唐 凱，劉志剛，李 嘉，陳 偉，凌代軍，卿科佑，沈翔鴻

(1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽 621000 ；2.四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

1 引言

葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的基礎(chǔ)單元，其做功能力的提升和對(duì)流動(dòng)損失的控制直接影響著壓氣機(jī)的性能。但是，壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，需要對(duì)其流動(dòng)轉(zhuǎn)捩、分離流控制和渦系結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，才能合理組織流動(dòng)結(jié)構(gòu)來提高性能。因此，對(duì)壓氣機(jī)中流動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的研究一直是業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)。平面葉柵通道流動(dòng)作為最基本的三維流動(dòng)，能夠較好地反映通道中的渦系結(jié)構(gòu)。但目前人們對(duì)于壓氣機(jī)葉柵通道的三維流動(dòng)仍未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，究其原因在于：①壓氣機(jī)葉柵通道中逆壓梯度的強(qiáng)弱直接影響渦系結(jié)構(gòu)的構(gòu)成；②超跨聲壓氣機(jī)葉柵的激波波系多為前緣弓形波及通道激波，激波強(qiáng)度及激波位置對(duì)流動(dòng)渦系有較強(qiáng)的影響。因此，針對(duì)目前壓氣機(jī)葉柵的特點(diǎn)，對(duì)不同狀態(tài)的葉柵通道流動(dòng)進(jìn)行充分研究，才能對(duì)壓氣機(jī)的三維流動(dòng)認(rèn)識(shí)提供支撐。

目前，國內(nèi)外均采用了以試驗(yàn)為主、數(shù)值計(jì)算為輔的葉柵通道三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)研究方法。試驗(yàn)技術(shù)研究中，發(fā)展了多種接觸式的氣動(dòng)特征測(cè)量技術(shù)，其中最常用的為表面壓力孔及探針。表面壓力孔是成熟度較高的測(cè)量方式，但是由于其結(jié)構(gòu)形式的限制，只能獲取離散點(diǎn)的壓力，無法獲得全流場(chǎng)特征。而在探針的使用上，已可以應(yīng)用多孔探針測(cè)量速度矢量場(chǎng)及壓力場(chǎng)，并且在提升測(cè)量準(zhǔn)確性上完成了大量的基礎(chǔ)技術(shù)研究，已開展了高靈敏度探針研究，發(fā)展了三孔、五孔、七孔探針[1-3]等系列；在探針測(cè)量結(jié)果修正上，已開展了探針近壁效應(yīng)修正[4]、壓力梯度下探針測(cè)量結(jié)果修正[5]的研究，來提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，但上述方法對(duì)于探針使用環(huán)境的多變工況仍存在一定局限性。另一種用于測(cè)量來流湍流度與速度的熱線探針，因其精度高的特點(diǎn)也被廣泛應(yīng)用于機(jī)理性研究試驗(yàn)，但受限于其高速流動(dòng)條件下的低可靠性，對(duì)于真正工程應(yīng)用分析仍有一定的不確定性。而正在興起的PIV 等非接觸光學(xué)測(cè)量手段因其不干擾流場(chǎng)的特點(diǎn)而廣受青睞[6-10]，但此類方法對(duì)光路要求極高，由于葉片彎角造成光路遮擋，無法全局觀測(cè)到整個(gè)葉柵通道，只能對(duì)特定區(qū)域的流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，這也成為光學(xué)測(cè)量方法的最大局限。

