跨聲軸流壓氣機彎曲靜葉出口三維流場測量

萬釬君，向宏輝，張 軍，王統(tǒng)林，鐘 明

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

跨聲軸流壓氣機彎曲靜葉出口三維流場測量

萬釬君，向宏輝，張 軍，王統(tǒng)林，鐘 明

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

利用小型五孔探針測量了不同工況下單級跨聲軸流壓氣機彎曲靜葉出口三維流場。結(jié)果表明，靜子出口有明顯的尾跡特性，其對后排葉片的影響不容忽視。靜葉角度調(diào)節(jié)對靜子葉片出口氣流角及尾跡形狀有較大的影響。彎曲葉片對端壁角區(qū)低能流體具有徑向遷徙作用，有利于提高壓氣機擴壓能力。葉尖、葉根及靜葉吸力面?zhèn)任槽E區(qū)，是高阻滯、高損失、高渦量區(qū)。徑向速度在葉根及葉尖呈現(xiàn)較大的周向不均勻度，切向速度、軸向速度在葉根也存在較大的周向不均勻度。

小型五孔探針；單級跨聲軸流壓氣機；三維流場測量；彎曲靜葉；靜葉出口；二次流

1 引言

在多級葉輪機械中，后排葉片會受到前排葉片尾跡的影響而產(chǎn)生非定常效應(yīng)，導(dǎo)致氣動性能及流動特性變化，從而影響整個葉輪機械的性能[1-2]。為此，國內(nèi)外研究人員對葉輪機械葉排尾跡流動特性開展了大量的研究[1-6]。McNerney等[1]對風(fēng)機出口進行了噪聲測量，分析了尾跡效應(yīng)對葉輪機性能的影響。Sanders等[3]利用PIV技術(shù)，對跨聲軸流壓氣機動葉與靜葉之間的流場進行了測量，分析了動-靜葉互相干涉現(xiàn)象。為獲得正彎靜葉在壓氣機中的性能特點，陸華偉等[5]利用五孔方向探針，分別對采用帶根部間隙的直靜葉和正彎靜葉的重復(fù)級低速軸流壓氣機在不同流量工況下的靜葉出口流場進行了實驗測量。項效镕等[6]基于小型軸流壓氣機實驗臺，運用熱線風(fēng)速儀(HWA)對不同轉(zhuǎn)速、流量工況下靜葉排出口尾跡流動特性進行了實驗研究。這些研究對控制流動損失、提高葉輪機械效率、深入探討葉輪機械非定常效應(yīng)有著極其重要的意義。

本文將某航空發(fā)動機多級軸流壓氣機的第一級設(shè)計為一臺單級跨聲軸流壓氣機試驗件，對其進行性能試驗及流場研究。利用小型五孔探針，對壓氣機彎曲靜葉出口三維流場進行精細測量，得到了不同工況下壓氣機彎曲靜葉出口時均三維流場參數(shù)及流場非定常特性。研究重點在于分析不同工況及靜葉調(diào)節(jié)角度下，壓氣機彎曲靜葉出口流場和尾跡特性，及其對后排葉片的影響，以期為該多級軸壓氣機設(shè)計改進提供技術(shù)支持。

2 試驗設(shè)備及試驗件

試驗在中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院全臺壓氣機試驗器上進行，該試驗器為敞開節(jié)流式軸流壓氣機試驗器，試驗器詳情見參考文獻[7]。試驗件結(jié)構(gòu)見圖1，由進口測量機匣、單級壓氣機、出口測量機匣組成。零級導(dǎo)葉和第一級靜葉安裝角可按需調(diào)節(jié)，試驗件一級靜葉為彎曲靜葉，槽道寬約28 mm。

