探針對(duì)渦輪流場(chǎng)的影響分析

吳佳玉，曾 軍，張維濤，郭昊雁，雷 鳴

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500；2.北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京 100074)

1 引言

渦輪性能的提高基于人們對(duì)渦輪內(nèi)部復(fù)雜的三維、非定常、黏性流動(dòng)認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深，而這方面的研究又主要依靠CFD 技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)。在渦輪性能試驗(yàn)中，為了獲取性能和熱力參數(shù)，往往需要應(yīng)用各種測(cè)試手段，借助總溫探針、總壓探針、方向探針等深入研究渦輪內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理[1-2]，而探針的介入勢(shì)必對(duì)渦輪流場(chǎng)造成影響——探針的數(shù)量、位置、尺寸、形狀等均會(huì)影響流場(chǎng)參數(shù)分布。因此，研究探針對(duì)渦輪流場(chǎng)的影響，是渦輪流場(chǎng)分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)十分重要的工作，對(duì)指導(dǎo)和優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試布局，及更加全面、細(xì)致、充分地利用和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有重要意義。

為了研究探針對(duì)流場(chǎng)的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一些數(shù)值和試驗(yàn)研究。如Albertson 等[3]對(duì)比研究了兩種類(lèi)型總溫探針滯止罩對(duì)高溫超聲速風(fēng)洞邊界層測(cè)量的影響。Zeisberger[4]使用數(shù)值模擬方法研究了傳熱對(duì)總溫探針測(cè)量的影響，并對(duì)探針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使得測(cè)量誤差從0.7%減小到0.4%。Pfau 等[5]發(fā)展了一種用于非定常、全三維流場(chǎng)測(cè)量的4 傳感器快速響應(yīng)氣動(dòng)探針，該探針測(cè)量的偏轉(zhuǎn)角精度在0.35°內(nèi)。高杰等[6]采用數(shù)值模擬方法，研究了尾緣修型參數(shù)對(duì)探針支桿尾跡損失的影響規(guī)律。向宏輝等[7]通過(guò)總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了葉型探針對(duì)軸流壓氣機(jī)性能試驗(yàn)的影響，發(fā)現(xiàn)葉型探針對(duì)軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)與非設(shè)計(jì)狀態(tài)性能均會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響；堵塞比越大，級(jí)靜壓比下降越多；葉型探針導(dǎo)致壓氣機(jī)失速點(diǎn)流量增加，穩(wěn)定裕度降低。馬宏偉等[8]利用定常及非定常數(shù)值模擬方法，分析了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上游50%弦長(zhǎng)處安裝探針支桿對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子性能及流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)支桿的存在會(huì)使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)點(diǎn)靜壓升下降1.09%、損失增大8%。林其勛等[9]研究了幾種壓力探針的臨壁效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)臨壁效應(yīng)所造成的測(cè)量誤差與探針的形狀有關(guān)。從以上研究可以看出，探針對(duì)流場(chǎng)存在明顯影響。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)探針影響的研究主要集中在探針自身的發(fā)展和對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的影響方面，對(duì)探針影響渦輪流場(chǎng)的研究相對(duì)較少。本文開(kāi)展了出口探針對(duì)渦輪流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬和試驗(yàn)，得到了探針對(duì)渦輪出口壁面靜壓、出口氣流角、效率等流場(chǎng)和性能參數(shù)影響的變化規(guī)律，為渦輪級(jí)性能試驗(yàn)中探針的布置、改進(jìn)和完善提供了方向。

