帶有自發(fā)射流的渦輪葉頂間隙流場(chǎng)PIV測(cè)量

胡建軍，張 鐸，李志顯，馬 龍，孔祥東

(1．燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2．燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北秦皇島 066004)

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帶有自發(fā)射流的渦輪葉頂間隙流場(chǎng)PIV測(cè)量

胡建軍1,2，張 鐸2，李志顯2，馬 龍2，孔祥東1

(1．燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2．燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北秦皇島 066004)

為了探究葉尖射流對(duì)渦輪葉柵流場(chǎng)特性的影響，搭建了一個(gè)小尺度低速葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)對(duì)帶有自發(fā)射流的渦輪葉頂間隙流場(chǎng)進(jìn)行了直接測(cè)量，獲得了低雷諾數(shù)(Re=6.46×103～3.23×104)下射流孔附近的流動(dòng)圖像及速度測(cè)量結(jié)果，展示了葉頂間隙內(nèi)層流和紊流2種流態(tài)下自發(fā)射流與泄漏流的相互作用過(guò)程，揭示了低雷諾數(shù)工況下(涵蓋層流到紊流的轉(zhuǎn)捩)葉尖射流抑制泄漏流的作用機(jī)理及影響因素，并對(duì)葉尖射流尾跡中出現(xiàn)的類(lèi)卡門(mén)渦街的渦分布現(xiàn)象進(jìn)行了探討.結(jié)果表明：葉尖射流的引入在泄漏流抑制方面取得一定收益，但同時(shí)也進(jìn)一步加劇了葉頂間隙流動(dòng)的復(fù)雜性.

葉頂間隙； 泄漏流； 葉尖射流； PIV； 流場(chǎng)

葉頂間隙的存在導(dǎo)致葉尖泄漏，泄漏流不僅造成做功工質(zhì)泄漏，同時(shí)還對(duì)葉柵流場(chǎng)特性產(chǎn)生重要影響，誘發(fā)額外的流動(dòng)損失.研究表明，對(duì)于低展弦比葉柵，葉頂間隙泄漏損失占渦輪總流動(dòng)損失的1/3，渦輪葉頂間隙每增加1%，效率約降低1.5%，而耗油率約升高3%[1-2].因此，發(fā)展葉尖泄漏控制技術(shù)對(duì)提高葉輪機(jī)械性能具有十分重要的意義.

目前，減小葉尖泄漏一般通過(guò)減小葉頂間隙或改變?nèi)~尖結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如采用葉尖凹槽、壓力面肋條、吸力面肋條及葉尖襟翼等[3-5].美國(guó)學(xué)者Auxier[6]提出利用壓力面與葉頂間隙的自然壓差，形成一股自發(fā)射流從葉尖逆泄漏流射出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏流的控制.Hamik等[7]基于上述原理，提出一種具體的開(kāi)孔方案，并用一個(gè)簡(jiǎn)化模型對(duì)其進(jìn)行了初步理論分析.曹傳軍等[8]提出一種被動(dòng)式逆向渦流發(fā)生器，可用于毫米尺度渦輪葉尖泄漏流控制，并用數(shù)值模擬手段對(duì)其進(jìn)行了分析.筆者將葉尖自發(fā)射流(以下簡(jiǎn)稱(chēng)葉尖射流)應(yīng)用于常規(guī)尺度渦輪葉尖泄漏流控制，并開(kāi)展了前期數(shù)值計(jì)算[9-10].

目前，運(yùn)用粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)對(duì)渦輪葉柵流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的研究已經(jīng)比較多見(jiàn)[11-13]，但利用PIV技術(shù)對(duì)存在葉尖射流的渦輪葉頂間隙流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的研究還未見(jiàn)報(bào)道.

由于筆者研究的原始對(duì)象為航空低壓渦輪，在高空巡航狀態(tài)，低壓渦輪葉片的工作雷諾數(shù)可低至3×104，特別是低壓渦輪出口級(jí)的雷諾數(shù)可能還要低一些[14].因而，筆者運(yùn)用PIV技術(shù)對(duì)低雷諾數(shù)(6.46×103～3.23×104)工況下帶有葉尖射流的葉頂間隙流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了層流和紊流2種流態(tài)下葉尖射流與泄漏流的相互作用特性及泄漏抑制機(jī)制，為該方法應(yīng)用于實(shí)際葉柵提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)主動(dòng)噴氣式葉尖泄漏控制設(shè)計(jì)也具有參考意義[15].

