凌代軍,代秋林,朱榕川,王 暉,趙建通

中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院,四川 綿陽(yáng) 621000

0 引 言

葉片是現(xiàn)代航空燃?xì)廨啓C(jī)典型且重要的零件,是構(gòu)成其核心部件——壓氣機(jī)和渦輪——的基礎(chǔ)。葉型性能直接決定壓氣機(jī)和渦輪部件性能,進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、耗油率等關(guān)鍵的性能指標(biāo)。葉柵試驗(yàn)是在空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上為滿足葉型氣動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證需求而發(fā)展起來的一項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù),已廣泛應(yīng)用于高性能葉輪機(jī)械的葉型設(shè)計(jì)方法研究、葉型工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證、葉輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理探索和新技術(shù)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)80余年的發(fā)展表明,壓氣機(jī)和渦輪葉片葉型設(shè)計(jì)技術(shù)的每一次進(jìn)步都促進(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升,也推動(dòng)了葉柵試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展;同時(shí),葉柵試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和完善也為葉型設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)步和燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品性能提升提供了有力支持。

1 葉柵試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展歷史

1.1 葉柵試驗(yàn)發(fā)展的技術(shù)背景

時(shí)至今日,在輪轂和機(jī)匣環(huán)面邊界內(nèi),對(duì)具備轉(zhuǎn)-靜干涉特征的葉輪機(jī)多葉片排內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試研究,依然是一件復(fù)雜困難的工作。在航空燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展初期,葉輪機(jī)內(nèi)流氣動(dòng)熱力學(xué)理論體系尚未完全建立,更不具備計(jì)算機(jī)建模和CFD仿真條件,試驗(yàn)研究成為獲取葉輪機(jī)性能、驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果、進(jìn)行內(nèi)流機(jī)理探索的核心技術(shù)手段。在這個(gè)階段,葉型設(shè)計(jì)的半經(jīng)驗(yàn)特性更是讓平面葉柵試驗(yàn)成為獲取并驗(yàn)證葉型性能的主要途徑。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉型設(shè)計(jì)最初源于孤立的飛機(jī)翼型和螺旋槳葉型設(shè)計(jì)。平面葉柵(Plane cascade)是用圓柱/圓錐面切割壓氣機(jī)/渦輪葉片排后周向展開、二維拉伸而形成的(圖1),試驗(yàn)件葉片沿葉高型面相同,也稱為線性葉柵(Linear cascade)。平面葉柵試驗(yàn)以有限、直線排列的葉片模擬葉輪機(jī)截面周向展開流場(chǎng),通過吹風(fēng)試驗(yàn)獲取葉型性能參數(shù)和葉片間流場(chǎng)特征,進(jìn)而研究不同葉型性能以及葉型幾何、氣動(dòng)參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律,為葉型設(shè)計(jì)理論研究和工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供支撐,是葉輪機(jī)內(nèi)流氣動(dòng)熱力學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性試驗(yàn)技術(shù)[1-2]。

圖1 葉柵原理示意圖Fig.1 schematic diagram of cascade

1.2 葉柵試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的作用

自20世紀(jì)40年代航空燃?xì)廨啓C(jī)問世以來,基于大量平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)建立的葉柵性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)已成為國(guó)際上各航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司設(shè)計(jì)體系的技術(shù)核心[3-5]。世界航空動(dòng)力強(qiáng)國(guó)在其航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品研究中都進(jìn)行了大量、成系列的葉柵試驗(yàn),形成了較為完善的葉型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)體系[6],并通過建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)大量葉柵試驗(yàn)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和應(yīng)用,為其在該領(lǐng)域領(lǐng)先的技術(shù)和產(chǎn)品奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),如美國(guó)NACA-65、俄羅斯BC-6、英國(guó)C-4葉型系列。這時(shí)的平面葉柵試驗(yàn)以二維、定常流動(dòng)為基礎(chǔ),重點(diǎn)研究葉型幾何參數(shù)(曲率、厚度分布、安裝角、幾何構(gòu)造角、稠度、葉片前緣和尾緣形狀等)、氣動(dòng)參數(shù)(攻角、馬赫數(shù)、負(fù)荷等)對(duì)葉型性能的影響。