在工程中應(yīng)用最多且流跡觀測(cè)更全面的方法是油流流跡顯示法。早在上世紀(jì)60 年代就已經(jīng)證明，油膜圖像能很好地描述真實(shí)的壁面流線[11]，對(duì)真實(shí)的擾流影響很小，并針對(duì)應(yīng)用對(duì)象的不同，發(fā)展了多型號(hào)的顯示劑配比用以測(cè)量不同狀態(tài)的壁面流動(dòng)[12]，且對(duì)橢球擾流[13]與平面葉柵[14]進(jìn)行了流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究。國外更是針對(duì)不同類型的壓氣機(jī)及渦輪葉柵[15-16]，進(jìn)行了系列化油流流跡顯示技術(shù)研究，發(fā)展了基于油流技術(shù)的定量化矢量流跡技術(shù)[17]。在此基礎(chǔ)上，本文利用中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院發(fā)展的適用于超、跨、壓聲速的流跡顯示技術(shù)，對(duì)跨聲速葉柵不同攻角下葉柵通道的流動(dòng)進(jìn)行了半定量測(cè)量。通過獲取豐富的流動(dòng)圖譜，為葉型的氣動(dòng)優(yōu)化提供了充分的數(shù)據(jù)支持。

2 研究對(duì)象及方法

試驗(yàn)在中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院葉柵試驗(yàn)器上進(jìn)行。該試驗(yàn)器從全開到全閉只需要3 s。試驗(yàn)對(duì)象為一轉(zhuǎn)折角為40°的跨聲速前彎擴(kuò)壓葉柵，見圖1。試驗(yàn)工況參數(shù)如表1 所示。該葉型為典型的前彎葉型，考慮到氣流速度以及因流速造成的溫度變化，油流流跡顯示法需要根據(jù)不同的試驗(yàn)工況選擇不同的油流配比。此外，流跡顯示效果還受到吹風(fēng)時(shí)間的限制，因此需要利用設(shè)備的快速閥對(duì)吹風(fēng)時(shí)間進(jìn)行控制。試驗(yàn)時(shí)，首先根據(jù)柵前壁面壓力孔靜壓與試驗(yàn)件進(jìn)口總壓確定試驗(yàn)雷諾數(shù)狀態(tài)，然后根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)記錄試驗(yàn)進(jìn)口總壓，進(jìn)行油流流跡顯示試驗(yàn)時(shí)則根據(jù)記錄的總壓將試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)整到所需工況。本試驗(yàn)選用了針對(duì)雷諾數(shù)Re=1.29×106的油流配比及時(shí)間控制量。

圖1 葉片幾何參數(shù)Fig.1 Blade geometry parameters

表1 葉片工作狀態(tài)Table1 The operating conditions of the cascade

3 流跡圖譜分析

為探究不同攻角狀態(tài)下前彎葉型葉柵通道內(nèi)的流動(dòng)狀況，分別完成了負(fù)攻角(i=-6.4°)、零攻角(i=0°)和正攻角(i=2.6°)的流動(dòng)圖譜的測(cè)量，并分別從葉片表面及柵板端壁面的流跡圖譜，對(duì)葉片表面流動(dòng)轉(zhuǎn)捩形式與通道內(nèi)三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.1 負(fù)攻角工況

圖2 給出了負(fù)攻角工況下葉柵通道的流跡圖譜。圖中，VP、VS 分別代表壓力面馬蹄渦和吸力面馬蹄渦，PV、CV 分別代表通道渦和璧角渦，S代表分離/附著螺旋點(diǎn)。在流動(dòng)轉(zhuǎn)捩測(cè)量結(jié)果上，由圖2(a)葉片壓力面表面流跡圖譜可看出，前緣處出現(xiàn)了連續(xù)斑狀油流帶，且沿葉高呈均勻分布，斑狀油流截止位置出現(xiàn)了“△”的油流空缺。這一現(xiàn)象與湍流斑的形成完全一致，說明在葉片壓力面前緣出現(xiàn)了由層流向湍流轉(zhuǎn)變的旁路轉(zhuǎn)捩，轉(zhuǎn)捩完成之后，附面層并未顯著增厚，只存在較薄的油流流跡。但在相對(duì)弦向X/C≈ 0.37 處，又發(fā)生了湍流附面層分離，該分離后湍流表現(xiàn)為很明顯的速度條帶結(jié)構(gòu)，說明在壓力面的速度湍流度并不高。而在圖2(b)中，葉片吸力面流動(dòng)轉(zhuǎn)捩方式發(fā)生了較大變化，前緣的層流附面層很薄，因此吸力面前緣的油流速度條帶并不明顯。在X/C≈ 0.58 處，出現(xiàn)了明顯的分離轉(zhuǎn)捩過程，層流通過吸力面分離泡轉(zhuǎn)捩為湍流，但此時(shí)的轉(zhuǎn)捩沿葉高并不一致，分離轉(zhuǎn)捩只出現(xiàn)在20%～80%葉高區(qū)域。之后層流流動(dòng)變?yōu)橥牧髁鲃?dòng)，且湍流附面層厚度有一定程度的增厚，分離泡之后的油膜厚度明顯比前緣的大。而后在X/C≈ 0.80 的葉中區(qū)域處，發(fā)生了較明顯的湍流附面層分離，且分離一直持續(xù)到尾緣。

