侵入式探針對單級高壓渦輪的性能影響

黃剛 劉婕妤 王瑤 梁仍康 楊思帆

摘要： 文章以E3高壓渦輪為研究對象，研究侵入式探針對單級高壓渦輪的氣動性能影響機(jī)理，分析在高溫高速氣體沖擊下探針自身所產(chǎn)生的形變。結(jié)果表明探針在轉(zhuǎn)子出口測試截面，會影響渦輪的總體性能，使渦輪等熵效率降低，探針尾流區(qū)域熵增，尾跡與主流產(chǎn)生摻混損失，出口氣流角發(fā)生改變。探針在安全范圍內(nèi)發(fā)生形變，且與發(fā)動機(jī)無共振隱患。

Abstract： Taking E3 high-pressure turbine as the research object， this paper studies the influence mechanism of intrusive probe on the aerodynamic performance of single-stage high-pressure turbine， and analyzes the deformation of probe itself under the impact of high-temperature and high-speed gas. The results show that the test section of the probe at the rotor outlet will still affect the overall performance of the turbine， reduce the isentropic efficiency and flow of the turbine， increase the entropy of the probe wake area， produce mixing loss between the wake and the mainstream， and change the outlet flow angle. The probe deforms within the safe range and has no potential resonance with the engine.

關(guān)鍵詞： 侵入式探針;高壓渦輪;等熵效率;共振

Key words： invasive probe;high pressure turbine;isentropic efficiency;resonance

中圖分類號：V231.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0065-04

0 ?引言

渦輪是航空發(fā)動機(jī)的重要部件，其處于高溫高壓的惡劣環(huán)境，是有著強(qiáng)壓力和溫度梯度的強(qiáng)三維性、非定常性和強(qiáng)剪切的復(fù)雜流動[1]。為測得渦輪的性能參數(shù)，一般采用總體性能測量方法，在渦輪的進(jìn)出口布置穩(wěn)態(tài)測試梳或測試耙，獲取截面氣流平均總參數(shù)分析得渦輪性能。

試驗(yàn)時安裝侵入式探針會浸入到渦輪流場中，造成流動阻塞，當(dāng)探針測試截面位于渦輪進(jìn)口或級間時，探針探頭和支桿產(chǎn)生的尾跡會進(jìn)入渦輪流場中而對渦輪性能產(chǎn)生影響。甚至在某三級軸流壓氣機(jī)性能試驗(yàn)時，探針支桿的尾跡脫落渦誘導(dǎo)了轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生超過安全閾值的振動應(yīng)變[2-4]。

國內(nèi)外研究人員對試驗(yàn)過程中探針支桿對壓氣機(jī)和渦輪氣動性能的影響已有一些研究。Wyler[5]研究了在封閉通道中的圓柱形探針支桿的阻塞效應(yīng)，使得流場靜壓降低，馬赫數(shù)增大，為減小探針影響，應(yīng)該盡可能的減小探針阻塞比。羅鉅[6]采用了一種直徑8mm等環(huán)面分布6點(diǎn)的梳狀總壓探針來獲取兩級軸流壓氣機(jī)進(jìn)出口的總壓。朱銘敏[7]在四級低速大尺寸壓氣機(jī)進(jìn)出口截面分別布置了4支5點(diǎn)和4支7點(diǎn)總壓探針。按照航標(biāo)建議，進(jìn)口總溫總壓測量截面可在導(dǎo)葉前緣1.5倍葉中弦長;出口總溫和總壓探針可布置于0.5～1.0倍轉(zhuǎn)子葉中弦長，在探針尺寸限制下，測點(diǎn)數(shù)應(yīng)盡量多的布置[8]。Frederick等[9]研究了探針的測試布局對流場測量結(jié)果的影響，探針數(shù)量少于在8梳40點(diǎn)的測試布局對導(dǎo)致對總壓的測量誤差增大。付少林[10]等人利用近壁邊界層模型改進(jìn)了渦輪測試效率的精度，認(rèn)為高精度測試效率需要7～10個徑向測點(diǎn)和5個周向測點(diǎn)。張小慶[11]采用熱流耦合模擬篩選出合適的總溫探針，并用其測量了60mm脈沖燃燒風(fēng)洞流場。

本文工作主要是采用數(shù)值模擬方法，研究探針支桿的物理堵塞和局部干擾，關(guān)注侵入式探針改變原有流場的情況。首次研究在渦輪出口測試截面帶有實(shí)際探針支桿的測試布局，分析其對單級高壓渦輪的性能影響。