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 低速葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為了測(cè)量帶有葉尖射流的葉頂間隙流場(chǎng)，搭建了低速葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)包括低噪離心風(fēng)機(jī)、變頻調(diào)速器(DELIXI 最大輸出功率為0.75 kW，頻率調(diào)節(jié)范圍為0～50 Hz，精度為0.01 Hz)、油霧示蹤粒子發(fā)生器(Safex-Nebelger?t 195 FW)、示蹤粒子容腔、靜壓箱、風(fēng)洞主體(進(jìn)口斷面尺寸為120 mm×105 mm，進(jìn)口段設(shè)置整流格柵)和連接軟管等.

圖1 低速葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Low-speed wind tunnel test rig

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用風(fēng)機(jī)前置的方案，在這種布置方案下，易對(duì)風(fēng)洞的出口流速進(jìn)行測(cè)量，而出口流速可以表征風(fēng)洞流速水平.采用熱球風(fēng)速儀(分辨率為0.01 m/s)對(duì)風(fēng)洞出口中心流速進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)變頻調(diào)速器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到預(yù)期的出口流速.風(fēng)洞主體和示蹤粒子容腔由透明有機(jī)玻璃板加工而成，帶有葉尖射流的直列葉柵用鋁合金通過(guò)線切割的方式加工而成，如圖2所示，該葉柵以Durham直列葉柵為原型[16]，經(jīng)過(guò)等比例放縮得到，詳細(xì)的葉柵參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 帶有葉尖射流的直列葉柵Fig.2 Linear cascade with spontaneous tip injection

表1 葉柵主要參數(shù)Tab.1 Cascade parameters

由于筆者已經(jīng)在文獻(xiàn)[10]中探討過(guò)動(dòng)葉與機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)自發(fā)射流抑制葉尖泄漏有效性的影響，流動(dòng)機(jī)理分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均表明，考慮端壁運(yùn)動(dòng)后，該方法仍是有效的，且對(duì)葉尖泄漏抑制還能起到一定的強(qiáng)化和放大作用.因此，本文的實(shí)驗(yàn)測(cè)量是在葉柵靜止工況下進(jìn)行的.

1.2 2D-PIV系統(tǒng)

所使用的2D-PIV系統(tǒng)由單個(gè)CCD照相機(jī)、激光片光源系統(tǒng)、信號(hào)同步器以及Dynamic Studio V2.3軟件構(gòu)成.其中，CCD照相機(jī)、信號(hào)同步器及Dynamic Studio V2.3軟件系統(tǒng)均由丹麥的DANTEC公司生產(chǎn)和開(kāi)發(fā).CCD照相機(jī)分辨率為1 600像素×1 200像素，相機(jī)前配有標(biāo)準(zhǔn)60 mm光學(xué)鏡頭(Nikon Nikkor 60 mm f/12.8D)和濾片.激光片光由Beamtech公司生產(chǎn)的雙諧振脈沖Nd:YAG固體激光器產(chǎn)生，激光器輸出激光波長(zhǎng)為532 nm的綠光，雙幀模式下的最大觸發(fā)頻率為15 Hz，單個(gè)脈沖最大能量為120 mJ，脈沖光采用Q-switch觸發(fā)方式獲得，脈沖寬度為6～8 ns，跨幀時(shí)間可達(dá)微秒級(jí)，具體數(shù)值需根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況調(diào)定，最窄光腰厚度約為1 mm.信號(hào)同步器用于控制CCD照相機(jī)和激光片光源的觸發(fā)延遲.Dynamic Studio V2.3軟件系統(tǒng)用于控制、監(jiān)視整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程和設(shè)置采集參數(shù)，并對(duì)原始粒子圖像進(jìn)行結(jié)果后處理.2D-PIV系統(tǒng)的測(cè)量誤差約為1%.

2 2D-PIV系統(tǒng)調(diào)試

在實(shí)施PIV測(cè)量之前，需要對(duì)PIV光路系統(tǒng)的布置及標(biāo)定、跨幀時(shí)間選擇、示蹤粒子選擇和布撒進(jìn)行精細(xì)考慮.

