亞聲速壓氣機(jī)平面葉柵及其改型的吹風(fēng)試驗(yàn)

蔡 明, 高麗敏, 劉 哲, 黎浩學(xué), 陳 順

西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院, 翼型、葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710129

0 引 言

葉柵風(fēng)洞是研制先進(jìn)航空葉輪機(jī)械的基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)，基于矩形試驗(yàn)段開(kāi)展的平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)便于在較寬的工作范圍內(nèi)快速經(jīng)濟(jì)地測(cè)量得到和葉柵性能有關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。20世紀(jì)50年代,NACA研制的一系列軸流壓氣機(jī)離不開(kāi)大量的平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[1-2]。近年來(lái)，迅猛發(fā)展的CFD技術(shù)作為一種有效手段被廣泛應(yīng)用于高性能壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)[3-4]，但是隨著壓氣機(jī)葉型的負(fù)荷不斷增大，可靠的CFD技術(shù)仍需依賴葉柵試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證或修正[5-6]。高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵的設(shè)計(jì)及優(yōu)化[7]、主被動(dòng)流動(dòng)控制方法[8-9]以及新技術(shù)探索[10-12]等關(guān)鍵研究仍然無(wú)法脫離葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)的支撐。

魏巍等[13]通過(guò)吹風(fēng)試驗(yàn)對(duì)比了DCA葉型與CDA葉型的流動(dòng)特征，結(jié)果表明CDA葉型比DCA葉型具有更寬的低損失范圍和來(lái)流不敏感特性。高麗敏、蔡宇桐等[14]通過(guò)吹風(fēng)試驗(yàn)研究了加工誤差對(duì)壓氣機(jī)葉型氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)輪廓度負(fù)公差使葉柵氣動(dòng)性能有所改善，應(yīng)避免葉型輪廓度的正公差。高麗敏、蔡明等[15]通過(guò)吹風(fēng)試驗(yàn)研究了不同葉型的曲率分布和葉型氣動(dòng)性能的關(guān)系。劉寶杰等[16]通過(guò)吹風(fēng)試驗(yàn)驗(yàn)證了前緣曲率連續(xù)設(shè)計(jì)可以有效降低CDA葉型前緣局部繞流的負(fù)面影響。向宏輝等[17]通過(guò)吹風(fēng)試驗(yàn)對(duì)比了單列葉柵和串列葉柵，發(fā)現(xiàn)串列葉柵能夠緩解單列葉柵設(shè)計(jì)狀態(tài)的流動(dòng)堵塞。

本文對(duì)兩套亞聲速壓氣機(jī)葉型進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，測(cè)量獲取改型前后葉柵的氣動(dòng)性能。一套是為了實(shí)現(xiàn)特定性能、依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)葉型；另一套是考慮到結(jié)構(gòu)因素，通過(guò)縮短基準(zhǔn)葉型弦長(zhǎng)改變?nèi)~片固有頻率獲得的葉型(為了保證輪緣功和壓比等性能參數(shù)，其余葉型參數(shù)也有相應(yīng)變化)。

1 平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)

1.1 平面葉柵風(fēng)洞

吹風(fēng)試驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)連續(xù)式高亞聲速平面葉柵風(fēng)洞進(jìn)行。如圖1所示，該風(fēng)洞為典型的開(kāi)口下吹式風(fēng)洞，穩(wěn)壓段內(nèi)設(shè)置了1個(gè)蜂窩器和3層阻尼網(wǎng)以降低氣流湍流度，使氣流均勻、平直地流入收縮段，氣流在收縮段內(nèi)加速至高亞聲速的馬赫數(shù)范圍，氣流湍流度進(jìn)一步降低。矩形截面的試驗(yàn)段尺寸為100 mm×300 mm，無(wú)葉柵風(fēng)洞下均勻區(qū)范圍超過(guò)80%，均勻區(qū)內(nèi)氣流湍流度為1%。通過(guò)調(diào)節(jié)蝶閥控制試驗(yàn)段內(nèi)的馬赫數(shù)；通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)調(diào)節(jié)葉柵來(lái)流攻角，調(diào)節(jié)精度達(dá)0.2°。穩(wěn)壓段內(nèi)氣流總壓探針測(cè)得來(lái)流總壓波動(dòng)小于0.3%，滿足來(lái)流穩(wěn)定度的要求。