在航空燃?xì)廨啓C(jī)葉型研究中,壓縮部件葉型設(shè)計(jì)經(jīng)歷了常規(guī)亞聲速葉型,適應(yīng)超、跨聲速需求的雙圓弧葉型,多圓弧葉型,優(yōu)化設(shè)計(jì)葉型的演變,壓氣機(jī)壓比、效率和穩(wěn)定性得到了快速提升(圖2);在渦輪葉型設(shè)計(jì)方面,經(jīng)葉柵試驗(yàn)驗(yàn)證和完善起來的跨聲速高負(fù)荷葉型設(shè)計(jì)、計(jì)入葉片流道內(nèi)的冷氣-主流摻混氣動(dòng)損失模型以及考慮二次流控制及影響的葉型設(shè)計(jì)為渦輪部件性能提升奠定了基礎(chǔ)[7-11]。事實(shí)上,壓氣機(jī)、渦輪葉型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)氣動(dòng)性能提升最重要的技術(shù)推動(dòng)力。

圖2 葉型設(shè)計(jì)對(duì)壓氣機(jī)壓比和效率影響趨勢(shì)Fig.2 The influence of profile design on compressor pressure ratio and efficiency

1.3 葉柵試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀

因航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)在軍事和工業(yè)領(lǐng)域有著十分重要的意義,美、俄、英、法等國(guó)家的航空航天研究院、企業(yè)和高等院校在技術(shù)研究過程中都建設(shè)有為數(shù)不菲的葉柵試驗(yàn)設(shè)施,其功能和技術(shù)指標(biāo)可滿足從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用研究到工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證的全技術(shù)流程,對(duì)應(yīng)的吹風(fēng)速度涵蓋低速、亞聲速、跨聲速和超聲速領(lǐng)域。

葉柵試驗(yàn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、地面/艦船用燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等葉輪機(jī)械產(chǎn)品的葉型研發(fā)工作中。當(dāng)前,常規(guī)的葉柵試驗(yàn)技術(shù)以雷諾數(shù)自模、定常、均勻來流吹風(fēng)為典型特征。根據(jù)吹風(fēng)速度可分為低速、亞聲速、跨聲速和超聲速試驗(yàn);根據(jù)研究目標(biāo)和內(nèi)容可分為葉型性能試驗(yàn)和葉柵流場(chǎng)特征測(cè)試試驗(yàn)。

隨著葉輪機(jī)內(nèi)流氣動(dòng)熱力學(xué)理論的發(fā)展和葉輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步,葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)向黏性、三維、非定常領(lǐng)域發(fā)展,現(xiàn)代葉柵試驗(yàn)需要從關(guān)注氣動(dòng)、幾何參數(shù)對(duì)葉型總性能的影響,延伸至關(guān)注引起葉型性能變化的流動(dòng)機(jī)理研究、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征測(cè)量與診斷以及性能演變規(guī)律與分析等研究領(lǐng)域。葉柵試驗(yàn)技術(shù)也需要從傳統(tǒng)二維、雷諾數(shù)自模、定常流動(dòng)的平面葉柵試驗(yàn)向更真實(shí)流動(dòng)環(huán)境模擬平面葉柵、扇形/環(huán)形葉柵的領(lǐng)域拓展。

2 葉柵試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 葉柵試驗(yàn)流場(chǎng)周期性

葉柵試驗(yàn)本質(zhì)上是多葉片試驗(yàn)件的吹風(fēng),以有限數(shù)量直線排葉片模擬真實(shí)葉片周期工作條件。流場(chǎng)周期性是試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)葉柵試驗(yàn)相似原理和準(zhǔn)則,至少需要保證3個(gè)葉片通道具有較好的周期性(葉片流道進(jìn)口、葉片槽道、出口流場(chǎng)對(duì)應(yīng)點(diǎn)速度矢量在允許的偏差范圍內(nèi)相等),以實(shí)現(xiàn)在幾何相似的條件下確保葉柵流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。