2 研究對(duì)象及數(shù)值方法

2.1 研究對(duì)象

以某型低壓渦輪級(jí)性能試驗(yàn)件(圖1)為研究對(duì)象。低壓渦輪導(dǎo)葉、動(dòng)葉葉片數(shù)依次為16 和49。渦輪出口固定探針共有13 支，出口內(nèi)、外壁靜壓測(cè)點(diǎn)共有32 個(gè)。其中，出口1 截面分別周向平均布置2 支總溫探針和3 支三孔方向探針，內(nèi)、外壁各布置8 處?kù)o壓測(cè)點(diǎn)；出口2 截面根據(jù)低壓渦輪導(dǎo)葉柵距均勻布置8 支總壓探針，內(nèi)、外壁各布置8處?kù)o壓測(cè)點(diǎn)。探針示意圖如圖2 所示，圖中βout為探針與額向的夾角。根據(jù)探針真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)建模，方向探針為圓柱形結(jié)構(gòu)，而總溫探針為圓柱+測(cè)頭形結(jié)構(gòu)。由于文中主要研究渦輪出口探針對(duì)性能的影響，不研究探針測(cè)頭滯止罩內(nèi)部流動(dòng)細(xì)節(jié)，因此建模時(shí)對(duì)探針測(cè)頭滯止罩進(jìn)行了局部簡(jiǎn)化。

圖1 低壓渦輪級(jí)性能試驗(yàn)件示意圖Fig.1 Schematic diagram of a low-pressure turbine stage performance test piece

圖2 渦輪出口探針模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of turbine outlet probe model

2.2 數(shù)值方法

渦輪葉片流體域網(wǎng)格采用ANSYS CFXTurboGrid 模塊劃分，網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 459 608，網(wǎng)格總單元數(shù)為2 377 000。葉片表面網(wǎng)格Y+＜5.0，滿足壁面函數(shù)要求。探針流體域網(wǎng)格采用ANSYS Workbench Mesh 劃分，網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 644 530，網(wǎng)格總單元數(shù)約為21 994 583。圖3示出了渦輪葉片、探針及輪轂表面計(jì)算網(wǎng)格。

圖3 葉片、探針及輪轂表面計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Computational grid of blade,probe and hub surface

計(jì)算模型見(jiàn)圖4，由單通道的渦輪葉片和全環(huán)探針模型組成。采用流體計(jì)算軟件ANSYS CFX 開(kāi)展數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬中采用帶雙方程轉(zhuǎn)捩模型的SST 湍流模型——該轉(zhuǎn)捩模型可較為準(zhǔn)確地模擬由激波、分離等引起的轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。采用已在多個(gè)渦輪部件三維數(shù)值模擬中得到很好驗(yàn)證的源項(xiàng)模擬技術(shù)[10-12]，來(lái)模擬葉片表面、盤(pán)前封嚴(yán)等位置冷氣的影響。數(shù)值模擬考慮了工質(zhì)變物性影響，求解器采用高分辨率差分格式，計(jì)算收斂精度設(shè)置為最大殘差不大于10-5。

圖4 計(jì)算模型Fig.4 Computational model

數(shù)值模擬邊界條件包括進(jìn)口邊界、出口邊界、壁面邊界、周期性邊界、交界面。進(jìn)口邊界給定總壓、總溫的平均分布，出口給定平均靜壓。渦輪進(jìn)口湍流度設(shè)置為5%。葉片表面和上、下流道為無(wú)滑移絕熱壁面，周期性邊界強(qiáng)迫對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的所有物理量相等，轉(zhuǎn)靜交界面及渦輪與探針交界面采用混合平面法。

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)在中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院渦輪綜合試驗(yàn)器(圖5)上開(kāi)展。試驗(yàn)過(guò)程中，來(lái)自氣源站的壓縮空氣進(jìn)入渦輪性能試驗(yàn)件膨脹做功，冷氣以分流方式引入試驗(yàn)件各冷氣腔內(nèi)。渦輪出口氣流經(jīng)冷卻后直接排入大氣或由抽氣機(jī)抽走[13]。渦輪進(jìn)口流量由流量噴嘴測(cè)得，冷氣流量由節(jié)流孔板裝置測(cè)得，渦輪功率由水力測(cè)功器測(cè)得，總壓、總溫等氣動(dòng)參數(shù)由探針測(cè)得。渦輪的運(yùn)轉(zhuǎn)是在?；暮娇赵O(shè)計(jì)狀態(tài)條件(包括?；霓D(zhuǎn)速、膨脹比和流通能力等)下進(jìn)行。