1 ?計(jì)算模型及方法

本文采用有詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的普惠E3單級高壓渦輪為研究對象，有24個鈍前緣導(dǎo)葉片和54個高扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子葉片。采用UG軟件對E3高壓渦輪葉片進(jìn)行逆向建模，得到較為準(zhǔn)確的CAD模型;探針模型采用直徑5mm的圓柱支桿，如圖1、圖2所示。

本次計(jì)算采用單通道模型驗(yàn)證CFD計(jì)算模型的精度和逆向建模的準(zhǔn)確度。計(jì)算含有探針的渦輪流場時采用非定常方法，4：9轉(zhuǎn)靜通道，探針支桿周向均布6個，呈“水”字形分布，軸向位置為距轉(zhuǎn)子0.5倍轉(zhuǎn)子葉中弦長（記為b），即測試截面位置，考慮真實(shí)試驗(yàn)情況，探針支桿距輪轂面有2mm間距。計(jì)算域進(jìn)口至導(dǎo)葉距離為2.5倍導(dǎo)葉高度（記為h），為消除計(jì)算中的回流影響，出口延長至距轉(zhuǎn)子后緣5b位置。本文采用Numeca AG5對渦輪葉片區(qū)域生成O4H型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用Icem對探針計(jì)算域劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，探針尾流方向沿出氣角方向加密，其中第一層邊界層網(wǎng)格高度為2e-6m，保證流場y+均值<2，以滿足湍流模型的使用條件。單通道網(wǎng)格（不含探針）數(shù)量約100萬，多通道網(wǎng)格（含探針）數(shù)量為600萬。

1.1 邊界條件

數(shù)值計(jì)算方面分別采用了ANSYS CFX定常及非定常變比熱模塊，采用SST Kω湍流模型，周期性邊界，絕熱無滑移壁面，導(dǎo)熱系數(shù)采用溫度相關(guān)函數(shù)，采用Sutherland方法計(jì)算粘性系數(shù)。渦輪進(jìn)口總壓為1324491Pa，總溫1633k，出口靜壓270kPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速13232Rpm。

1.2 無關(guān)性驗(yàn)證

采用定常單通道無探針的計(jì)算條件，對普惠E3單級高壓渦輪進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，以消除網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響。圖3為網(wǎng)格量73萬、100萬和120萬網(wǎng)格量的徑向分布渦輪落壓比對比，可見73萬網(wǎng)格與后兩者有誤差，因此在保證精度的條件下，本文采用的100w單通道渦輪計(jì)算域網(wǎng)格比較合適。

2 ?計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 流場計(jì)算分析

圖4為渦輪導(dǎo)葉中截面靜壓計(jì)算值與E3渦輪試驗(yàn)值對比，其壓力面計(jì)算結(jié)果符合程度好，而導(dǎo)葉吸力面受多種激波影響，在吸力面中徑至近尾緣處符合程度較差。

表1為有無探針情況下的數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)值的對比，可見無探針計(jì)算條件下，等熵效率、落壓比等流場參數(shù)均與試驗(yàn)值相差不大，可見數(shù)值計(jì)算的精度很好。而在渦輪出口測試截面加入了探針后，等熵效率降低了0.15%，流量降低了0.6%，其余參數(shù)影響程度較低?？梢娫跍u輪出口的探針對上游的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子的氣動影響較小，而對總的性能參數(shù)如效率和流量有著一定的影響，若試驗(yàn)時不修正探針的影響，將導(dǎo)致渦輪試驗(yàn)的精度降低。

表1已經(jīng)顯示侵入式探針對渦輪總體性能的影響，因此下面詳細(xì)對比下流場參數(shù)的變化位置和影響情況。對于渦輪氣動性能來說，總壓、氣流角等氣動參數(shù)及它們的分布起到關(guān)鍵作用。對于整個轉(zhuǎn)子葉片來講，流場參數(shù)的周向分布并不均勻，相鄰葉片間的荷載和氣動參數(shù)均有差異，因此采用多通道和非定常計(jì)算方法能更準(zhǔn)確的捕捉實(shí)際渦輪葉片的真實(shí)流動情況。