PIV光路系統(tǒng)布置的實(shí)質(zhì)是要解決預(yù)期測(cè)量平面與片光遮擋之間的矛盾.在測(cè)量區(qū)域確定之后，需要對(duì)2D-PIV系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定以建立起相機(jī)像素與實(shí)際照相區(qū)域的聯(lián)系，由于本次實(shí)驗(yàn)為二維PIV測(cè)量，因此采用刻度尺進(jìn)行標(biāo)定.

跨幀時(shí)間(又稱(chēng)雙曝光時(shí)間)的設(shè)置既與流場(chǎng)速度有關(guān)，又與查問(wèn)區(qū)域有關(guān)，一般要求前后2次曝光圖像中示蹤粒子的位移為查問(wèn)區(qū)域(32像素×32像素)邊長(zhǎng)的1/2～1/3.根據(jù)文獻(xiàn)[17]中的跨幀時(shí)間確定方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)探索，當(dāng)風(fēng)洞出口中心流速分別為1 m/s、3 m/s和5 m/s，跨幀時(shí)間分別為200 μs、65 μs和40 μs時(shí)可取得較好的流場(chǎng)測(cè)量效果.

實(shí)驗(yàn)采用的示蹤粒子由Safex-Nebelger?t 195 FW型油霧示蹤粒子發(fā)生器產(chǎn)生，油霧粒徑在2 μm左右，粒子發(fā)生能力為600 m3/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)驗(yàn)需求，因此采用脈沖發(fā)煙的方式，通過(guò)設(shè)置示蹤粒子容腔，讓粒子先進(jìn)入示蹤粒子容腔稀釋?zhuān)缓笤儆娠L(fēng)機(jī)均勻吸入，該方法可以達(dá)到令人滿意的粒子布撒效果.

此外，為了減少實(shí)驗(yàn)中有機(jī)玻璃板和金屬葉片的反射、散射對(duì)測(cè)量的干擾，考察位置附近的表面均貼有黑紙，金屬葉片表面用墨汁涂黑處理.

3 PIV測(cè)量結(jié)果分析與討論

筆者主要測(cè)量了射流孔附近水平剖面(測(cè)量平面1，即圖3中矩形方框區(qū)域，實(shí)際測(cè)量面積為34.2 mm×25.6 mm)和垂直剖面(測(cè)量平面2，剖切位置為射流孔中心線，在圖3中該平面投影為一條直線，實(shí)際測(cè)量面積為56.4 mm×42.4 mm)的流場(chǎng).

圖3 風(fēng)洞幾何參數(shù)及測(cè)量平面位置示意圖Fig.3 Schematic of the wind tunnel and position of the measurement planes

采用DANTEC公司開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)關(guān)聯(lián)算法對(duì)原始雙曝光粒子圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該算法與經(jīng)典互相關(guān)算法相比，其處理結(jié)果無(wú)效矢量更少(見(jiàn)圖4).查問(wèn)區(qū)域設(shè)置為32像素×32像素，重疊率為25%，觸發(fā)頻率取15 Hz，后面的測(cè)量結(jié)果均為50對(duì)原始圖像處理后的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，即反映的是時(shí)均流場(chǎng).

圖4 2種算法處理結(jié)果的比較Fig.4 Comparison of processing results between two algorithms

3.1 測(cè)量平面1的PIV流場(chǎng)測(cè)量

考慮到如果激光片光離葉尖表面太近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的背景白噪聲，因此通過(guò)精細(xì)的位置調(diào)整，最終使得片光中心距離葉尖約0.5 mm(片光厚度約為1 mm)，在此位置獲得了有效的流場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù).圖5為風(fēng)洞出口中心流速為1 m/s、3 m/s和5 m/s(分別定義為工況1、工況2和工況3)時(shí)測(cè)量平面1的原始PIV粒子圖像及對(duì)應(yīng)的速度云圖，其中X、Y為測(cè)量窗口的位置坐標(biāo)，速度云圖是將原始PIV測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)Tecplot軟件處理后得到的.按此速度和軸向弦長(zhǎng)計(jì)算得到的風(fēng)洞雷諾數(shù)Re分別為6.46×103、1.94×104和3.23×104.

