)(實(shí)驗(yàn)結(jié)果)Fig.31 After-loaded blade Flow structure (experimental results)

端壁靜止時(shí)，截面2位置雖然也有刮削渦結(jié)構(gòu)形成，但是由于沒(méi)有端壁運(yùn)動(dòng)形成的強(qiáng)剪切作用，該截面刮削渦的大小和控制范圍均有所減小。與上下游截面對(duì)比發(fā)現(xiàn)，刮削渦的形成除與端壁運(yùn)動(dòng)有關(guān)外還和凹槽的寬深比密切相關(guān)。

由圖32～34可知，均勻加載葉片由于負(fù)荷前移，所以泄漏起始點(diǎn)也靠前，泄漏量分布增長(zhǎng)較平緩。端壁運(yùn)動(dòng)同樣可對(duì)葉尖泄漏進(jìn)行有效控制，降低泄漏量。

圖32 均勻加載葉片間隙出口泄漏量沿流向分布Fig.32 Leakage flow rate distribution along the streamwise direction at the gap outlet of mid-loaded blade

圖35所示為均勻加載葉片不同截面位置的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，刮削渦在凹槽前緣生成，尺度相對(duì)較小，壓力面肋條角渦相對(duì)較大。在截面2位置刮削渦受壓力面肋條角渦和泄漏流的作用已經(jīng)處于吸力面位置，在截面3位置即將離開(kāi)凹槽，早于端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)的后加載葉片。此外在截面2位置除刮削渦外還可以觀察到泄漏流和端壁附近流體相互作用產(chǎn)生的較為明顯的剪切層。這些剪切層與刮削渦具有相似的作用，均能夠堵塞泄漏流，降低流通面積，減少射流系數(shù)，有助于降低泄漏量。因此端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)的射流系數(shù)和泄漏量在葉片前部均有明顯降低。在葉片后部刮削渦早已流出但剪切層依舊存在，所以葉片后部泄漏量等仍小于端壁靜止時(shí)。

圖33 均勻加載葉片射流系數(shù)沿流向分布Fig.33 Distribution of discharge coefficient along the streamwise direction of mid-loaded blade

圖34 均勻加載葉片間隙出口有效流通面積沿流向分布Fig.34 Distribution of equivalent flow area along the streamwise direction of mid-loaded blade

圖35 均勻加載葉片不同截面流動(dòng)結(jié)構(gòu)(實(shí)驗(yàn)結(jié)果)Fig.35 Mid-loaded blade flow structure (experimental results)

端壁靜止時(shí)，在凹槽內(nèi)沒(méi)有形成明顯的刮削渦，泄漏流直接流出間隙，造成明顯的葉尖泄漏。

圖36給出了葉柵下游0.5倍軸向弦長(zhǎng)位置(出口)周向平均損失徑向分布的數(shù)值結(jié)果。其損失用總壓損失系數(shù)ξ表示，定義為：

圖36 不同加載葉片周向平均總壓損失系數(shù)分布Fig.36 Distributions of the pitch-wise averaged total pressure loss coefficient of different loaded blades

(5)

圖37為均勻加載和后加載葉片間隙泄漏累積量對(duì)比。端壁運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)，均勻加載葉片泄漏起始位置均先于后加載葉片，但后加載葉片泄漏量增長(zhǎng)更加迅速，最終后加載葉片的泄漏量均小于均勻加載葉片的泄漏量。端壁運(yùn)動(dòng)使均勻加載葉片間隙泄漏量降低17.4%，后加載葉片間隙泄漏量降低15.2%，其對(duì)泄漏的控制在均勻加載葉片上效果更顯著。因?yàn)榫鶆蚣虞d葉片的負(fù)荷分布相對(duì)靠前，形成的刮削渦能夠?qū)ω?fù)荷較大的位置形成更有效的堵塞效果，而后加載葉片的負(fù)荷分布靠后，在葉片后部已經(jīng)沒(méi)有流動(dòng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)π孤┝餍纬捎行Ф氯?，所以端壁運(yùn)動(dòng)在均勻加載葉片上可以降低更多的泄漏量。

圖37 不同加載葉片累計(jì)泄漏量Fig.37 Accumulated leakage flow rate of different loaded blades

為探究端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)凹槽葉尖在不同加載葉片上的控制效果，圖38、39給出了在端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)后加載葉片和均勻加載葉片平葉尖和凹槽葉尖的總壓損失系數(shù)對(duì)比以及兩葉尖的累計(jì)泄漏量差值沿流向的分布。由圖可知，凹槽在均勻加載葉片上對(duì)損失的控制效果與在后加載葉片上相當(dāng)，但對(duì)間隙泄漏量的控制效果更好。