相對(duì)于常規(guī)外流風(fēng)洞壁面軸向等長(zhǎng)的特點(diǎn),葉柵試驗(yàn)攻角的模擬方式?jīng)Q定了大部分工況下試驗(yàn)段流道上、下壁面會(huì)出現(xiàn)一定長(zhǎng)度差ΔL,從噴管出口到各葉片前緣的側(cè)壁長(zhǎng)度不同(圖3),尤其是在小進(jìn)口氣流角(額向)條件下這種影響更甚?？傮w來說,影響葉柵流場(chǎng)周期性的因素包括:

圖3 葉柵試驗(yàn)段上下駐室面長(zhǎng)度偏差示意圖Fig.3 Schematic ofthe ceiling length difference of the cascade test section

1)試驗(yàn)件葉片數(shù)量(傳統(tǒng)要求不小于5～7片);

2)葉柵進(jìn)口前流道固體壁面長(zhǎng)度不同會(huì)引起各通道固體壁面附面層發(fā)展不均衡;

3)柵前來流率先在試驗(yàn)件上部的頭葉片前緣出現(xiàn)繞流加速或激波(超聲條件下),對(duì)相鄰下一葉片進(jìn)口流場(chǎng)造成干擾;

4)試驗(yàn)段側(cè)壁、葉片端面、導(dǎo)流板與頭末葉片間漏氣;5)試驗(yàn)段流場(chǎng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)件對(duì)流場(chǎng)的干擾。

由于流場(chǎng)周期性是葉柵試驗(yàn)的基礎(chǔ)性要求,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在葉柵試驗(yàn)流場(chǎng)周期性模擬和調(diào)控方面開展了大量的研究工作[12-17],主要包括:

1)在試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,增加試驗(yàn)件葉片數(shù)、增大葉片展弦比(h/b),可以有效地提升周期流場(chǎng)品質(zhì),降低端壁渦系和附面層對(duì)葉柵中截面周期流場(chǎng)的影響。對(duì)于高負(fù)荷葉型,試驗(yàn)件葉片數(shù)量從常規(guī)的5～7片,增加到10片以上,國(guó)外部分超跨聲速葉柵試驗(yàn)葉片數(shù)甚至超過15片,其周期流場(chǎng)通道數(shù)量和質(zhì)量都顯著提升;

2)通過試驗(yàn)段上、下駐室和側(cè)壁附面層抽吸、微擴(kuò)流道調(diào)節(jié),控制和削弱附面層發(fā)展對(duì)流場(chǎng)周期性的影響,可采取多腔獨(dú)立控制抽氣方式進(jìn)行控制;

3)通過采用充氣密封、提升葉片端面加工精度等方式降低或消除漏氣對(duì)流場(chǎng)周期性的干擾;

4)通過探針安裝及驅(qū)動(dòng)改進(jìn)、試驗(yàn)段駐室位置調(diào)整及修型、探針槽封堵等方式減小和消除結(jié)構(gòu)件對(duì)流場(chǎng)的干擾;

5)通過尾板長(zhǎng)度、型面以及角度調(diào)整改善試驗(yàn)流場(chǎng)周期性。

在壓氣機(jī)和渦輪葉型試驗(yàn)中,根據(jù)流場(chǎng)特征不同,一般前者更注重考核葉柵進(jìn)口流場(chǎng)周期性、后者更關(guān)注葉柵出口流場(chǎng)周期性。可輔助判斷流場(chǎng)周期性的參數(shù)包括:

1)柵前(壓氣機(jī)葉柵)、柵后(渦輪葉柵)壁面靜壓分布;

2)各葉片通道紋影圖像;

3)葉片表面壓力分布;

4)葉柵尾跡測(cè)量參數(shù);