圖5 渦輪綜合試驗(yàn)器原理圖Fig.5 Sketch of synthetic turbine test rig

4 結(jié)果與分析

4.1 探針對(duì)壁面靜壓的影響

為研究渦輪出口探針對(duì)渦輪流場(chǎng)的影響，分別開(kāi)展了帶探針模型和不帶探針模型的數(shù)值模擬。探針對(duì)渦輪出口壁面靜壓影響的數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，探針對(duì)渦輪出口內(nèi)壁靜壓的最大影響為2.3%，對(duì)外壁靜壓的最大影響為2.9%。

表1 探針對(duì)渦輪出口壁面靜壓影響的數(shù)值模擬結(jié)果Table 1 Numerical simulation of the influence of probes on static pressure of turbine outlet wall

表2 給出了渦輪出口壁面靜壓數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果(帶探針)對(duì)比?？梢钥闯?，不帶探針的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，出口1 截面內(nèi)、外壁靜壓平均值分別偏大0.8%和1.6%，出口2 截面內(nèi)、外壁靜壓平均值偏大均在3.0%以上。帶探針的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，除出口1 截面外壁靜壓差異較大外，其余位置靜壓差異均在0.8%以內(nèi)，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。出口1 截面外壁靜壓差異較大的原因是，出口1 截面外壁靜壓測(cè)點(diǎn)布置位置較內(nèi)壁靜壓測(cè)點(diǎn)位置靠前，受葉尖泄漏流動(dòng)及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)影響較強(qiáng)。從渦輪出口靜壓對(duì)比看，不帶探針的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，帶探針的數(shù)值模擬結(jié)果除出口1 截面外壁靜壓外，其他位置與試驗(yàn)結(jié)果差異較小，說(shuō)明探針對(duì)渦輪出口靜壓影響較大。

表2 渦輪出口壁面靜壓(數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比)Table 2 Comparison of numerical simulation and test results of static pressure on turbine outlet wall

圖6、圖7 分別給出了渦輪出口1、2 截面內(nèi)壁靜壓和外壁靜壓分布圖(帶探針)。從圖中可以看出，受探針影響，渦輪出口壁面靜壓分布呈現(xiàn)出具有一定波動(dòng)幅值的變化趨勢(shì)，且靜壓分布趨勢(shì)呈現(xiàn)與探針數(shù)量和位置相關(guān)的不同波形的現(xiàn)象。以出口1 內(nèi)壁靜壓(圖6(a))為例，三孔方向探針影響的壁面壓力為對(duì)稱(chēng)波谷，而總溫探針影響的壁面壓力為非對(duì)稱(chēng)波谷，這是由于方向探針為圓柱結(jié)構(gòu)，而總溫探針為圓柱+測(cè)頭結(jié)構(gòu)，且為了使測(cè)頭正對(duì)渦輪出口氣流，整個(gè)探針在流場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行了相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致總溫、總壓探針和流道內(nèi)壁形成的流域較為復(fù)雜，進(jìn)而形成了非對(duì)稱(chēng)波谷。其他位置靜壓分布趨勢(shì)與此類(lèi)似。從以上結(jié)果可以看出，渦輪出口壁面靜壓分布趨勢(shì)與探針數(shù)量、位置息息相關(guān)，探針對(duì)渦輪出口流場(chǎng)有較大影響。

圖6 渦輪出口1 截面壁面靜壓分布Fig.6 Static pressure distribution on wall of turbine outlet section 1

圖7 渦輪出口2 截面壁面靜壓分布Fig.7 Static pressure distribution on wall of turbine outlet section 2

圖8 為受總壓探針影響的渦輪出口壁面壓力云圖，從圖中可以看到受探針影響的近壁面氣流流動(dòng)變化。內(nèi)壁處氣流經(jīng)歷了先減速再加速后減速的過(guò)程，與探針相對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁區(qū)域壓力變化較大。外壁探針前端存在大面積的高壓區(qū)，試驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)避免在固定探針附近壓力波動(dòng)較大的區(qū)域布置靜壓測(cè)點(diǎn)，以免受氣流擾動(dòng)影響測(cè)試精度。