圖38 不同加載葉片平均總壓損失系數(shù)Fig.38 Total pressure loss coefficient of different loaded blades

圖39 不同加載葉片累計(jì)泄漏量差值Fig.39 Difference of cumulative leakage flow rate of different loaded blades

3.3 不同徑向間隙情況下端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)凹槽控制泄漏流動(dòng)效果的影響

2和4 mm葉尖間隙高度時(shí)，端壁運(yùn)動(dòng)/靜止?fàn)顟B(tài)下葉尖凹槽內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別由圖40、41給出。2 mm間隙高度下端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)的刮削渦尺寸明顯增大，控制范圍也向下延伸到截面4位置，表明縮小間隙高度可以增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)端壁附近流體和泄漏流的剪切作用進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)泄漏渦的控制效果。而端壁靜止時(shí)刮削渦不明顯，存在范圍只在截面1和2位置。

4 mm間隙高度下端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)刮削渦尺寸有所減小，其控制范圍明顯縮短，在截面3位置基本流出凹槽，表明增大間隙高度會(huì)削弱刮削渦，增強(qiáng)泄漏流，使刮削渦更容易被擠出凹槽，對(duì)泄漏流的控制效果下降。但由于剪切層的存在，端壁運(yùn)動(dòng)仍能夠起到一定的降低泄漏的作用。端壁靜止時(shí)刮削渦的控制范圍和尺寸并沒(méi)有明顯的改變。

為探究端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)凹槽葉尖的控制效果變化，圖42、43分別給出了2和4 mm間隙高度下端壁運(yùn)動(dòng)時(shí)平葉尖和凹槽葉尖的總壓損失系數(shù)對(duì)比以及兩葉尖的累計(jì)泄漏量差值沿流向的分布。由圖可知，在端壁運(yùn)動(dòng)情況下，2 mm間隙時(shí)損失降低了2.2%，4 mm間隙時(shí)損失降低了6.3%，在泄漏量控制上4 mm間隙比2 mm間隙收益提高了1.2倍，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明間隙大小會(huì)直接影響凹槽內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)和凹槽葉尖控制泄漏的效果。

圖43 不同間隙累計(jì)泄漏量差值Fig.43 Difference of cumulative leakage flow rate of different gaps

4 結(jié) 論

本文搭建了一個(gè)不僅可以模擬機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)，還可以綜合考慮變?nèi)~尖間隙、變?nèi)~型幾何、變?nèi)~型負(fù)荷、變來(lái)流攻角等因素的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出了一種在模擬機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)凹槽腔內(nèi)受限空間的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案。該方案能夠?qū)Π疾蹆?nèi)部進(jìn)行測(cè)量，得到凹槽內(nèi)的主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其在流向方向上的演化過(guò)程，得出以下結(jié)論：

1) 端壁運(yùn)動(dòng)可以明顯減弱泄漏流動(dòng)，主要通過(guò)刮削渦影響葉尖的泄漏。當(dāng)刮削渦流出時(shí)對(duì)間隙泄漏流的影響逐漸減弱，在靠近葉片尾緣部分端壁運(yùn)動(dòng)對(duì)泄漏流基本不再產(chǎn)生影響。因此，若要有效控制葉尖泄漏應(yīng)主要關(guān)注刮削渦的葉片中部和前部，并擴(kuò)大刮削渦的存在范圍。

2) 刮削渦的形成與葉片負(fù)荷、凹槽幾何都密切相關(guān)，負(fù)荷過(guò)大會(huì)導(dǎo)致刮削渦提前流出，凹槽寬深比過(guò)小則無(wú)法形成刮削渦。選擇合適的負(fù)荷分布和凹槽幾何能夠提升刮削渦的堵塞效果并擴(kuò)大控制范圍。

3) 刮削渦控制泄漏流的效果在均勻加載葉片上更為明顯。在本文的研究中，端壁運(yùn)動(dòng)與端壁靜止相比，均勻加載葉片泄漏量降低了17.4%。均勻加載葉片最大負(fù)荷集中在葉片前部，與刮削渦生成和發(fā)展區(qū)域重合，能夠?qū)π孤┝餍纬捎行Ф氯?。后加載葉片在前部能夠形成更大尺寸的刮削渦，但其最大負(fù)荷主要在葉片后部，刮削渦的控制作用獲得的收益有限。

4) 徑向間隙的大小直接影響葉頂凹槽內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和演化，從而改變凹槽葉尖控制葉尖泄漏的效果。在不同徑向間隙情況下，葉尖機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)葉尖泄漏流動(dòng)控制效果也不盡相同。在本文的研究中，凹槽在4 mm間隙下控制間隙泄漏的收益更高。