3 靜葉出口流場測試方案及數(shù)據(jù)處理

用小型五孔探針測量了兩個不同工況(相對換算轉(zhuǎn)速 nˉ=0.95工作點和 nˉ=1.00設(shè)計點)下的靜葉出口流場。該五孔探針頭部為圓錐形，直徑為3 mm；五孔探針由位移機構(gòu)帶動，該位移機構(gòu)可按照預(yù)設(shè)方案沿周向及徑向移動。靜葉出口流場測量截面的軸向位置位于一級靜葉后Z/B=0.4處(Z為軸向距離，B為葉片中徑處軸向弦長)，徑向測量13個葉高位置。其中，鄰近壁面兩個葉高間距為3 mm，中間間距為5 mm，最靠近流道內(nèi)外壁面的葉高位置分別距內(nèi)、外壁面4 mm，可測量10.9%～91.7%葉高范圍。每個葉高位置周向測量13點，間隔0.8°，周向測量寬度接近1.8倍靜葉槽道。測量截面如圖2所示，總共布置169個測點，整個截面測量可清晰捕捉到靜葉出口的詳細流場信息。試驗件進、出口均安排了總性能測量截面(見圖1)，用于測量壓氣機性能參數(shù)，確定其工作狀態(tài)。

圖1 試驗件結(jié)構(gòu)及測量截面簡圖Fig.1 The compressor configuration and the measurement sections

圖2 測點分布Fig.2 Distribution of measurement points

文中所用主要參數(shù)定義如下：總壓升系數(shù)

徑向速度周向不均勻度

切向速度周向不均勻度

軸向速度周向不均勻度

式中：ptin、ptou分別為壓氣機進、出口總壓，ρtin為進口空氣密度，K為每個葉高的采樣點數(shù)分別為同一葉高上各測量點徑向、切向和軸向速度的平均值分別為同一葉高下K個測量點徑向、切向和軸向速度的平均值，Utip為測量工況下的動葉葉尖切向速度。

4 試驗結(jié)果分析

以下結(jié)果分析圖中，PS代表一級靜葉壓力面，SS代表一級靜葉吸力面。出口處靜子葉型及其相對于測量流場的位置，是根據(jù)靜子出口處葉片形狀結(jié)合測量工況下靜葉角度調(diào)節(jié)引起周向位置變化共同確定。由于是估算出的葉型及其位置，而實際試驗時葉片及其位置是空間三維的，因此圖中出口處靜葉葉型及相對位置可能與實際情況有所偏差，僅供分析流場時作參考。

4.1 氣流偏轉(zhuǎn)角分布

圖3 氣流偏轉(zhuǎn)角分布Fig.3 Distribution of pitch angle

偏轉(zhuǎn)角α方向定義為順氣流沿試驗件軸向逆時針為正。圖3示出了兩個工況下靜葉出口氣流偏轉(zhuǎn)角分布。可見：nˉ=0.95工作點，尾跡及葉根處的氣流偏轉(zhuǎn)角明顯大于主流區(qū)，主流區(qū)中間葉高氣流偏轉(zhuǎn)角為-6°～-9°，與此工況下一級靜葉角度-6.91°吻合；葉尖及葉根角區(qū)由于氣流與流道壁面的旋轉(zhuǎn)摩擦作用，氣流偏轉(zhuǎn)角最大，為-16°～-20°；流道中部尾跡氣流偏轉(zhuǎn)角大于主流，在-10°～-15°之間。nˉ=1.00設(shè)計點，主流區(qū)中間葉高氣流偏轉(zhuǎn)角為0°～-2°，與此工況下一級靜葉角度0°吻合；葉尖及葉根角區(qū)氣流偏轉(zhuǎn)角最大，為-5°～-8°；尾跡引起的偏轉(zhuǎn)角在-3°～-5°之間。從圖3(c)中節(jié)距平均氣流偏轉(zhuǎn)角沿徑向的分布規(guī)律可看出，在nˉ=0.95工作點，由于調(diào)節(jié)了靜葉角度，引起的氣流偏轉(zhuǎn)更大，氣流角沿葉高的差異也更大；兩個工況下接近葉中處氣流偏轉(zhuǎn)最小，從葉中至葉尖及葉根，氣流偏轉(zhuǎn)逐漸增大。