圖8 受總壓探針影響的渦輪出口壁面壓力云圖Fig.8 Nephogram of turbine outlet wall pressure affected by total pressure probe

4.2 探針對(duì)流動(dòng)的影響

圖9 為總壓探針中截面馬赫數(shù)云圖?？梢钥闯觯结樦U前有一個(gè)明顯的滯止區(qū)，氣流從滯止區(qū)分流后逐漸加速，至順氣流方向約40%圓周處達(dá)到聲速，而后減速向下游流動(dòng)，大約在70%圓周處出現(xiàn)分離。探針支桿尾緣存在大面積尾跡區(qū)，尾跡區(qū)內(nèi)有復(fù)雜的回流和摻混，尾跡長(zhǎng)度約為探針支桿直徑的5 倍。為減小探針對(duì)流場(chǎng)的影響，探針設(shè)計(jì)應(yīng)朝小型化方向發(fā)展。

圖9 總壓探針中截面馬赫數(shù)云圖Fig.9 Mach number nephogram of middle section of total pressure probe

圖10 為總壓探針表面壓力云圖?？梢钥吹剑结樃浇鼔毫ψ兓^大，順氣流方向探針表面壓力逐漸增大至測(cè)頭與支桿連接處，而后探針表面壓力逐漸減小。探針支桿上可見(jiàn)明顯的條帶狀低壓區(qū)，低壓區(qū)徑向位置為相鄰2 個(gè)測(cè)頭中間區(qū)域。為改善探針附近壓力分布進(jìn)而減小探針對(duì)流場(chǎng)的影響，探針設(shè)計(jì)應(yīng)朝流線型方向發(fā)展。

圖10 探針表面壓力云圖Fig.10 Pressure nethogram of probe surface

4.3 探針對(duì)渦輪性能參數(shù)的影響

表3 為探針對(duì)渦輪性能參數(shù)影響的數(shù)值模擬分析結(jié)果。可以看出，與不帶探針的數(shù)值模擬結(jié)果相比，考慮探針影響后渦輪效率減小0.9 個(gè)百分點(diǎn)，出口氣流角增大2.0°，出口馬赫數(shù)增大0.01。出口探針對(duì)渦輪效率、出口氣流角影響較大，對(duì)馬赫數(shù)影響較小。

表3 探針對(duì)渦輪性能參數(shù)的影響Table 3 Influence of probe on turbine performance parameters

表4 為渦輪性能參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果(帶探針)的對(duì)比?？梢钥闯?，不帶探針的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，渦輪效率增大0.9 個(gè)百分點(diǎn)，出口氣流角減小1.8°。而帶探針的數(shù)值模擬的渦輪效率、出口氣流角與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。帶探針和不帶探針的數(shù)值模擬的渦輪出口馬赫數(shù)，與試驗(yàn)結(jié)果的差異均處于同一水平。綜上分析可以看出，帶探針的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好，評(píng)估渦輪試驗(yàn)性能需要考慮探針的影響。

4 結(jié)論

采用CFD 方法研究了探針對(duì)渦輪流場(chǎng)的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，主要得到以下結(jié)論：

(1) 探針影響渦輪出口內(nèi)、外壁靜壓最大偏差分別達(dá)2.3%和2.9%，渦輪出口氣流角增大2.0°，渦輪效率減小0.9 個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)渦輪出口馬赫數(shù)影響較小。內(nèi)、外壁面靜壓分布受探針數(shù)量和位置影響，呈現(xiàn)周期性、不同波幅與波形的分布規(guī)律。

(2) 數(shù)值模擬的渦輪出口靜壓及其分布趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，出口氣流角、渦輪效率與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說(shuō)明設(shè)計(jì)試驗(yàn)和分析流場(chǎng)需要考慮探針的影響。

(3) 為減小探針對(duì)流場(chǎng)的影響，應(yīng)開(kāi)展數(shù)值分析，對(duì)探針數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化，且探針設(shè)計(jì)應(yīng)該朝小型化和流線型方向發(fā)展。

致謝：衷心感謝中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院張劍研究員、卿雄杰研究員、李劍白研究員等同事對(duì)本文工作的大力支持。