時(shí)序效應(yīng)對(duì)雙級(jí)渦輪非定常流場(chǎng)和性能的影響*

房興龍 楊偉平

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

時(shí)序效應(yīng)是多級(jí)渦輪環(huán)境中葉片排相互作用進(jìn)而影響到渦輪性能的典型表現(xiàn)之一。近年來，為了提高渦輪效率，許多研究人員對(duì)時(shí)序效應(yīng)開展了大量的研究工作。Jouini[1]對(duì)某雙級(jí)渦輪靜子時(shí)序效應(yīng)和轉(zhuǎn)子時(shí)序效應(yīng)的研究結(jié)果表明，這兩種時(shí)序效應(yīng)對(duì)渦輪效率的影響都呈現(xiàn)出正弦曲線分布。Huber[2]對(duì)某小展弦比雙級(jí)渦輪靜子時(shí)序效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示三維效應(yīng)的重要性，渦輪總效率變化幅值為0.3%，但中徑處效率變化達(dá)到0.8%。Reinm?ller[3]對(duì)某1.5 級(jí)渦輪靜子時(shí)序效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示渦輪效率變化幅值達(dá)到1.0%。Gombert[4]對(duì)某大展弦比三級(jí)渦輪一級(jí)靜子時(shí)序位置變化對(duì)渦輪效率的影響實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，在不同展向位置處渦輪效率變化幅值最大達(dá)到1.5%，但是最佳效率發(fā)生在不同的時(shí)序位置。

在數(shù)值模擬研究方面，Griffin[5]對(duì)某雙級(jí)高壓渦輪中徑處進(jìn)行二維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果正確預(yù)測(cè)到效率的正弦波動(dòng)形式和最佳時(shí)序位置，但效率變化預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差0.3 個(gè)百分點(diǎn)。Dorney[6-7]發(fā)現(xiàn)了靜子時(shí)序效應(yīng)二維和三維數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果之間的差異，其中二維數(shù)值模擬預(yù)測(cè)效率變化幅值達(dá)到2%，而三維數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果只有1%。Dorney[8]的研究工作顯示，當(dāng)一級(jí)靜子尾跡擊中二級(jí)靜子前緣時(shí)對(duì)應(yīng)渦輪效率達(dá)到最高值，而當(dāng)一級(jí)靜子尾跡位于二級(jí)靜子主流通道時(shí)效率達(dá)到最低值。Cizmas[9]的研究工作將這個(gè)結(jié)論擴(kuò)展到了轉(zhuǎn)子時(shí)序效應(yīng)，但對(duì)時(shí)序效應(yīng)影響葉片表面非定常壓力分布的結(jié)果則表現(xiàn)出了完全相反的結(jié)論。李紅麗[10-11]開展了靜葉時(shí)序?qū)Ω邏簻u輪性能影響的數(shù)值研究和軸向間距對(duì)時(shí)序效應(yīng)的影響研究。李昂[12]采用自主開發(fā)的三維計(jì)算軟件對(duì)兩級(jí)高壓渦輪三維時(shí)序效應(yīng)進(jìn)行了研究。

綜上所述，雖然大量的實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬都證實(shí)了多級(jí)渦輪內(nèi)部復(fù)雜三維非定常流動(dòng)對(duì)渦輪性能的影響，但人們對(duì)于造成這種影響背后的流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠。為此，本文采用非定常雷諾平均數(shù)值方法（URANS），研究了時(shí)序效應(yīng)對(duì)雙級(jí)渦輪內(nèi)部三維非定常流場(chǎng)和性能的影響。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

本文選擇GE_E3 雙級(jí)高壓渦輪為研究對(duì)象，該高壓渦輪雙級(jí)的膨脹比分別為2.25和2.11，第一級(jí)和第二級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖間隙分別取1%和0.6%倍葉高。第一級(jí)靜子葉片數(shù)46、第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)76、第二級(jí)靜子葉片數(shù)48、第二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片數(shù)70。

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

為了減少計(jì)算工作量，本文采用區(qū)域縮放（約化）方法對(duì)葉片數(shù)目進(jìn)行了調(diào)整，根據(jù)實(shí)際葉片數(shù)目46，76，48，70 取最大公約數(shù)為25，則各葉片排葉片數(shù)目調(diào)整為50，75，50，75，各葉片排葉片數(shù)目變化分別為+4，-1，+2，+5。最終得到各葉片排葉片數(shù)目成整數(shù)比例2:3:2:3，模擬通道數(shù)目之和為10。根據(jù)上述縮放關(guān)系，對(duì)各排葉片進(jìn)行了幾何縮放處理，圖1給出了經(jīng)過調(diào)整后的雙級(jí)渦輪流場(chǎng)計(jì)算域。本文采用商用軟件CFX進(jìn)行求解，湍流模型選用SST 模型，近壁處的網(wǎng)格尺寸劃分保證Y+值在5以下。