圖1 NPU高亞聲速平面葉柵風(fēng)洞Fig.1 The NPU high subsonic linear cascade wind tunnel

1.2 葉型及葉柵試驗(yàn)件

如圖2所示，C01是為某型壓氣機(jī)中間級(jí)靜子葉片50%葉高處設(shè)計(jì)的可控?cái)U(kuò)散葉型型線。考慮到強(qiáng)度方面的要求，在進(jìn)出口氣動(dòng)條件幾乎不變的情況下，將C01葉型的弦長(zhǎng)縮短15%，得到改型后的具有不同固有頻率的C02葉型。兩套葉柵主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖2 基準(zhǔn)葉型C01及改型C02的葉型幾何圖Fig.2 Geometry of the baseline and modified airfoils

表1 葉柵設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of test cascades

通過(guò)對(duì)兩套葉型數(shù)據(jù)進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)，得到能夠適用于試驗(yàn)段尺寸的兩套平面葉柵試驗(yàn)件。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)葉片的展弦比為1.8以保證較好的展向流場(chǎng)二維性，葉片數(shù)設(shè)計(jì)為8以保證被測(cè)葉片處于較好的流動(dòng)周期性，設(shè)計(jì)好的原型C01及其縮短弦長(zhǎng)的改型C02葉柵試驗(yàn)件如圖3所示。 其中2個(gè)葉片作為測(cè)壓葉片用于測(cè)量葉片表面靜壓分布，一個(gè)葉片表面靜壓孔開(kāi)設(shè)在吸力面，兩者構(gòu)成一個(gè)完整的測(cè)壓通道。另一個(gè)開(kāi)設(shè)在壓力面，兩者構(gòu)成一個(gè)完整的測(cè)壓通道。葉片表面靜壓由壓力軟管連接至壓力掃描閥進(jìn)行測(cè)量。選擇滿足進(jìn)口均勻性和出口周期性的葉柵通道放置測(cè)壓葉片，被測(cè)通道柵前和柵后的氣流角和馬赫數(shù)通過(guò)五孔探針進(jìn)行測(cè)量，柵前測(cè)量平面距葉柵前緣額線約0.5倍弦長(zhǎng)，柵后測(cè)量平面距葉柵尾緣額線約1倍弦長(zhǎng)。

圖3 兩套葉柵試驗(yàn)件實(shí)物圖Fig.3 Linear cascade test rig of C01 and C02

1.3 無(wú)葉柵風(fēng)洞來(lái)流品質(zhì)檢測(cè)

如圖4所示，在不帶葉柵試驗(yàn)件時(shí)，采用五孔探針及位移機(jī)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)段矩形截面內(nèi)的速度場(chǎng)和方向場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。圖5為試驗(yàn)段截面不同周向位置的氣流馬赫數(shù)Ma、偏航角α和俯仰角β沿展向的分布。x為葉柵展向坐標(biāo)，H為試驗(yàn)段風(fēng)口展向最大距離。可以看出，在24%～77%的相對(duì)周向范圍內(nèi)，每個(gè)周向位置的來(lái)流馬赫數(shù)和來(lái)流氣流角在20%～80%葉展范圍的均勻性較好，馬赫數(shù)保持在0.50±0.01范圍，展向和周向氣流偏角小于±0.5°。不同周向位置的流場(chǎng)參數(shù)分布的一致性較好，說(shuō)明24%～77%范圍內(nèi)的周向流場(chǎng)基本均勻。由于試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)布置較難實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱，而且五孔探針對(duì)于側(cè)壁附近流場(chǎng)測(cè)量的可靠性較低，因此靠近側(cè)壁附近的流場(chǎng)對(duì)稱性不夠理想?？傮w上看，不帶葉柵試驗(yàn)件條件下，該風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)主流區(qū)范圍寬廣，主流區(qū)的氣流速度場(chǎng)和方向場(chǎng)的均勻性能夠滿足試驗(yàn)要求。

圖4 空風(fēng)洞下試驗(yàn)段流場(chǎng)測(cè)量Fig.4 Measurement of the flow field in the cascade-free wind tunnel

圖5 不同周向位置葉柵來(lái)流參數(shù)沿展向分布 Fig.5 Spanwise distributions of the inflow parameters at different pitchwise positions