在三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，受進(jìn)口附面層及氣體黏性力的影響，葉片近端壁處出現(xiàn)了馬蹄渦對(duì)，其中壓力面馬蹄渦在圖2(a)中壓力面馬蹄渦分離線VP1與圖2(c)中分離線VP2之間不斷向后緣發(fā)展。在葉高方向，因葉片壓力面前緣沿軸向存在較強(qiáng)的逆壓梯度，使馬蹄渦快速向葉中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為圖2(a)中分離線VP1向葉中轉(zhuǎn)移的抬升段；而后壓力面軸向壓力梯度維持穩(wěn)定，壓力面馬蹄渦保持原有運(yùn)動(dòng)軌跡向尾緣移動(dòng)，表現(xiàn)為分離線VP1的平直段；最后在壓力面向吸力面的橫向壓力梯度作用下，壓力面馬蹄渦逐漸遠(yuǎn)離壓力面，造成分離線VP1向端壁偏轉(zhuǎn)。另外，在圖2(c)中緊靠分離線VP2的下游，發(fā)現(xiàn)了通道渦分離線PV2，分離線的存在說明此時(shí)通道渦與壓力面馬蹄渦并沒有發(fā)生摻混。摻混主要發(fā)生于分離線PV2與VP2的交匯處。

圖2 負(fù)攻角工況下葉柵通道的流跡圖譜Fig.2 The oil flow pattern of the cascade at negative angle of attack

吸力面馬蹄渦自形成后便迅速脫落吸力面，因此在圖2(b)前緣沒有發(fā)現(xiàn)吸力面馬蹄渦分離線，但在圖2(c)中發(fā)現(xiàn)吸力面馬蹄渦分離線VS2起始段向相鄰葉片壓力面偏轉(zhuǎn)的情況，且之后受橫向壓力梯度的影響，吸力面馬蹄渦基本按葉型型面向尾緣發(fā)展。在吸力面分離轉(zhuǎn)捩處，受摻混后的通道渦影響，迫使吸力面馬蹄渦與通道渦強(qiáng)度降低，并葉中偏轉(zhuǎn)，從而在圖2(b)吸力面出現(xiàn)了分離線PV1，并在圖2(c)柵板內(nèi)壁面形成了“▽”油流積聚，且吸力面尾緣端壁區(qū)氣流受通道渦黏性力的影響，又反向誘導(dǎo)出壁角渦。該壁角渦尺度很小，生成后在軸向逆壓梯度與橫向壓力梯度的綜合作用下，迅速離開吸力面，由此在吸力面近端壁處(圖2(b)紅色方框內(nèi))存在大量油流，只在吸力面近端壁處形成2 條很細(xì)的壁角渦分離線CV1。通道渦入射至葉片吸力面并離開柵板端壁，隨后隨主流流出通道。根據(jù)上述流跡圖譜顯示結(jié)構(gòu)，提出了如圖3 所示的負(fù)攻角葉柵通道三維流動(dòng)模型。

圖3 負(fù)攻角葉柵通道三維流動(dòng)模型Fig.3 The three-dimensional flow model of the cascade at negative angle of attack