圖5為渦輪導(dǎo)葉中徑葉高的絕對馬赫數(shù)分布對比云圖?？梢娞结樕嫌蔚慕^對馬赫數(shù)分布沒有大的變化，而探針下游區(qū)域有明顯的低馬赫數(shù)區(qū)域，受雷洛數(shù)影響，5mm探針支桿尾跡脫渦程度較輕，但低數(shù)脫渦區(qū)影響了軸向4倍直徑以上的區(qū)域，尾跡有一定程度地?cái)U(kuò)散。

圖6為渦輪導(dǎo)葉中徑葉高的靜熵分布對比云圖，由于整個數(shù)值計(jì)算過程為絕熱流動，渦輪進(jìn)口截面至導(dǎo)葉區(qū)域不做功，因此該區(qū)域靜熵?zé)o變化。而導(dǎo)葉吸力面、尾跡及轉(zhuǎn)子固壁、尾跡區(qū)域受膨脹波、正激波、尾緣脫渦激波、燕尾波及剪切層等波系影響，其熵增很大，即總壓損失增加。明顯可見，探針的加入，尾跡與主流摻混，導(dǎo)致探針尾流區(qū)域熵增，產(chǎn)生了較大的損失。圖7為渦輪導(dǎo)葉中徑葉高的絕對出口氣流角分布對比云圖。探針的存在使得氣流角周向分布不一致，探針的脫渦改變了原本的氣流方向角。

圖8為測試截面絕對氣流角沿徑向分布曲線圖，對比了有無探針情況下在測試截面位置（0.5b）處的沿徑向平均分布的絕對氣流角曲線。可見探針的加入使得原本的氣流角整體減小了2-5°，在探針根部位置，受探針尖部間隙及繞流的影響，氣流角偏轉(zhuǎn)程度最大。倘若氣流角偏轉(zhuǎn)值超過了下游低壓渦輪的不敏感攻角，將對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生影響。

圖9和圖10為測試截面絕對總壓和等熵效率沿徑向分布曲線圖，探針支桿的存在使渦輪流場的總壓減少，及流場可利用能量的損耗，在0.05-0.95葉高的范圍內(nèi)，總壓損失較大。同樣的，探針支桿的存在使，在探針截面位置的等熵效率同樣減少，在0.2-0.4和0.65-0.95葉高范圍內(nèi)的等熵效率均有所損失。

2.2 流熱固耦合分析

為了研究探針在測試截面位置的實(shí)際受力變形程度，其靜強(qiáng)度和動強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)，由于渦扇發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中不會有大的結(jié)構(gòu)形變，因此采用單向流熱固耦合模擬。同時采用探針支桿和帶6個等環(huán)分布延伸測孔的探針進(jìn)行模態(tài)分析，校驗(yàn)安全裕度。

為方便研究，渦輪導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)子均不考慮冷卻裝置。圖11是導(dǎo)葉葉片及轉(zhuǎn)子葉片在氣流沖擊和對流換熱情況下的總應(yīng)變云圖，其中最大應(yīng)變發(fā)生在導(dǎo)葉尾緣中徑位置，約有1.3mm的形變，可得其撓度系數(shù)=2.2%<4%，而圖12是兩種探針的應(yīng)變云圖，可見有實(shí)際的延伸測點(diǎn)對于探針總的變形影響不大，均滿足靜強(qiáng)度的使用要求。

根據(jù)探針實(shí)際裝配狀態(tài)，對探針梳進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)置探針頂部為固定約束?？捎上率叫：颂结樀膭訌?qiáng)度，即

式中：nf為安全裕度，f為激振頻率，fn為自振頻率（n取1，2，3）。

由于探針承受渦輪轉(zhuǎn)子的出口氣流沖擊，因此激振頻率可等效為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率為220.533Hz。而經(jīng)計(jì)算探針前三階自振頻率分別為938.11、939.21、5729.8Hz，顯而易見探針安全裕度均大于15%的要求，滿足使用的條件。

3 ?結(jié)論

①在轉(zhuǎn)子出口測試截面的探針不會影響上游的導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)子氣動參數(shù)，但會使渦輪總體的等熵效率減小，流量減小。②探針的存在使流場總壓損失增加，絕對出口氣流角偏轉(zhuǎn)2-5°。探針產(chǎn)生低馬赫數(shù)尾跡區(qū)域，探針尾跡脫渦與主流混合有摻混損失，且使得轉(zhuǎn)子出口流場參數(shù)周向分布不均勻。③在氣流沖擊和高溫環(huán)境下，導(dǎo)葉在尾緣中徑位置產(chǎn)生最大應(yīng)變，探針的動靜強(qiáng)度均符合一般要求，無共振隱患。

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