5)葉片表面油流顯示圖。

2.2 流場(chǎng)二元性影響與模擬

根據(jù)試驗(yàn)原理,平面葉柵試驗(yàn)主要研究和驗(yàn)證葉片某一截面的葉型性能,不考慮葉片排子午流道沿徑向的擴(kuò)張和收斂對(duì)葉片間流動(dòng)特征和葉型性能的影響。平面葉柵試驗(yàn)件以等徑向截面直葉片和平行柵板端壁為典型特征。軸向速度密度比(Axial Velocity Density Ratio,AVDR)在葉柵試驗(yàn)初期是試驗(yàn)流場(chǎng)二元性及數(shù)據(jù)有效性的重要判據(jù),理論上平面葉柵試驗(yàn)AVDR＝1．00左右,真實(shí)試驗(yàn)中因附面層影響,AVDR＞1．00。早期壓氣機(jī)級(jí)壓比較低,葉型負(fù)荷不高,在展弦比(h/b＞2．00)條件下,端壁附面層發(fā)展形成通道徑向收斂與葉型真實(shí)工作流場(chǎng)子午面收斂偏差不大,對(duì)葉柵中截面流場(chǎng)影響可忽略,葉柵流場(chǎng)二元性容易保證,平面葉柵試驗(yàn)結(jié)果可以在級(jí)性能分析中得到較好的應(yīng)用。

數(shù)十年來,發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)級(jí)壓比已從第一代發(fā)動(dòng)機(jī)的1．15提升到第四代的1．45～1．50,風(fēng)扇級(jí)壓比甚至達(dá)2．20以上;壓縮部件總增壓比也從早期的3.00提升到目前的35．00～40．00,壓氣機(jī)子午流道徑向收斂明顯,葉型AVDR也從1．00左右增至1．30～1.40。此時(shí),AVDR綜合了葉型通道周向葉片間流道和徑向子午流道收斂的雙重影響,但傳統(tǒng)平面葉柵的平行端壁已無法有效模擬流道徑向收斂的影響。由于葉型負(fù)荷增加,流動(dòng)逆壓力梯度增大,更易誘發(fā)流動(dòng)分離,致使近壁區(qū)二次流及各渦系對(duì)葉片徑向流場(chǎng)影響增大,使得高負(fù)荷葉型平面葉柵試驗(yàn)流場(chǎng)特性與真實(shí)截面工況相差甚遠(yuǎn)。因此,現(xiàn)代平面葉柵試驗(yàn)需要從試驗(yàn)?zāi)M和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)方面充分考慮AVDR的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在葉柵流場(chǎng)二元性模擬方面開展了大量試驗(yàn)研究[18-25],其主要思路是通過葉柵通道端壁的抽吸氣(圖4)使AVDR保持在0.95～1．15范圍內(nèi)。

圖4 通過抽氣控制葉柵試驗(yàn)AVDR[18]Fig.4 AVDR regulation and control by air bleed or suction[18]

對(duì)于亞聲速、未堵塞工況,采用抽氣調(diào)節(jié)AVDR對(duì)葉型性能影響不明顯,總體來說靜壓比、損失系數(shù)隨AVDR增大略有減小,但在大攻角近失速條件下AVDR調(diào)控對(duì)葉型的性能影響較大[18-20]。NASA和DLR的研究則表明超聲速葉柵試驗(yàn)AVDR對(duì)性能(損失和氣流轉(zhuǎn)折角)影響較大[21-22]。此外,Hergt等的研究表明AVDR隨攻角增大而增加,由此帶來的附加流動(dòng)損失會(huì)使葉型損失也增大[23]。Jouini等的研究也表明AVDR值受攻角影響較大,當(dāng)攻角i＝－14．5°時(shí),AVDR＜1．00,當(dāng)i＝14．5時(shí),AVDR＝1.25,并認(rèn)為此時(shí)葉柵流動(dòng)已不再保持二元性[24]。

對(duì)于級(jí)壓比較高的葉型,葉片間包括子午流面在內(nèi)的立體空間流道存在較大的收斂,流場(chǎng)三維特性已無法忽略,傳統(tǒng)平面葉柵流場(chǎng)已無法表征葉型基元立體通道的收－擴(kuò)特征,即便通過抽氣控制AVDR獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也僅能反映葉片基元葉型葉片間流道的擴(kuò)壓或膨脹能力,無法提供流道徑向變化對(duì)性能的影響,這在應(yīng)用平面葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓氣機(jī)或渦輪級(jí)性能分析時(shí)尤其需要注意。