3.2 零攻角工況

圖4 給出了零攻角工況下葉柵通道的流跡圖譜。圖中，Vlp代表通道誘導(dǎo)渦，Vple代表壓力面誘導(dǎo)角渦，SV 代表集中脫落渦。對(duì)于相同進(jìn)口雷諾數(shù)，零攻角工況下展現(xiàn)了多種流動(dòng)轉(zhuǎn)捩狀態(tài)。雖然在葉片壓力面前緣仍然出現(xiàn)了旁路轉(zhuǎn)捩，但轉(zhuǎn)捩完成位置明顯比負(fù)攻角工況的提前。轉(zhuǎn)捩完成后，附面層增厚，油膜厚度較負(fù)攻角工況的有所增加。對(duì)于吸力面，轉(zhuǎn)捩形式呈現(xiàn)出兩種形態(tài)：一種為受葉片表面粗糙度及測(cè)壓孔擾動(dòng)影響導(dǎo)致的進(jìn)口層流在吸力面前緣處完成的旁路轉(zhuǎn)捩，并形成了楔狀湍流(圖4(b)中紅色Λ 線)；另一種一直保持層流狀態(tài)，在X/C≈ 0.50 處受激波影響出現(xiàn)了層流分離泡轉(zhuǎn)捩。在完成轉(zhuǎn)捩之后，葉中部分在X/C≈ 0.75 處受軸向逆壓梯度影響，發(fā)生了直到尾緣的湍流附面層分離。

圖4 零攻角工況下葉柵通道的流跡圖譜Fig.4 The oil flow pattern of the cascade at zero angle of attack

零攻角下，三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了本質(zhì)的變化，雖然在葉片壓力面前緣近壁面處，仍出現(xiàn)了前緣馬蹄渦對(duì)分離線(圖4(c)中的VS2與VP2)，但可以發(fā)現(xiàn)，壓力面馬蹄渦的強(qiáng)度較弱，并未完全帶走端壁處的油流，造成了油膜的輕微滯留。除此之外，在圖4(a)中壓力面還出現(xiàn)了前緣誘導(dǎo)角渦，該角渦形成后迅速脫離柵板內(nèi)壁面，因此在柵板處出現(xiàn)了油流的積聚區(qū)(圖4(c)中紅色方框內(nèi))。而在葉片壓力面上，該誘導(dǎo)角渦在葉片壓力面前緣分離線Vple1內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并在X/C≈ 0.30 的近端壁處受通道渦影響而消失。通道渦分離線PV2的產(chǎn)生位置(圖4(c))明顯比負(fù)攻角工況的提前，且與負(fù)攻角通道渦運(yùn)動(dòng)軌跡不同的是，零攻角工況下通道渦形成后并未向相鄰葉片吸力面迅速偏轉(zhuǎn)，而是直接流出通道。此外，受通道渦的驅(qū)動(dòng)，在氣體黏性作用誘導(dǎo)下，在壓力面產(chǎn)生了通道誘導(dǎo)渦，形成了2 條分離線Vlp1(圖4(a))，該誘導(dǎo)渦尺度較小，在分離線Vlp1之間運(yùn)動(dòng)，最后流出通道。除此之外，受壓力面前緣誘導(dǎo)渦軸向運(yùn)動(dòng)與軸向逆壓梯度的影響，形成了軸向上的反向漩渦，并且在端壁處體現(xiàn)出附著螺旋點(diǎn)(圖4(a)中S)的特征。在X/C≈ 0.40 的葉中位置處，流跡體現(xiàn)出了明顯的鞍點(diǎn)三維分離特性，進(jìn)口氣流由前緣向尾緣流動(dòng)，而壓力面出現(xiàn)了由尾緣向前緣流動(dòng)的氣流(由吸力面尾緣脫落渦引起)，導(dǎo)致流線簇L1、L2向端壁側(cè)偏轉(zhuǎn)，形成了典型的三維流動(dòng)分離。在流線簇L1、L2偏轉(zhuǎn)以及附著螺旋點(diǎn)S 的綜合影響下，在壓力面出現(xiàn)分離螺旋點(diǎn)S1。