圖1 計(jì)算域示意圖Fig.1 Diagram of computation domain

為了方便分析葉片時(shí)序效應(yīng)，本文采用SSaaRRbb以標(biāo)示靜子與轉(zhuǎn)子相對(duì)時(shí)序位置，其中aa 與bb 分別代表靜子與轉(zhuǎn)子的周向百分比時(shí)序位置，如圖2所示。例如SS00RR00 表示參考時(shí)序位置。SS00RR50 表示靜子時(shí)序位置為參考時(shí)序位置，而轉(zhuǎn)子時(shí)序位置相對(duì)參考時(shí)序位置周向移動(dòng)50%單個(gè)轉(zhuǎn)子在整個(gè)圓周所占據(jù)角度。對(duì)于靜子與轉(zhuǎn)子時(shí)序效應(yīng)分別考慮了4 個(gè)相對(duì)時(shí)序位置，因此，如果進(jìn)行完全數(shù)值分析將包括由4 個(gè)靜子時(shí)序位置和4 個(gè)轉(zhuǎn)子時(shí)序位置所組成的16 種情況。為減輕計(jì)算強(qiáng)度同時(shí)不失合理性，本文分別針對(duì)靜子和轉(zhuǎn)子在參考基準(zhǔn)位置不變情況下7 種相對(duì)時(shí)序位置進(jìn)行了數(shù)值模擬，即SS00RR00、SS00RR25、SS00RR50、SS00RR75、SS25RR00、SS50RR00、SS75RR00。

圖2 靜子與轉(zhuǎn)子時(shí)序位置示意圖Fig.2 Diagram of clocking position of stator and rotor

1.3 邊界條件及求解設(shè)置

本文選定高壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)狀態(tài)為計(jì)算點(diǎn)，其中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為12630r/min，渦輪進(jìn)口邊界給定均勻分布的總溫總壓以及進(jìn)口氣流方向，其中進(jìn)口總溫為1588K，總壓為1258.4kPa。進(jìn)口氣流方向?yàn)檩S向，進(jìn)口湍流度給定10%。渦輪出口邊界條件給定出口截面平均靜壓，在非定常計(jì)算之前首先進(jìn)行定常數(shù)值模擬，計(jì)算過程中不斷調(diào)整背壓值，同時(shí)監(jiān)測(cè)高壓渦輪總膨脹比，最終使高壓渦輪總膨脹比達(dá)到設(shè)計(jì)膨脹比。

計(jì)算中對(duì)流項(xiàng)離散采用二階精度的迎風(fēng)格式，時(shí)間項(xiàng)離散采用二階向后歐拉格式。計(jì)算過程中采用代數(shù)多重網(wǎng)格方法來加速計(jì)算收斂。計(jì)算設(shè)定的物理時(shí)間步長(zhǎng)是通過以下方式確定的：根據(jù)研究對(duì)象靜子與轉(zhuǎn)子葉片數(shù)目之比2:3，完整的描述了一個(gè)非定常流動(dòng)周期的信息需要對(duì)三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片通過周期內(nèi)的流場(chǎng)信息進(jìn)行記錄。以轉(zhuǎn)子葉片通過周期為依據(jù)，將葉片旋轉(zhuǎn)通過一個(gè)轉(zhuǎn)子通道所耗費(fèi)的時(shí)間離散為32 個(gè)時(shí)間步，這樣便確定了物理時(shí)間步長(zhǎng)。為了盡快達(dá)到統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定狀態(tài)，以事先收斂的定常解作為初場(chǎng)啟動(dòng)URANS計(jì)算，推進(jìn)1200步（相應(yīng)約12個(gè)循環(huán)周期）獲得統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定狀態(tài)；然后推進(jìn)400步作統(tǒng)計(jì)平均，最后再推進(jìn)1個(gè)循環(huán)周期，期間輸出瞬態(tài)結(jié)果。