圖5中3幅原始PIV粒子圖像是在示蹤粒子釋放初期拍攝得到的，此時(shí)射流孔中的示蹤粒子較少，被激光片光照亮程度較低，因此形成了葉尖射流與泄漏流顯著的明暗對(duì)比，可以顯示葉尖射流軌跡.對(duì)比3幅圖像，可以觀察到一個(gè)重要現(xiàn)象，即在所測(cè)流速范圍內(nèi)，恰好涵蓋了間隙內(nèi)流動(dòng)從層流到紊流的轉(zhuǎn)變.在工況1條件下，間隙內(nèi)流動(dòng)為層流，葉尖射流尾跡表現(xiàn)為平滑的直線，葉尖射流與泄漏流有著清晰的分界面；同時(shí)，可以在圖5中清晰地識(shí)別出在吸力面(S.S.)側(cè)葉尖泄漏流與通道主流相遇時(shí)形成的分離線(SL).

圖5 測(cè)量平面1的PIV流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Fig.5 PIV measurement results on plane 1

當(dāng)風(fēng)洞出口中心流速超過(guò)3 m/s時(shí)，葉尖射流軌跡不再呈直線狀態(tài)，葉尖射流與周?chē)黧w開(kāi)始發(fā)生摻混，這意味著間隙內(nèi)的流態(tài)已經(jīng)變?yōu)槲闪?有趣的是，在射流孔下游出現(xiàn)了類(lèi)似卡門(mén)渦街的渦脫落現(xiàn)象，為了排除偶然性，從工況2和工況3的原始數(shù)據(jù)庫(kù)中按時(shí)間序列再分別取出連續(xù)的3幅原始PIV粒子圖像來(lái)考察上述觀點(diǎn)，如圖6所示.觀察可知，圖6中均顯示有類(lèi)似卡門(mén)渦街的渦脫落現(xiàn)象.結(jié)果表明，所研究的葉尖射流與泄漏流的相互作用屬于圓柱射流與交叉橫流的相互作用問(wèn)題[18-19]，圖6中類(lèi)似卡門(mén)渦街的渦分布實(shí)際只反映了三維圓柱射流尾跡的一部分特征，這種渦被稱(chēng)為尾跡渦，并且認(rèn)為這種渦只是外表上類(lèi)似于卡門(mén)渦街，但從渦的生成機(jī)理上來(lái)講與卡門(mén)渦街是完全不同的，這種渦的產(chǎn)生和形成并非來(lái)自于圓柱射流本身，而是來(lái)自于近壁邊界層.

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)于圓柱射流與交叉橫流的相互作用規(guī)律并沒(méi)有完全弄清，對(duì)于本文情形，這種相互作用發(fā)生在一個(gè)十分受限的空間而不是在被廣泛研究的自由空間，其作用規(guī)律更是有待揭示，這個(gè)現(xiàn)象也說(shuō)明葉尖射流的引入進(jìn)一步加劇了葉頂間隙流動(dòng)的復(fù)雜性.

工況1、工況2和工況3條件下間隙內(nèi)最大流速分別為2.1 m/s、6.3 m/s和10.9 m/s，引入無(wú)量綱速度Vd，用于比較3種工況下葉尖射流的影響區(qū)域大小.Vd的定義如下：

(1)

式中：Vloc為當(dāng)?shù)亓魉伲琺/s；Vmax為同一張?jiān)茍D中的最大流速，m/s.

基于此定義，每一張速度云圖中Vd的取值范圍為0～1.由圖5可知，隨著風(fēng)洞流速的提高，葉尖射流影響區(qū)域不斷增大，從工況1到工況2這種現(xiàn)象非常明顯，而從工況2到工況3則不夠明顯.比較發(fā)現(xiàn)，葉尖射流的阻塞效應(yīng)并非隨風(fēng)洞流速單調(diào)變化，最大阻塞效應(yīng)出現(xiàn)在工況2，Y方向的阻塞寬度為3.9 mm，約為射流孔直徑的2倍；最小阻塞效應(yīng)出現(xiàn)在工況1，Y方向的阻塞寬度為2 mm，與射流孔直徑相當(dāng)；工況3的情形則介于兩者之間.