此外,根據(jù)理論分析,還可以在平面葉柵葉片通道的平行柵板間引入附加幾何或者氣動(dòng)的收斂來模擬和調(diào)控流場(chǎng)徑向收斂度,以模擬真實(shí)基元葉型的徑向收斂,進(jìn)而獲取較傳統(tǒng)平面葉柵更接近真實(shí)工況的葉柵性能參數(shù)。NASA在20世紀(jì)70年代開展了端壁收斂的葉柵試驗(yàn)(圖5),并采取端壁抽氣控制附面層的影響,獲得AVDR變化對(duì)葉型性能的影響[25]。中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院在亞聲速高負(fù)荷葉柵試驗(yàn)中也采用楔形附加?xùn)虐鍋碚{(diào)控AVDR,形成徑向(沿葉高方向)的收斂通道,抑制端壁區(qū)和葉片吸力面的流動(dòng)分離,減小端壁二次流和附面層對(duì)葉柵中截面影響。試驗(yàn)表明:AVDR增大,損失系數(shù)降低,出口氣流角、靜壓比減小,這與周向、徑向通道收斂和出口速度增大是相匹配的;但收斂端壁設(shè)計(jì)復(fù)雜、通用性差、效率低,尚待進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化。

圖5 美國(guó)NASA某超聲速壓氣機(jī)葉柵試驗(yàn)[25]Fig.5 A supersonic compressor cascade test(NASA)[25]

2.3 低雷諾數(shù)葉柵試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)

雷諾數(shù)自模(Re＞3×105)是傳統(tǒng)葉柵試驗(yàn)所需遵從的相似準(zhǔn)則之一;但高空狀態(tài)下,葉片實(shí)際工作雷諾數(shù)可能低于自模雷諾數(shù),高空小尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作雷諾數(shù)更是可低至104量級(jí)。低雷諾數(shù)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)性能和穩(wěn)定工作裕度退化,渦輪部件效率降低,發(fā)動(dòng)機(jī)推力降低、耗油率顯著提升,已在PW545(圖6)和AE3007H發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)中得到了證明[26]。已有研究表明:葉型流動(dòng)分離和二次流增強(qiáng)是低雷諾數(shù)下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化的主要原因。低雷諾數(shù)條件下葉片表面的附面層呈現(xiàn)層流特點(diǎn),抗分離能力減弱,容易發(fā)生不可再附的流動(dòng)分離,從而增大葉型損失,導(dǎo)致壓縮系統(tǒng)和渦輪部件效率降低,進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。這種影響是非線性的,雷諾數(shù)在1×105以上時(shí),效率下降趨勢(shì)較緩,當(dāng)雷諾數(shù)處于104量級(jí)時(shí),雷諾數(shù)的降低將導(dǎo)致渦輪效率的急劇下降[27-28]。

圖6 PW545低壓渦輪效率隨雷諾數(shù)的變化[26]Fig.6 PW545 low pressure turbine efficiency variation with Reynolds number[26]

因此,在低雷諾數(shù)工況下的葉型設(shè)計(jì)方法研究中,雷諾數(shù)自模已經(jīng)無法完全滿足驗(yàn)證需求,需要真實(shí)低雷諾數(shù)葉柵試驗(yàn)?zāi)芰Φ闹С?以研究高空低雷諾數(shù)下壓縮系統(tǒng)和渦輪部件性能衰減誘因、量化低雷諾數(shù)對(duì)葉型性能影響,為建立適用于低臨界雷諾數(shù)的壓氣機(jī)、渦輪葉型設(shè)計(jì)模型提供支持。