2 靜子時(shí)序效應(yīng)對(duì)渦輪內(nèi)部三維非定常流場(chǎng)的影響

針對(duì)靜子時(shí)序效應(yīng)，本文共對(duì)包括參考位置在內(nèi)的 四個(gè)時(shí) 序 位 置SS00RR00、SS25RR00、SS50RR00、SS75RR00進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算過程中保持一級(jí)靜子葉片位置不變，通過調(diào)整二級(jí)靜子葉片位置完成對(duì)不同時(shí)序位置的調(diào)整。

圖3 給出了不同靜子時(shí)序位置高壓渦輪各級(jí)葉片排中徑處表面壓力波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布情況，以SS標(biāo)示吸力面（Suction Side）變化曲線。

圖3 靜子時(shí)序位置對(duì)各葉片排中徑處葉片表面壓力波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布的影響Fig.3 The influnce of stator clocking position on the distribution of the dimensionless standard deviation of the blade surface pressure fluctuation at the middle diameter of each blade row

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同靜子時(shí)序位置，一級(jí)靜子葉片表面壓力波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布保持不變，這表明靜子時(shí)序效應(yīng)對(duì)渦輪內(nèi)部流場(chǎng)帶來的變化沒有影響上游靜子葉片排流動(dòng)狀態(tài)；一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片壓力面靜壓波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布保持不變，吸力面約60%軸向弦長(zhǎng)位置之前基本保持不變，60%軸向弦長(zhǎng)位置之后發(fā)生明顯變化。尾跡造成的葉片表面壓力波動(dòng)并不會(huì)直接影響到上游葉片，但尾跡帶來的下游葉片進(jìn)口氣流角度的周期性變化將對(duì)下游葉片排勢(shì)場(chǎng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而通過勢(shì)場(chǎng)之間的相互作用間接影響到上游葉片表面壓力波動(dòng)，同時(shí)帶來的出口馬赫數(shù)等氣流參數(shù)的變化也將影響到上游葉片表面壓力分布。二級(jí)靜子與轉(zhuǎn)子葉片表面壓力波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布發(fā)生劇烈變化，其中既包括壓力波動(dòng)峰值位置的改變，也包括壓力波動(dòng)最大幅值的變化。二級(jí)靜子葉片表面壓力波動(dòng)的劇烈變化主要受到時(shí)序效應(yīng)帶來的上游葉片排尾跡與二級(jí)靜子之間相對(duì)位置的變化導(dǎo)致的尾跡與葉片之間相互作用的改變。而二級(jí)靜子出口流動(dòng)條件的改變直接導(dǎo)致了下游二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片流動(dòng)狀態(tài)的變化。

圖4 顯示了對(duì)于不同的靜子時(shí)序位置一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)二級(jí)靜子進(jìn)口截面中徑處周向平均氣流參數(shù)的變化規(guī)律。同樣，各曲線之間的相位差是由于初始時(shí)刻不同所造成的，和靜子時(shí)序位置無關(guān)。

圖4 靜子時(shí)序位置對(duì)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)二級(jí)靜子進(jìn)口中徑處周向平均氣流參數(shù)分布的影響Fig.4 The influence of the stator clocking position on the distribution of the circumferential average airflow parameters at the middle diameter of the second-stage stator inlet in one cycle

由圖4可以看出，雖然二級(jí)靜子進(jìn)口周向平均參數(shù)各曲線變化規(guī)律一致，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)包含三個(gè)波動(dòng)周期分別對(duì)應(yīng)三個(gè)轉(zhuǎn)子通過周期，但波動(dòng)幅值存在較大差別。對(duì)應(yīng)各靜子時(shí)序位置SS00RR00、SS25RR00、SS50RR00、SS75RR00 平均進(jìn)氣角度波動(dòng)幅值分別為4.0，4.4，5.8，4.2度，平均馬赫數(shù)波動(dòng)幅值分別為0.015，0.037，0.023，0.039。對(duì)于具有確定氣動(dòng)設(shè)計(jì)狀態(tài)的二級(jí)靜子葉片，來流條件的變化必然導(dǎo)致葉片氣動(dòng)性能的改變，而來流條件變化幅度的大小也決定了渦輪氣動(dòng)性能波動(dòng)的范圍。

圖5 分別給出了不同靜子時(shí)序位置對(duì)應(yīng)高壓渦輪第一級(jí)和1.5級(jí)（一級(jí)渦輪和二級(jí)靜子）時(shí)均效率沿展向的分布情況。