4.2 氣流俯仰角分布

俯仰角 β方向定義為氣流向流道內(nèi)壁面偏轉(zhuǎn)為正。圖4示出了兩個工況下靜葉出口氣流俯仰角分布?？梢姡涸趎ˉ=0.95工作點，主流區(qū)俯仰角基本向流道內(nèi)壁面偏轉(zhuǎn)；靠近內(nèi)壁面端壁區(qū)(0.2葉高以下)，由于氣流與輪轂的刮擦作用，角度變化梯度明顯；此區(qū)域俯仰角為負值，向流道外壁面偏轉(zhuǎn)，且越靠近內(nèi)壁面偏轉(zhuǎn)越大，最大值約為-7°。在nˉ=1.00設(shè)計點，由于轉(zhuǎn)速增加，離心力增大，出口截面通道下半部(0.5葉高以下)氣流俯仰角基本向流道外壁面偏轉(zhuǎn)；靠近內(nèi)壁面端壁區(qū)，俯仰角向外壁面偏轉(zhuǎn)的最大值約為-10°。

4.3 總壓升系數(shù)分布

圖5示出了兩個工況下靜葉出口的總壓升分布。從圖5(a)和圖5(b)可清晰看出靜葉尾跡及整個流場，由于葉根的幾何彎曲，流道根部葉片尾跡向壓力面推移。圖5(a)中由于調(diào)節(jié)了導(dǎo)葉角度，葉根尾跡向壓力面彎曲更嚴重，說明調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度對尾跡的形狀有較大影響。靜葉端部尾跡與氣流和輪轂旋轉(zhuǎn)摩擦作用生成的附面層高損失區(qū)結(jié)合，形成了葉根及葉尖的低能流體聚集區(qū)；由于流量及轉(zhuǎn)速的增加，導(dǎo)致靜葉端部損失加劇，使得圖5(b)中的葉根及葉尖的高損失區(qū)更明顯。從圖5(c)可看出，由于彎曲靜葉對端壁角區(qū)低能流體的徑向遷移作用，從葉根到葉中總壓升效果明顯，提高了壓氣機擴壓能力；但從葉中至流道外壁面擴壓能力與葉根相比有所降低?？傮w來看，彎葉片對氣流的擴壓能力在徑向分布上較均勻，有利于下一級動葉沿葉展方向均勻加功。

4.4 二次流分布

圖4 氣流俯仰角分布Fig.4 Distribution of yaw angle

圖6示出了兩個工況下靜葉出口的二次流矢量流線圖，其中背景云圖為馬赫數(shù)分布。結(jié)合二次流矢量及馬赫數(shù)分布可看出，葉尖、葉根及靜葉吸力面?zhèn)任槽E區(qū)是高阻滯、高損失、高渦量區(qū)。結(jié)合流線、馬赫數(shù)分布及靜葉葉型可知，在靜葉排氣邊緣，由于吸力面與壓力面的壓力梯度，形成了葉片尾跡處壓力面至吸力面的二次流動；而在葉片通道內(nèi)部，由于壓力面與吸力面的壓力梯度，形成了葉片通道內(nèi)從壓力面至吸力面的二次流動；上述兩個方向相對的二次流在靜葉吸力面?zhèn)葏R合，造成能量損失，形成靜葉吸力面?zhèn)鹊牡湍芰课槽E流動區(qū)；該區(qū)域有較大的徑向潛流，且馬赫數(shù)低，流動阻滯。由于葉根角度的折轉(zhuǎn)，葉根角區(qū)位置向壓力面推移。葉根二次流動強于通道其他區(qū)域，圖6(b)葉根區(qū)域由于轉(zhuǎn)速及流量增大，流動分離加劇，在靠近壓力面?zhèn)刃纬闪嗣黠@的二次渦旋結(jié)構(gòu)。

圖5 總壓升系數(shù)分布Fig.5 Distribution of total pressure rise coefficient

圖6 二次流矢量流線分布Fig.6 Vector and streamline distribution of secondary flow

4.5 周向不均勻度分布

圖7顯示了兩個工況下靜葉出口速度的周向不均勻度沿葉高的分布。由圖可看出：徑向速度、切向速度以及軸向速度，在靜葉根部均呈現(xiàn)出較大的周向不均勻度，與二次流分析結(jié)果相符，顯示流道底部由于旋轉(zhuǎn)氣流的刮削及角區(qū)低能物質(zhì)堆積，存在較大的非定常流動。在流道頂部及底部，由于附面層分離及泄漏流動，形成了較大的徑向速度不均勻度。根據(jù)不均勻度量值評判，其非定常性對后排葉片的影響，軸向速度最大，切向速度次之，徑向速度最小。