國(guó)內(nèi)外在低雷諾數(shù)葉型和部件性能試驗(yàn)方面也開展了較多的研究工作。在葉柵試驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)低雷諾數(shù),可采用低速、小特征尺寸、低密度(低壓)的方法[29-35]。在具有工程應(yīng)用價(jià)值的高亞聲速、跨聲速領(lǐng)域,為研究局部超聲速區(qū)和激波影響,試驗(yàn)需滿足與設(shè)計(jì)馬赫數(shù)相等的條件,不宜用低速方法來降低雷諾數(shù);小弦長(zhǎng)試驗(yàn)葉片需考慮葉片負(fù)荷、強(qiáng)度以及加工限制,葉片表面靜壓測(cè)量引壓孔加工會(huì)削弱葉片強(qiáng)度,故不宜采用過小弦長(zhǎng)的試驗(yàn)葉片;降低試驗(yàn)介質(zhì)密度(壓力)是目前低雷諾數(shù)葉柵試驗(yàn)常用的方法,如比利時(shí)馮·卡門流體力學(xué)研究所的S－1/C高速變密度風(fēng)洞[36]和德國(guó)慕尼黑高速葉柵風(fēng)洞[37]就采用了低壓回流循環(huán)試驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｖ袊?guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院、中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司等單位也已開展基于節(jié)流進(jìn)氣－抽氣排氣為條件的低密度試驗(yàn)葉柵研究,亞聲速葉型的工作雷諾數(shù)可降至104量級(jí),基本滿足現(xiàn)階段低雷諾數(shù)葉型試驗(yàn)驗(yàn)證需要。

2.4 三維扇形葉柵試驗(yàn)

如前文所述,葉型的真實(shí)工作流場(chǎng)環(huán)境具有三維特性,三維真實(shí)流場(chǎng)模擬是葉柵試驗(yàn)發(fā)展的方向。NASA早在1969年就發(fā)表了在有6個(gè)葉片的扇形試驗(yàn)件上研究脈動(dòng)射流(Jet-flapped)對(duì)高負(fù)荷渦輪靜子葉片性能影響的研究報(bào)告[38]?，F(xiàn)在三維葉柵試驗(yàn)除關(guān)注流量特性、壓力損失等總特性外,更多關(guān)注的是流場(chǎng)氣動(dòng)參數(shù)的徑向、周向分布及葉片間流場(chǎng)細(xì)節(jié)特征。在三維全葉片氣動(dòng)性能及流場(chǎng)特征研究中,由于環(huán)形葉柵試驗(yàn)件制造和試驗(yàn)氣源成本高,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用更為經(jīng)濟(jì)的扇形葉柵試驗(yàn)?zāi)Ｊ絒39]開展研究。

國(guó)內(nèi)外扇形/環(huán)形葉柵試驗(yàn)多集中在低速壓氣機(jī)靜子和渦輪導(dǎo)向器方面,特點(diǎn)是進(jìn)口流速低,進(jìn)氣角徑向梯度小,流場(chǎng)模擬難度低,易于實(shí)現(xiàn)。與平面葉柵試驗(yàn)類似,采用多葉片數(shù)即較大圓心角的扇形試驗(yàn)件可有效提高試驗(yàn)流場(chǎng)質(zhì)量,但需綜合平衡流場(chǎng)品質(zhì)、氣源條件以及加工、試驗(yàn)成本等因素。國(guó)內(nèi)外既有6個(gè)葉片(圓心角36°)的研究成果[40],也有用14個(gè)葉片(圓心角144°)獲得7～10葉片周期流動(dòng)的實(shí)踐[41]。除增加葉片數(shù)外,研究者還通過端壁導(dǎo)流板型面及尾板結(jié)構(gòu)來調(diào)控試驗(yàn)流場(chǎng)品質(zhì),尤其在超跨聲速扇形葉柵試驗(yàn)中,需要調(diào)整尾板角度和長(zhǎng)度,避免近端壁葉片出口激波反射對(duì)流場(chǎng)周期性的破壞[42-43]。另外,適當(dāng)位置的抽吸氣也有助于扇形葉柵流場(chǎng)品質(zhì)及周期性的優(yōu)化[44]。

除流場(chǎng)周期性外,體現(xiàn)扇形葉柵流場(chǎng)三維性的流場(chǎng)參數(shù)徑向分布梯度也非常關(guān)鍵,試驗(yàn)中主要表現(xiàn)為徑向壓力梯度。模擬和調(diào)節(jié)出口流場(chǎng)徑向壓力梯度,可避免葉片根部流動(dòng)分離,使得流場(chǎng)模擬和性能數(shù)據(jù)更真實(shí)可信,這對(duì)超、跨聲速渦輪導(dǎo)向器扇形葉柵根部、尖部區(qū)域葉型試驗(yàn)尤為關(guān)鍵。徑向壓力梯度調(diào)節(jié)方法與試驗(yàn)設(shè)施和試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)相關(guān),主要有以下幾種方法:

1)葉尖徑向扇形調(diào)節(jié)凸塊[45],調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便,但調(diào)節(jié)范圍窄,且可能在調(diào)節(jié)凸塊附近形成回流和附加旋渦,影響尖部流場(chǎng)測(cè)量;

2)設(shè)計(jì)不同堵塞度的排氣通道端壁[46];

3)在葉柵后增加具有消旋的導(dǎo)流葉片,模擬扇形區(qū)間的徑向壓力梯度(圖7)[47]。

圖7 扇形葉柵試驗(yàn)段出口消旋葉片示意圖[47]Fig.7 2D unwrapped schematic of the working section of the annular sector heat transfer facility[47]

在具體應(yīng)用中還需要充分考慮柵后流場(chǎng)測(cè)量探針及位移機(jī)構(gòu)的空間定位、探針在出口流場(chǎng)中的附加激波對(duì)流場(chǎng)的影響。

此外,在拓展扇形葉柵進(jìn)口氣流角及分布模擬方面,還有研究者采用換裝帶不同法蘭面夾角的扇形直管段(圖8)來調(diào)節(jié)葉柵進(jìn)口攻角[48],以拓展扇形葉柵試驗(yàn)適用范圍。

圖8 變進(jìn)氣攻角轉(zhuǎn)接段[48]Fig.8 Variable inlet angle switching section for sector cascade[48]

2.5 葉柵非定常特性試驗(yàn)

轉(zhuǎn)/靜葉片排在軸向的間隔布局和葉片在輪盤的周向排列決定了葉輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)固有的非定常特征。目前葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)體系主要還是以均勻、定常流假設(shè)為前提,真實(shí)流場(chǎng)的固有非定常特性在現(xiàn)有設(shè)計(jì)體系中還沒有得到充分的體現(xiàn)。葉輪機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)從定常向非定常轉(zhuǎn)變將是未來技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì),非定常流動(dòng)蘊(yùn)含著很大的潛力,這也是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵方向[49]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在21世紀(jì)初提出了葉輪機(jī)“非定常自然流”和“非定常耦合流”兩代非定?！傲餍汀崩碚?并進(jìn)行了部分前瞻性探索[50-51]。根據(jù)葉輪機(jī)內(nèi)非定常效應(yīng)源及作用因素,葉柵內(nèi)流場(chǎng)非定常特性試驗(yàn)研究可以分為以下3類:

1)葉柵流場(chǎng)非定常特性及控制試驗(yàn)研究

葉柵流場(chǎng)的非定常特性是指在定常均勻來流情況下,葉片與流道固壁表面流體附面層發(fā)展、流動(dòng)轉(zhuǎn)捩、激波干涉、逆壓力梯度等因素引起流動(dòng)分離,以及尾跡、各類旋渦(角渦、馬蹄渦、通道渦等)運(yùn)動(dòng)和發(fā)展引起的流動(dòng)非定常特性,都屬于流場(chǎng)內(nèi)生的非定?，F(xiàn)象。這些非定常流動(dòng)通過分離及再附、尾跡摻混、端壁二次流對(duì)流道的收斂等宏觀方式影響流場(chǎng)結(jié)構(gòu),進(jìn)而對(duì)葉型的性能產(chǎn)生影響。掌握葉柵非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制方法可以為提升葉輪機(jī)性能提供基礎(chǔ)支持。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在葉柵流場(chǎng)非定常流特性的試驗(yàn)和數(shù)值研究領(lǐng)域開展了大量研究[52-55],并利用流場(chǎng)的非定常特性開展了葉柵局部流場(chǎng)控制進(jìn)而提升葉型性能的研究[56-58],其試驗(yàn)在傳統(tǒng)葉柵試驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)上增加相應(yīng)動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置,對(duì)應(yīng)不同的非定常流動(dòng)控制方法增設(shè)激勵(lì)發(fā)生器與控制裝置,比如零質(zhì)量射流、非定常聲激勵(lì)等。