在吸力面X/C≈ 0.50 的近端壁處，受軸向逆壓梯度的影響，壁面流線迅速向葉中部分靠攏，但由于通道渦并沒有入射到相鄰葉片吸力面上，因此在圖4(c)中沒有觀察到壁角渦，但在軸向逆壓梯度與葉中軸向流動(dòng)氣流的黏性作用下，吸力面尾緣近端壁處發(fā)現(xiàn)了分離螺旋點(diǎn)S2與集中脫落渦。該集中脫落渦并不完整，呈半環(huán)螺旋線結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖4(a)中壓力面出口逆流向流線簇L1的出現(xiàn)，可以推測(cè)該螺旋結(jié)構(gòu)脫離葉片吸力面后便發(fā)散，并隨葉中部分集中脫落渦向葉片壓力面前緣流動(dòng)。為此，針對(duì)零攻角工況，提出了如圖5 所示的三維流動(dòng)渦系結(jié)構(gòu)。

圖5 零攻角葉柵通道三維流動(dòng)模型Fig.5 The three-dimensional flow model of the cascade at zero angle of attack

3.3 正攻角工況

圖6 給出了正攻角工況下葉柵通道的流跡圖譜?？梢?，正攻角工況下壓力面、吸力面的轉(zhuǎn)捩形式與零攻角工況下的相同，只是在轉(zhuǎn)捩位置上，正攻角工況下壓力面、吸力面的均稍有提前。在三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)上，正攻角工況也與零攻角工況表現(xiàn)出高度的一致性，只是壓力面出現(xiàn)的鞍點(diǎn)分離線已經(jīng)前移至X/C≈ 0.35 處。正攻角工況下葉柵通道的三維流動(dòng)模型與零攻角工況下的也高度一致。

圖6 正攻角工況下葉柵通道的流跡圖譜Fig.6 The oil flow pattern of the cascade passage at positive angle of attack

4 結(jié)論

利用研發(fā)的超跨聲速流跡顯示技術(shù)，對(duì)前彎葉型平面葉柵進(jìn)行了詳細(xì)的流動(dòng)圖譜測(cè)量，并根據(jù)負(fù)攻角、零攻角和正攻角下的流動(dòng)狀態(tài)提出了兩種流動(dòng)模型。研究得出以下結(jié)論：

(1) 壓力面通過旁路轉(zhuǎn)捩的形式完成層流向湍流的轉(zhuǎn)變，與攻角無關(guān)；吸力面主要通過層流分離泡的形式完成分離轉(zhuǎn)捩，轉(zhuǎn)捩的位置隨著攻角的增大而不斷向尾緣移動(dòng)，部分位置受到粗糙度差異、測(cè)壓孔的影響會(huì)發(fā)生旁路轉(zhuǎn)捩。

(2) 負(fù)攻角工況，渦系結(jié)構(gòu)由前緣馬蹄渦對(duì)、通道渦及處于吸力面尾緣的壁角渦構(gòu)成，通道渦會(huì)直接入射到相鄰葉片吸力面。

(3) 零攻角及正攻角工況，流動(dòng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時(shí)存在著前緣馬蹄渦對(duì)、壓力面前緣誘導(dǎo)角渦、壓力面?zhèn)鹊耐ǖ勒T導(dǎo)渦、通道渦與吸力面尾緣集中脫落渦。且受到吸力面尾緣集中脫落渦的影響，壓力面存在著由尾緣向前緣流動(dòng)的氣流，造成壓力面出現(xiàn)鞍點(diǎn)三維分離特征。同時(shí)，壓力面前緣靠近端壁處，還存在附著螺旋點(diǎn)、分離螺旋點(diǎn)的三維分離流動(dòng)特征。