圖5 不同靜子時(shí)序位置對(duì)應(yīng)時(shí)均效率沿展向分布Fig.5 Distribution of time-averaged efficiencies along the spanwise corresponding to different stator clocking positions

由圖5可以看出，高壓渦輪第一級(jí)時(shí)均效率沿展向分布情況并沒有受到靜子時(shí)序位置的影響，而1.5級(jí)時(shí)均效率沿展向分布情況卻隨著靜子時(shí)序的變化而發(fā)生較大改變。在中徑處各靜子時(shí)序位置SS00RR00，SS25RR00，SS50RR00，SS75RR00 對(duì) 應(yīng) 效 率 分 別 為0.8830，0.8956，0.9008，0.8913，最大差值達(dá)到1.8 個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)果顯示各靜子時(shí)序位置SS00RR00，SS25RR00，SS50RR00，SS75RR00對(duì)應(yīng)1.5級(jí)時(shí)均效率分別為0.8813，0.8815，0.8817，0.8820，相差不到0.1個(gè)百分點(diǎn)。

以上結(jié)果說明，對(duì)于本文采用的研究對(duì)象，靜子時(shí)序位置的改變并沒有給渦輪總體性能帶來顯著變化，但時(shí)均效率沿展向位置的劇烈變化表明不同展向位置渦輪基元級(jí)對(duì)應(yīng)最佳時(shí)序位置有著很大差異。單純改變靜子時(shí)序位置，可能在達(dá)到某個(gè)展向高度基元級(jí)最佳時(shí)序位置的同時(shí)，卻導(dǎo)致別的展向位置反而偏離了最佳時(shí)序位置，最終的效果僅僅是改變了損失沿展向的分布而已，這進(jìn)一步說明了渦輪內(nèi)部三維非定常干涉的重要性。

由于第一級(jí)性能沿展向變化很小，1.5 級(jí)渦輪效率沿展向分布出現(xiàn)的較大波動(dòng)反應(yīng)出二級(jí)靜子通道內(nèi)部流場(chǎng)的變化。與一級(jí)靜子和一級(jí)轉(zhuǎn)子出口截面相比，二級(jí)靜子出口截面尾跡與二次流動(dòng)所占比例進(jìn)一步增加，其中既包含了二級(jí)靜子葉片本身產(chǎn)生的尾跡和通道渦等流動(dòng)結(jié)構(gòu)，也包含了來自上游葉片排的尾跡。圖6所示SS00RR00時(shí)序位置二級(jí)靜子葉片出口截面熵值分布。每個(gè)靜子葉片相應(yīng)尾跡核心部分存在A，B，C，D四個(gè)損失集中區(qū)域，而在核心尾跡之間主流區(qū)域也能看到E，F(xiàn)，G三個(gè)高熵值區(qū)域，這與圖5中的效率分布相對(duì)應(yīng)。

“油輪火災(zāi)爆炸、人員遇險(xiǎn)、原油泄露，海洋環(huán)境遭遇重大威脅，情況萬分危機(jī)！”11月21日，在2018年第六屆中國海洋經(jīng)濟(jì)博覽會(huì)即將召開之際，湛江市海洋污染防控綜合演練在湛江港水域舉行，上演海上防污搜救大片。海巡“31”、海巡“0925”等海博會(huì)明星船舶，以及海事、海警、海監(jiān)、公安邊防、海洋石油、港口消防、中信海直、專業(yè)清污公司等12艘船艇、2架直升機(jī)共200余人參與演練，提前燃爆海博會(huì)。廣東省海上搜救中心常務(wù)副主任、廣東海事局局長(zhǎng)陳畢伍、廣東海事局副局長(zhǎng)黃斯深到場(chǎng)指導(dǎo)。湛江市副市長(zhǎng)龐洪峰擔(dān)任此次演習(xí)總指揮，湛江海上搜救分中心常務(wù)副主任、湛江海事局局長(zhǎng)羊少剛擔(dān)任演習(xí)副總指揮。

圖6 二級(jí)靜子出口截面熵值分布Fig.6 Distribution of entropy at the outlet section of second-stage stator