1.4 帶試驗(yàn)件流場(chǎng)品質(zhì)檢測(cè)

1.4.1 進(jìn)口流場(chǎng)均勻性

確保葉柵進(jìn)口流場(chǎng)的均勻性對(duì)于保證來(lái)流工況的準(zhǔn)確性以及測(cè)量通道的選取十分重要。由于C02葉柵弦長(zhǎng)較短，葉柵柵板上游空間較大，便于通過(guò)改造柵板實(shí)現(xiàn)柵前多個(gè)通道進(jìn)口氣流參數(shù)的測(cè)量。因此，本文主要測(cè)量了C02葉柵進(jìn)口流場(chǎng)周向分布的均勻性。通過(guò)柵前沿周向等距布置的29個(gè)壁面靜壓孔測(cè)得的壁面靜壓分布均勻性以及穩(wěn)壓段總壓計(jì)算得到進(jìn)口馬赫數(shù)的周向分布。圖6為設(shè)計(jì)馬赫數(shù)0.6時(shí)3個(gè)來(lái)流攻角下(i=-8°, 0°, 4°)葉柵進(jìn)口馬赫數(shù)的周向分布。y為葉柵周向坐標(biāo)，W為試驗(yàn)段風(fēng)口周向最大距離。由圖6可知，由于試驗(yàn)葉柵的葉片數(shù)較多，足以保證P4(由4、5號(hào)葉片構(gòu)成)和P5(由5、 6號(hào)葉片構(gòu)成)2個(gè)葉柵通道的進(jìn)口流場(chǎng)具有較好的均勻性，其進(jìn)口馬赫數(shù)能夠保持在0.6±0.005范圍之內(nèi)。而且，受葉柵上下湍壁的不同影響，周向兩端流場(chǎng)表現(xiàn)出不對(duì)稱，靠近端壁葉柵通道的進(jìn)口馬赫數(shù)降低。隨著攻角增大，葉柵向上游傾斜程度增大，端壁處馬赫數(shù)降低的程度和范圍有所擴(kuò)大，但葉柵中間3個(gè)通道的流場(chǎng)均勻性能夠滿足試驗(yàn)要求。因此，P4和P52個(gè)葉柵通道的進(jìn)口流場(chǎng)均勻性最符合試驗(yàn)要求。其中，P4通道的進(jìn)口流場(chǎng)均勻性和準(zhǔn)確性最好。

圖6 不同攻角下進(jìn)口中葉展馬赫數(shù)沿葉柵周向分布Fig.6 Pitchwise distributions of the inlet Mach number of C01 at midspan under different incidence angles

1.4.2 出口流場(chǎng)周期性

圖7 葉柵出口總壓損失和出氣角分布Fig.7 Pitchwise distributions of the total pressure loss and outlet flow angle

因此，將受邊界干擾較小的5號(hào)葉片作為出口尾跡的測(cè)量葉片，將4、5號(hào)葉片構(gòu)成的P4通道作為葉片表面靜壓分布的測(cè)量通道。

2 葉片表面等熵馬赫數(shù)分析

兩套葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)在進(jìn)口馬赫數(shù)Ma1=0.5、0.6、0.7和0.8工況下進(jìn)行，每個(gè)馬赫數(shù)下測(cè)量了多個(gè)攻角工況以保證獲取完整的損失特性范圍。

圖8為設(shè)計(jì)馬赫數(shù)Ma1=0.6、不同攻角下兩套葉柵表面等熵馬赫數(shù)分布對(duì)比。其中，橫坐標(biāo)為相對(duì)弦長(zhǎng)z/c,z為弦長(zhǎng)方向坐標(biāo)，c為葉片弦長(zhǎng);縱坐標(biāo)為葉片表面等熵馬赫數(shù)Mais。整體來(lái)看，隨著攻角增加，峰值馬赫數(shù)向前緣移動(dòng)，兩套葉柵的葉片負(fù)荷逐漸減小。較大正攻角(i=6°)下，由于打孔位置的限制，已無(wú)法捕捉吸力面的峰值馬赫數(shù)位置，但馬赫數(shù)圖表明，峰值馬赫數(shù)點(diǎn)位于10%弦長(zhǎng)內(nèi)，擴(kuò)壓通道變長(zhǎng)，在持續(xù)的逆壓梯度作用下，附面層持續(xù)累積，在40%弦長(zhǎng)后，兩套葉柵的速度擴(kuò)散明顯變緩，尾部負(fù)荷下降。