2)振蕩葉柵試驗(yàn)研究

據(jù)統(tǒng)計(jì),振動(dòng)故障占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的比例大于60%,其中葉片故障占比大于70%,由于葉輪機(jī)尤其是壓縮部件葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和流場(chǎng)的非定常特性,壓氣機(jī)失速、喘振、顫振等不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象都和葉片振動(dòng)－氣動(dòng)非定常的耦合相關(guān)聯(lián)。通常將葉柵領(lǐng)域的此類研究稱為振蕩葉柵(Oscillating cascade),這類研究可以為葉輪機(jī)特別是壓氣機(jī)葉片顫振相關(guān)的氣－固耦合研究提供支持[59-61]。

振蕩葉柵試驗(yàn)主要研究葉片在非定常外力作用下受迫振動(dòng)以及葉片小幅度偏轉(zhuǎn)情況對(duì)流場(chǎng)特征和葉型性能的影響;研究外加激勵(lì)的模式、頻率、幅值等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)流場(chǎng)特征和葉型性能影響的本質(zhì)原因及內(nèi)在規(guī)律。這類研究在傳統(tǒng)葉柵試驗(yàn)基礎(chǔ)上需要根據(jù)試驗(yàn)葉型特性進(jìn)行特殊的試驗(yàn)件和葉片激振系統(tǒng)設(shè)計(jì)。葉片激勵(lì)方式有機(jī)械、電磁等方式,其中機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)葉片[62-63]、凸輪或曲柄連桿驅(qū)動(dòng)等方式[59,64-65]。

3)葉柵進(jìn)出口流場(chǎng)的非定常影響試驗(yàn)研究

葉柵進(jìn)出口流場(chǎng)的非定常模擬,包括流場(chǎng)壓力和速度的空間分布與時(shí)序變化,源自上級(jí)葉片排尾跡掃掠、進(jìn)氣壓力脈動(dòng)、下游葉片排相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的壓力波干涉等。

在進(jìn)口非定常模擬方面,國(guó)內(nèi)外均有在葉柵進(jìn)口通過運(yùn)動(dòng)的圓柱擾流尾跡來模擬上游葉片尾跡對(duì)壓氣機(jī)或者渦輪葉型性能影響的報(bào)告,通過改變圓柱直徑、間距、運(yùn)動(dòng)速度來模擬尾跡特征[66-70],以此研究尾跡擾流對(duì)葉片表面分離、葉型性能的影響及其規(guī)律。已有的試驗(yàn)研究表明:在具有層流分離泡的渦輪葉片葉背表面,進(jìn)口非定常尾跡抑制了葉型附面層發(fā)展,與定常流相比,減少了總壓損失。目前這類進(jìn)口流場(chǎng)非定常模擬研究還僅限于低速機(jī)理試驗(yàn)。

3 結(jié)論與展望

飛行器對(duì)動(dòng)力的需求永無止境,葉輪機(jī)葉型設(shè)計(jì)方法和理論也不會(huì)止步于目前的成果。在葉型設(shè)計(jì)理論研究、設(shè)計(jì)方法發(fā)展以及葉型CFD計(jì)算校核中,葉柵試驗(yàn)仍將發(fā)揮重要作用,繼續(xù)探索和拓展葉柵試驗(yàn)技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

未來的葉柵試驗(yàn)技術(shù)一方面需要針對(duì)現(xiàn)代高負(fù)荷、高性能超跨聲速葉型試驗(yàn)需求,做好流場(chǎng)模擬的品質(zhì)控制與調(diào)節(jié);另一方面還需要適應(yīng)新類型試驗(yàn)需求,做好具有低雷諾數(shù)、三維特性和非定常特性的流場(chǎng)模擬技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,滿足葉型設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證的需求。

此外,為更好響應(yīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求,葉柵試驗(yàn)需要在試驗(yàn)環(huán)境模擬、非接觸無擾測(cè)量、多數(shù)據(jù)源流場(chǎng)重構(gòu)、流場(chǎng)診斷以及葉型性能分析等方面持續(xù)開展工作,尤其是亟需在具有工程應(yīng)用價(jià)值的超跨聲速領(lǐng)域取得突破,為先進(jìn)葉型設(shè)計(jì)技術(shù)研究、設(shè)計(jì)方法改進(jìn)和優(yōu)化提供有力支撐。