圖6 時(shí)間序列原始PIV粒子圖像Fig.6 Time sequence of original PIV particle images

3.2 測(cè)量平面2的PIV流場(chǎng)測(cè)量

為了考察葉尖射流在葉高方向上的影響范圍，對(duì)射流孔位置垂直于葉尖的平面進(jìn)行了PIV測(cè)量，實(shí)驗(yàn)工況與上文相同.圖7給出了測(cè)量平面2的原始PIV粒子圖像.從圖7可以看出間隙內(nèi)層流向紊流的轉(zhuǎn)變.當(dāng)間隙內(nèi)為層流時(shí)，葉尖射流(STI)與泄漏流(TLF)之間存在清晰的分界面，兩者不互相摻混.泄漏流夾帶著葉尖射流從吸力面流出形成一個(gè)瑞士卷，也就是經(jīng)常說(shuō)的泄漏渦(TLV).一般認(rèn)為，該渦的形成是葉尖泄漏流與通道主流相互作用的結(jié)果，在圖7中可以清晰識(shí)別出泄漏渦的渦核.

當(dāng)風(fēng)洞出口流速超過(guò)3 m/s時(shí)，間隙內(nèi)為典型的紊流，葉尖射流與泄漏流的交界面開(kāi)始不規(guī)則地波動(dòng)，說(shuō)明兩者之間開(kāi)始有明顯的摻混，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的動(dòng)量交換.在此情形下，已經(jīng)不能識(shí)別出泄漏渦的卷起形態(tài)，但仍能識(shí)別出其渦核所在的位置(如工況3).此外，從圖7還能觀察到泄漏流從壓力面(P.S.)進(jìn)入葉頂間隙時(shí)形成的分離泡(SB)的形態(tài).由于拍攝視角的問(wèn)題，圖中的白色虛線用以表明泄漏流的起始進(jìn)入位置，吸力面附近黑色楔角區(qū)域?yàn)榧す馄庖蛘趽踉斐傻臏y(cè)量盲區(qū).

為了能夠定量分析葉尖射流和分離泡的影響區(qū)域，將原始PIV粒子圖像進(jìn)一步處理得到圖8和圖9，其中Z為葉柵高度方向.從圖8可以看到葉尖射流和分離泡的外側(cè)流線(即分離線)，可以用于顯示兩者的外部輪廓，并借此反映其影響區(qū)域大小.這條分離線上有2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一個(gè)是分離點(diǎn)A，反映了葉尖射流開(kāi)始產(chǎn)生影響的位置；一個(gè)是再附點(diǎn)B，反映了分離泡影響結(jié)束的位置.圖8中2條垂直的點(diǎn)劃線作為A點(diǎn)和B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的參考線，同時(shí)還增加了一條水平的點(diǎn)劃線，用以衡量葉尖射流和分離泡在垂直方向的影響范圍.

由圖8可知，隨著間隙內(nèi)流速提高，A點(diǎn)逐漸向上游移動(dòng)，這意味著葉尖射流向上游的侵入逐漸增強(qiáng)，而B(niǎo)點(diǎn)逐漸向下游移動(dòng)，這意味著分離泡的覆蓋(或影響)區(qū)域在逐漸變大.總體而言，葉尖射流和分離泡在平行于葉尖方向的影響區(qū)域隨風(fēng)洞流速的提高而增大，但這個(gè)效應(yīng)對(duì)葉尖泄漏抑制并不會(huì)產(chǎn)生明顯的效果，真正產(chǎn)生影響的是兩者在垂直方向的變化情況.因此，可以用分離線在垂直方向(Z方向)的最大拱起高度來(lái)衡量?jī)烧邔?duì)泄漏流的阻塞效應(yīng).

由圖8還可知，葉尖射流和分離泡在垂直方向上影響區(qū)域的變化趨勢(shì)是不同的.對(duì)于葉尖射流，分離線的最大拱起高度隨風(fēng)洞流速提高并非單向變化，最大拱起高度出現(xiàn)在工況2，而不是出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的最大流速條件下的工況3，這是由于葉尖射流與泄漏流基本上是被同一壓差所驅(qū)動(dòng)的，但葉尖射流通道的阻力較大，葉尖射流流量的增大速度卻不及后者，因此當(dāng)間隙內(nèi)流速增大到一定程度之后，葉尖射流對(duì)泄漏流的抑制效果變差.

(c)工況3

圖8 間隙區(qū)域放大流線圖Fig.8 Streamlines in the tip clearance region

對(duì)于分離泡而言，分離線最大拱起高度隨間隙內(nèi)流速的提高而增大，在工況2時(shí)達(dá)到最大值.考慮到葉尖射流和分離泡對(duì)泄漏流抑制的綜合效果，最大阻塞效應(yīng)很可能就出現(xiàn)在工況3.此外，還發(fā)現(xiàn)不同工況下分離線的形狀也有所不同，在層流工況下，分離泡更為扁平.圖9比較了不同工況下間隙內(nèi)的流速分布.為了使不同工況的測(cè)量結(jié)果具有可比性，對(duì)間隙內(nèi)流速進(jìn)行了無(wú)量綱化處理，方法與上文相同.另外，為了去掉近壁區(qū)無(wú)效數(shù)據(jù)，特將Vd≤0.6的速度云圖隱去.