圖8 不同攻角下葉柵表面等熵馬赫數(shù)分布對(duì)比(Ma1=0.6)Fig.8 Isentropic Mach number distributions under different incidence angles (Ma1=0.6)

對(duì)比兩套葉柵能看出，由于C02葉柵弦長(zhǎng)縮短，型線曲率變化更大，氣流在大曲率處加速更劇烈，其負(fù)載更大，峰值馬赫數(shù)更高。6°攻角下， C02葉柵吸力面氣流速度擴(kuò)散明顯比C01葉柵更緩，說(shuō)明C02葉柵的附面層累積作用更強(qiáng)，所承受的逆壓梯度更大。同時(shí)，從不同攻角的馬赫數(shù)圖中能夠看出，氣流在兩套葉柵近尾緣處壓力面一側(cè)始終有加速的趨勢(shì)，氣流在此處產(chǎn)生“堵塞”，已經(jīng)失去了擴(kuò)壓性，但整體上看，C02葉柵“堵塞”效應(yīng)更強(qiáng)。

圖9為0°攻角、進(jìn)口馬赫數(shù)0.8工況下兩套葉柵的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布。由圖9可知，兩套葉柵的峰值馬赫數(shù)均達(dá)到超聲速，峰值點(diǎn)后等熵馬赫數(shù)下降趨勢(shì)陡峭，逆壓梯度較大，在大約45%弦長(zhǎng)之后等熵馬赫數(shù)變化減緩。C02葉柵的減速擴(kuò)壓程度比C01葉柵更小，其壓力面尾緣的“堵塞”現(xiàn)象更嚴(yán)重，C01葉柵也在尾緣出現(xiàn)了馬赫數(shù)升高的現(xiàn)象，這是因?yàn)檫_(dá)到臨界馬赫數(shù)0.8之后，由于C02葉型弦長(zhǎng)比C01葉柵更短，為了實(shí)現(xiàn)幾乎一致的氣流偏轉(zhuǎn)，氣流需要在更小的葉片長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)減速擴(kuò)壓，因此吸力面發(fā)生了更大的激波-附面層分離損失。

圖9 兩套葉柵表面等熵馬赫數(shù)分布對(duì)比(Ma1=0.8、i=0°)Fig.9 Comparison of the Isentropic Mach number distributions between the baseline and modified airfoils under the design condition (Ma1=0.8,i=0°)

3 攻角特性分析

圖10和11分別為C01和C02兩套葉柵在不同馬赫數(shù)下的攻角特性。兩套葉柵的最低總壓損失系數(shù)均接近0.025，一般將低于2倍的最低總壓損失值即0.05作為低總壓損失區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)攻角特性分布較為平緩。當(dāng)葉柵進(jìn)口馬赫數(shù)不超過(guò)設(shè)計(jì)值0.6時(shí)，C01葉柵的低總壓損失區(qū)域基本處于-11°～2°攻角范圍，C02葉柵的低總壓損失區(qū)域基本處于-10°～0°攻角范圍;設(shè)計(jì)馬赫數(shù)下，弦長(zhǎng)縮短的C02葉柵比C01葉柵的低總壓損失攻角范圍減小了約3°。兩套葉柵的低總壓損失范圍主要覆蓋負(fù)攻角區(qū)域，均表現(xiàn)出較好的負(fù)攻角特性，而正攻角特性相對(duì)較差。

圖10 不同馬赫數(shù)下C01葉柵攻角特性Fig.10 Loss characteristics of C01 at different inlet Mach numbers

當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)達(dá)到0.7時(shí)，兩套葉柵在負(fù)攻角范圍內(nèi)的總壓損失明顯增大，C01葉柵的低總壓損失范圍縮小至-8°～2°攻角范圍，C02葉柵的低總壓損失范圍縮小至-8°～0°攻角范圍。當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)達(dá)到0.8時(shí)，兩套葉柵的攻角特性曲線明顯抬升，此時(shí)已達(dá)到或者超過(guò)葉型臨界馬赫數(shù)，激波-附面層干涉作用顯著，因此葉柵總壓損失急劇增大，兩套葉柵的低損失區(qū)域驟減至-4°～0°攻角范圍。