圖7 給出某瞬時(shí)不同靜子時(shí)序位置二級(jí)靜子葉片中徑截面熵值分布。根據(jù)熵值分布可發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)不同靜子時(shí)序位置，來自上游葉片排的尾跡團(tuán)在通過二級(jí)靜子通道時(shí)與靜子葉片相對(duì)位置不同。在SS00RR00時(shí)序位置，尾跡團(tuán)沖擊到二級(jí)靜子葉片吸力面靠近前緣部分；在SS25RR00時(shí)序位置，尾跡團(tuán)則直接沖擊二級(jí)靜子葉片前緣；在SS50RR00時(shí)序位置，尾跡團(tuán)位于二級(jí)靜子葉片之間的主流通道中靠近壓力面一側(cè)；在SS75RR00時(shí)序位置，尾跡團(tuán)位于二級(jí)靜子葉片之間的主流通道中靠近吸力面一側(cè)。這會(huì)引起不同時(shí)序位置相同展向位置渦輪葉片排流動(dòng)損失有著很大差異。

圖7 不同靜子時(shí)序位置二級(jí)靜子葉中截面熵值分布Fig.7 Distribution of cross-section entropy in secondstage stator at different stator clocking positions

3 轉(zhuǎn)子時(shí)序效應(yīng)對(duì)渦輪內(nèi)部三維非定常流場(chǎng)的影響

對(duì)于轉(zhuǎn)子時(shí)序效應(yīng)的計(jì)算研究結(jié)果表明，其對(duì)渦輪流場(chǎng)和性能的影響與靜子時(shí)序效應(yīng)的結(jié)果類似。

圖8顯示了對(duì)于不同的轉(zhuǎn)子時(shí)序位置，一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)二級(jí)靜子進(jìn)口截面中徑處周向平均氣流參數(shù)的變化規(guī)律。需要指出各曲線之間的相位差，是由于初始時(shí)刻不同所造成的，和轉(zhuǎn)子時(shí)序位置無關(guān)?？梢钥闯?，二級(jí)靜子進(jìn)口截面周向平均參數(shù)各曲線變化規(guī)律一致，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)包含三個(gè)波動(dòng)周期（分別對(duì)應(yīng)三個(gè)轉(zhuǎn)子通過周期）。同時(shí)各曲線波動(dòng)幅值相同，對(duì)應(yīng)各轉(zhuǎn) 子 時(shí) 序 位 置SS00RR00、SS00RR25、SS00RR50、SS00RR75平均進(jìn)氣角度波動(dòng)幅值均為4.4度，平均馬赫數(shù)波動(dòng)幅值0.016。轉(zhuǎn)子時(shí)序位置對(duì)二級(jí)靜子進(jìn)口流動(dòng)沒有造成影響。

圖8 轉(zhuǎn)子時(shí)序位置對(duì)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)二級(jí)靜子進(jìn)口中徑處周向平均氣流參數(shù)分布的影響Fig.8 The influence of the rotor clocking position on the distribution of the circumferential average airflow parameters at the middle diameter of the second-stage stator inlet in one cycle

圖9 給出了不同轉(zhuǎn)子時(shí)序位置高壓渦輪各級(jí)葉片排中徑處表面壓力波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布情況，以SS標(biāo)示吸力面（Suction Side）變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的靜子時(shí)序位置，一級(jí)靜子與轉(zhuǎn)子葉片表面壓力波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布基本保持不變，這表明轉(zhuǎn)子時(shí)序效應(yīng)對(duì)渦輪內(nèi)部流場(chǎng)帶來的變化，沒有影響到上游一級(jí)靜子與轉(zhuǎn)子葉片排流動(dòng)狀態(tài)；二級(jí)靜子葉片壓力面靜壓波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布保持不變，吸力面約60%軸向弦長(zhǎng)位置之前基本保持不變，60%軸向弦長(zhǎng)位置之后發(fā)生明顯變化。吸力面60%軸向弦長(zhǎng)位置為擴(kuò)散區(qū)起始位置，即壓力波動(dòng)發(fā)生明顯改變的區(qū)域?qū)儆谖γ鏀U(kuò)散區(qū)范圍。二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片表面壓力波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布發(fā)生劇烈變化，其中既包括壓力波動(dòng)峰值位置的改變，也包括波動(dòng)最大幅值的變化。

圖9 轉(zhuǎn)子時(shí)序位置對(duì)各葉片排中徑處葉片表面壓力波動(dòng)無量綱標(biāo)準(zhǔn)偏差分布的影響Fig.9 The influnce of rotor clocking position on the distribution of the dimensionless standard deviation of the blade surface pressure fluctuation at the middle diameter of each blade row