由圖9可知，間隙內(nèi)相同位置的無(wú)量綱速度隨風(fēng)洞流速的提高而降低，以葉尖射流上方的Vd為例，工況1、工況2和工況3的數(shù)值分別為0.85、0.8和0.75.由于受到葉尖射流和分離泡的綜合影響，葉頂間隙內(nèi)出現(xiàn)了3個(gè)顯著的高速區(qū)，分別在分離泡上方、葉尖射流上方及泄漏流出口附近.隨著風(fēng)洞流速的提高，葉尖射流和分離泡的影響區(qū)域在流速云圖中越來(lái)越突出，表現(xiàn)為在高速區(qū)(如Vd≥0.8)開(kāi)始萎縮，并且越來(lái)越集中在葉尖射流和分離泡的正上方，這個(gè)效應(yīng)進(jìn)一步印證了葉尖射流和分離泡對(duì)葉尖泄漏流的擠壓作用能夠?qū)θ~尖泄漏產(chǎn)生一定抑制效果.

圖9 間隙內(nèi)流度分布云圖Fig.9 Dimensionless velocity distribution in the tip clearance region

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)風(fēng)洞出口中心流速超過(guò)3 m/s時(shí)，葉尖射流軌跡不再呈直線狀態(tài)，葉尖射流與泄漏流開(kāi)始發(fā)生摻混，并在射流尾跡中出現(xiàn)了類(lèi)似卡門(mén)渦街的渦分布現(xiàn)象，該現(xiàn)象的出現(xiàn)進(jìn)一步加劇了葉頂間隙流動(dòng)的復(fù)雜性.

(2)隨著風(fēng)洞流速的提高，葉尖射流在平行葉尖方向的影響區(qū)域先增大后減小，在垂直葉尖方向的影響區(qū)域先增大后保持不變，只有在小葉頂間隙和低壓載荷下，葉尖射流才能取得較好的泄漏抑制效果.

[1] BOOTH T C. Importance of tip clearance flows in turbine design, VKI lecture series 1985-05: tip clearance effects in axial turbomachines[R]. Belgium: Von Karman Institute for Fluid Dynamics, 1985: 1-34.

[2] BINDON J P. The measurement and formation of tip clearance loss[J]. Journal of Turbomachinery, 1989, 111(3): 257-263.

[3] WILLER L, HASELBACH F, NEWMAN D A,etal. An investigation into a novel turbine rotor winglet: part 2—numerical simulation and experimental results, ASME paper GT-2006-90459[R]. Barcelona, Spain: ASME, 2006.

[4] LEE S W, KIM S U, KIM K H. Aerodynamic performance of winglets covering the tip gap inlet in a turbine cascade[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2012, 34: 36-46.

[5] 胡建軍, 徐進(jìn)良, 曹海亮, 等. 超微渦輪動(dòng)葉柵葉頂間隙對(duì)流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2010, 25(2): 134-140.

HU Jianjun, XU Jinliang, CAO Hailiang,etal. Numerical simulation of the influence of the blade tip clearance on the flow field of an ultra-micro turbine rotating cascade[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2010, 25(2): 134-140.

[6] AUXIER T A. Aerodynamic tip sealing for rotor blades: USA, 5403158[P]. 1995-04-04.

[7] HAMIK M, WILLINGER R. An innovative passive tip-leakage control method for axial turbines: basic concept and performance potential[J]. Journal of Thermal Science, 2007, 16(3): 215-222.

[8] 曹傳軍, 黃國(guó)平, 夏晨. 一種減小渦輪葉尖泄漏流的方法[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2011, 26(1): 99-107.

CAO Chuanjun, HUANG Guoping, XIA Chen. Method for reducing tip clearance leakage of turbine[J]. Journal of Aerospace Power, 2011, 26(1): 99-107.

[9] 胡建軍, 孔祥東, 徐進(jìn)良. 間隙高度對(duì)自發(fā)射流抑制葉尖泄漏的影響[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2013, 28(7): 1510-1516.