圖11 不同馬赫數(shù)下C02葉柵攻角特性Fig.11 Loss characteristics of C02 at different inlet Mach numbers

圖12為進(jìn)口馬赫數(shù)Ma1=0.6和0.8時(shí)兩套葉柵攻角特性對(duì)比。設(shè)計(jì)馬赫數(shù)0.6時(shí)，兩套葉柵在-8°～2° 攻角范圍的攻角特性分布基本重合，其余攻角范圍內(nèi)，C02葉柵的總壓損失整體比C01葉柵稍大。這是因?yàn)楦男秃蟮腃02葉型的彎角有所增大，稠度有所減小，其擴(kuò)散因子稍高于C01葉型，而且C02葉型的尾緣較C01葉型更厚，以上這些特點(diǎn)共同導(dǎo)致邊界工況附近C02葉型的損失相對(duì)更大。當(dāng)達(dá)到臨界進(jìn)口馬赫數(shù)0.8時(shí)，C02葉柵的攻角特性曲線比C01葉柵明顯抬升約0.04，低總壓損失對(duì)應(yīng)的攻角范圍比C01葉柵更小。

圖12 兩套葉柵的攻角特性Fig.12 Comparison of the loss characteristics between the baseline and modified airfoils

4 葉片尾跡流動(dòng)特性

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)葉片的馬赫數(shù)特性，圖13給出了兩套葉柵在設(shè)計(jì)攻角(i=0°)、不同進(jìn)口馬赫數(shù)下出口總壓恢復(fù)系數(shù)σ(σ=pt2/pt1)分布。對(duì)比可知，相同進(jìn)口馬赫數(shù)下，C02葉柵的σ比C01葉柵更低，C02葉柵的尾跡比C01葉柵更寬。隨著葉柵進(jìn)口馬赫數(shù)從0.4增至0.7，兩套葉柵的σ最小值不斷減小，即尾跡深度增大，但是尾跡寬度基本不變。當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)達(dá)到0.8時(shí)，兩套葉柵出口尾跡的低總壓恢復(fù)系數(shù)區(qū)域向吸力面發(fā)生明顯延伸，主流區(qū)域范圍減小，尾跡的深度和寬度均明顯增強(qiáng)，表明此時(shí)葉柵經(jīng)歷了臨界馬赫數(shù)工況，總壓損失急劇增大。

圖13 不同馬赫數(shù)下葉柵的總壓恢復(fù)系數(shù)分布(i=0°)Fig.13 Distribution of the total pressure recovery coefficient of the cascade at different inlet Mach numbers(i=0°)

5 結(jié) 論

對(duì)原葉型C01和弦長(zhǎng)縮短葉型C02開(kāi)展了平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)比分析了改型前后葉柵的氣動(dòng)性能，得到如下結(jié)論：

1) 相比于C01葉型，弦長(zhǎng)縮短的C02葉型吸力面型線曲率變化增大，峰值馬赫數(shù)更高，負(fù)載更大。峰值馬赫數(shù)后的氣流逆壓梯度更大，壓力側(cè)靠近尾緣的“堵塞”現(xiàn)象也更加明顯。

2) 設(shè)計(jì)馬赫數(shù)0.6時(shí)，兩套葉柵在-8°～2° 攻角范圍內(nèi)總壓損失特性基本不變，其余攻角下弦長(zhǎng)縮短的C02葉柵的總壓損失高于C01葉柵，C02葉柵的低損失攻角范圍比C01葉柵減小了約3°。改型前后兩套葉柵均表現(xiàn)出較好的負(fù)攻角特性。

3) 相同進(jìn)口馬赫數(shù)下，C02葉柵的出口尾跡寬度和深度均高于C01葉柵；進(jìn)口馬赫數(shù)從0.4增至0.7時(shí)，兩套葉柵出口尾跡的深度逐漸增大，但尾跡寬度基本不變；達(dá)到或者超過(guò)臨界馬赫數(shù)0.8之后，兩套葉柵的尾跡寬度和深度顯著增大，此時(shí)激波-附面層損失占據(jù)主導(dǎo)作用。