圖10給出了對(duì)于不同的轉(zhuǎn)子時(shí)序位置一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)二級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口截面中徑處周向平均氣流參數(shù)的變化規(guī)律。同樣，各曲線之間的相位差是由于初始時(shí)刻不同所造成的，和轉(zhuǎn)子時(shí)序位置無關(guān)。

圖10 轉(zhuǎn)子時(shí)序位置對(duì)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)二級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口中徑處周向平均氣流參數(shù)分布的影響Fig.10 The influence of the rotor clocking position on the distribution of the circumferential average airflow parameters at the middle diameter of the second-stage rotor inlet in one cycle

可以看出，雖然二級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口周向平均參數(shù)各曲線變化規(guī)律一致，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)包含兩個(gè)波動(dòng)周期（分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)靜子通過周期），但波動(dòng)幅值存在較大差別。對(duì)應(yīng)各轉(zhuǎn)子時(shí)序位置SS00RR00、SS00RR25、SS00RR50、SS00RR75 平均進(jìn)氣角度波動(dòng)幅值分別為7.8，3.3，8.7，6.4 度，平均馬赫數(shù)波動(dòng)幅值分別為0.060，0.053，0.045，0.042。對(duì)于具有確定氣動(dòng)設(shè)計(jì)狀態(tài)的二級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，來流條件的變化必然導(dǎo)致葉片氣動(dòng)性能的改變，而來流條件變化幅度的大小也決定了氣動(dòng)性能波動(dòng)的范圍。

圖11 所示為SS00RR00 時(shí)序位置二級(jí)轉(zhuǎn)子出口截面熵值分布情況，可以看出，二級(jí)轉(zhuǎn)子出口截面尾跡主要包括兩部分，一部分對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子葉片壁面和葉尖泄漏生成的尾跡，一部分對(duì)應(yīng)上游葉片排尾跡，轉(zhuǎn)子葉片尾跡寬度很小，其中包含著通道渦和泄漏渦等流動(dòng)結(jié)構(gòu)。和泄漏渦相比，通道渦造成的損失并不顯著；上游葉片排對(duì)應(yīng)尾跡位于主流通道中，由于尾跡片段的不連續(xù)性，在不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子出口截面主流通道中的熵值分布表現(xiàn)出不同的形式。

圖11 二級(jí)轉(zhuǎn)子出口截面熵值分布Fig.11 Distribution of entropy at the outlet section of second-stage rotor

圖12 不同轉(zhuǎn)子時(shí)序位置對(duì)應(yīng)時(shí)均效率沿展向分布Fig.12 Distribution of time-averaged efficiencies along the spanwise corresponding to different rotor clocking positions

4 結(jié)論

本文以GE_E3 雙級(jí)高壓渦輪為研究對(duì)象，采用非定常數(shù)值計(jì)算方法，研究了時(shí)序效應(yīng)對(duì)雙級(jí)渦輪內(nèi)部三維非定常流場(chǎng)和性能的影響，得到了以下主要結(jié)論：

1）一級(jí)轉(zhuǎn)子時(shí)序效應(yīng)不會(huì)引起二級(jí)靜子進(jìn)口流動(dòng)條件發(fā)生改變。時(shí)序效應(yīng)帶來的上游葉片排尾跡與下游靜子（轉(zhuǎn)子）之間相對(duì)位置的變化導(dǎo)致尾跡與葉片之間相互作用改變，從而導(dǎo)致葉片表面壓力波動(dòng)產(chǎn)生顯著變化。

2）不同的靜子時(shí)序位置，1.5級(jí)渦輪時(shí)均效率相差不到0.1%；但改變了損失沿展向的分布，使時(shí)均效率沿展向位置的變化劇烈。

3）不同的轉(zhuǎn)子時(shí)序位置，1.5級(jí)渦輪時(shí)均效率沿展向分布相同，而雙級(jí)時(shí)均總效率沿展向分布隨著轉(zhuǎn)子時(shí)序的變化而有所改變，在中徑處，最大差值為0.4%，效率變化最明顯的位置處于80%展向高度以上接近葉尖的區(qū)域。各轉(zhuǎn)子時(shí)序位置對(duì)應(yīng)兩級(jí)時(shí)均效率沒有發(fā)生改變。

4）對(duì)于多級(jí)渦輪中時(shí)序位置的標(biāo)定要從一二級(jí)靜子時(shí)序效應(yīng)開始，按照一二級(jí)靜子時(shí)序位置、一二級(jí)轉(zhuǎn)子時(shí)序位置、二三級(jí)靜子時(shí)序位置的順序依次進(jìn)行。