HU Jianjun, KONG Xiangdong, XU Jinliang. Effect of clearance height on tip leakage reduced by spontaneous tip injection[J]. Journal of Aerospace Power, 2013, 28(7): 1510-1516.

[10] 胡建軍, 孔祥東, 李志顯, 等. 帶葉尖自發(fā)射流的平面葉柵流場(chǎng)特性數(shù)值研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2014, 34(8): 612-617.

HU Jianjun, KONG Xiangdong, LI Zhixian,etal. Numerical investigation of flow field characteristics of linear cascade with spontaneous tip injection[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2014, 34(8): 612-617.

[11] SENOO A, MIZUKI S, TSUJITA H,etal. Investigation of internal flow in ultra-highly loaded turbine cascade by PIV method[J]. Journal of Thermal Science, 2000, 9(3): 193-198.

[12] PALAFOX P, OLDFIELD M L G, LAGRAFF J E,etal. PIV maps of tip leakage and secondary flow fields on a low-speed turbine blade cascade with moving end wall[J]. Journal of Turbomachinery, 2008, 130(1): 011001.

[13] 李軍, 蘇明. 渦輪葉柵非定常流動(dòng)的PIV實(shí)驗(yàn)[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 35(增刊1): 133-135.

LI Jun, SU Ming. Experiment on turbine blade unsteady flow with PIV[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Nature Science Edition), 2007, 35(S1): 133-135.

[14] HODSON H P, HOWELL R J. Bladerow interactions, transition, and high-lift aerofoils in low-pressure turbines[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2005, 37: 71-98.

[15] RAO N M, CAMCI C. Axial turbine tip desensitization by injection from a tip trench: part 1—effect of injection mass flow rate, ASME paper GT-2004-53256[R]. Vienna, Austria: ASME, 2004.

[16] GREGORY-SMITH D G, CLEAK J G E. Secondary flow measurements in a turbine cascade with high inlet turbulence[J]. Journal of Turbomachinery, 1992, 114(1): 173-183.

[17] LIU Baojie, YU Xianjun, LIU Huoxing,etal. Application of SPIV in turbomachinery[J]. Experiments in Fluids, 2006, 40(4): 621-642.

[18] FRIC T F, ROSHKO A. Vortical structure in the wake of a transverse jet[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1994, 279: 1-47.

[19] KELSO R M, LIM T T, PERRY A E. An experimental study of round jets in cross-flow[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1996, 306: 111-144.

Measurement of Tip Clearance Flow with Spontaneous Tip Injection Using PIV Technology

HUJianjun1,2,ZHANGDuo2,LIZhixian2,MALong2,KONGXiangdong1

(1. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei Province, China; 2. School of Civil Engineering and Mechanics, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei Province, China)

To investigate the influence of spontaneous tip injection (STI) on the turbine cascade flow, a small scale low-speed wind tunnel test rig was developed to directly measure the tip clearance flow field with spontaneous tip injection using PIV technology, so as to obtain the flow field adjacent to the injection hole at low Reynolds numbers (Re=6.46×103-3.23×104), present the interaction process between STI and tip leakage flow (TLF) under laminar and turbulence flow conditions in the tip clearance, reveal the mechanism using STI method to suppress the TLF at low Reynolds numbers (covering the transition process from laminar flow to turbulence flow), and finally to analyze the phenomenon of vortex distribution similar to the Karman vortex street (KVS) appearing in the wake of tip injection. Experimental results show that the introduction of STI may reduce the tip leakage flow in a certain degree, which however, would simultaneously intensify the complexity of the tip clearance flow.

tip clearance; leakage flow; spontaneous tip injection; PIV; flow field

2016-02-16

2016-04-20

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2015203271)；國(guó)家自然科學(xué)部主任基金資助項(xiàng)目(5160051215)；燕山大學(xué)青年教師自主研究計(jì)劃理工A類(lèi)資助項(xiàng)目(14LGA014)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973資助項(xiàng)目(2014CB046405)

胡建軍(1982-)，男，黑龍江虎林人，講師，博士，主要從事葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)方面的研究.電話(Tel.)：15032382779； E-mail：kewei729@163.com.

1674-7607(2016)11-0870-07

V231.3

A 學(xué)科分類(lèi)號(hào)：470.30