5 結(jié)論

利用小型五孔探針對單級跨聲軸流壓氣機彎曲靜葉出口三維流場進行了測量，為壓氣機設(shè)計改進提供了詳細的精細流場數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)分析表明：

圖7 速度周向不均勻性沿徑向的分布Fig.7 Radial distribution of the circumferential asymmetric degree of velocity

(1)靜子出口有明顯的尾跡特性，其對后排葉片的影響不容忽視；靜葉角度調(diào)節(jié)對靜子出口氣流角度分布及尾跡形狀有較大影響，增大靜葉角度會引起靜葉出口氣流角沿葉高分布的差異增大。

(2)試驗件采用的彎曲靜葉葉型對端壁角區(qū)低能流體具有徑向遷徙作用，有利于提高壓氣機擴壓能力，并使葉片的擴壓能力在徑向分布上較均勻，有利于下一級動葉沿葉展方向的均勻加功。

(3)流道頂部及底部均存在較大的徑向速度不均勻度。徑向速度、切向速度、軸向速度均在靜葉根部呈現(xiàn)最大值，表明氣流在靜葉根部存在較大的非定常特性。

[1]McNerney G M，van Dam C P，Yen-Nakafuji D T.Blade wake interaction noise for turbines with downwind rotors[R].AIAA 2003-1184，2003.

[2]Sanders A J，F(xiàn)leeter S.Rotor blade-to-blade wake vari?ability and effect on downstream vane response[J].Journal of Propulsion and Power，2002，18(2)：456—464.

[3]Sanders A J，Papalia J，F(xiàn)leeter S.A PIV investigation of rotor-IGV interactions in a transonic axial-flow compres?sor[R].AIAA 99-2674，1999.

[4]李紹斌，陳 浮，顏培剛，等.大折轉(zhuǎn)角彎扭靜葉對跨聲速壓氣機出口流場影響的實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報，2010，31(10)：1659—1662.

[5]陸華偉，郭 爽，陳 浮，等.帶根部間隙的直、彎壓氣機靜葉流場的實驗[J].推進技術(shù)，2009，30(5)：581—587.

[6]項效镕，劉 波，王慶偉，等.小型軸流壓氣機靜葉排出口尾跡流動特性[J].航空學(xué)報，2009，30(11)：2045—2051.

[7]顧 楊，崔 健，夏 聯(lián)，等.壓氣機帶靜葉優(yōu)化的引氣試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2004，17(4)：15—19.

Measurements of three-dimensional flow field at exit of a bowed stator in a transonic axial compressor

WAN Qian-jun，XIANG Hong-hui，ZHANG Jun，WANG Tong-lin，ZHONG Ming
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Under different work conditions,three-dimensional flow field at exit of a bowed stator in one-stage transonic axial compressor was investigated by a small five-hole probe.The results show that ob?vious wake characteristics at exit of the stator have considerable influence on the next stage.Stator angle ad?justing changes wake and pitch angle obviously.The bowed stator can lead the radial diffusion of the flow at endwall corner zone and elevate the pressure diffusion capability of the compressor.There are high block,high loss,high vortex in the areas of tip,root,and wake of the stator suction surface.The radial velocity ap?pears great circumferential asymmetric degree in the tip and root area;the tangential velocity and axial ve?locity all appear great circumferential asymmetric degree in the root area.

small five-hole probe；one-stage transonic axial compressor；three-dimensional flow field measurement；bowed stator；exit of stator；secondary flow

V232.4

A

1672-2620(2017)04-0023-05

2016-09-15；

2017-07-28

萬釬君(1977-)，女，四川江油人，高級工程師，碩士，主要從事壓氣機試驗測試工作。