張?zhí)忑? 陳 強, 趙 展, 蔣首民,2*, 丁 健, 張 凱

(1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所 葉輪機試驗研究室,遼寧 沈陽 110015;2.西安交通大學 能源與動力工程學院,陜西 西安 710049)

低壓渦輪減重是提升軍用發(fā)動機推重比、民用發(fā)動機經(jīng)濟性的有效途徑之一。隨著低壓渦輪葉片(級)數(shù)減少,現(xiàn)代先進渦輪設(shè)計中為提高推重比,普遍采用高負荷葉片設(shè)計方法,渦輪流道及葉片表面邊界層極易出現(xiàn)氣流的分離與轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象,由此引發(fā)的復雜的二次流動結(jié)構(gòu),使氣動損失顯著增加,成為了高負荷渦輪效率下降的主要原因[1]。尤其是在高空巡航狀態(tài)下,低壓渦輪雷諾數(shù)處于最低水平,當飛行高度達到20 000 m時,渦輪的工作雷諾數(shù)可降至25 000,遠低于自模化雷諾數(shù)[2]。隨著低壓渦輪葉片負荷的增加,吸力面喉道后逆壓力梯度隨之增強。在低雷諾數(shù)下,葉片表面大部分區(qū)域邊界層為層流狀態(tài),抵抗分離能力變?nèi)?吸力面靠尾緣處的氣流極易分離,較強的逆壓力梯度會導致層流出現(xiàn)開式分離,導致渦輪效率急劇下降,大幅削弱航空發(fā)動機的整體性能。故雷諾數(shù)是影響高負荷低壓渦輪效率的主要因素之一[3]。同樣地,小型燃機的低速渦輪進口雷諾數(shù)也可低至25 000,遠低于大型燃機低速渦輪進口雷諾數(shù)[4]。低雷諾數(shù)條件使低速渦輪偏離設(shè)計點工作,性能急劇下降。因此,研究低雷諾數(shù)下渦輪中的流動特征,以及在低雷諾數(shù)影響下如何保持渦輪的高性能是現(xiàn)代高負荷低壓、低速渦輪發(fā)展的重要方向。

近年來低雷諾數(shù)對渦輪性能的影響已經(jīng)得到廣泛研究[5-10],Weinberg和Lake等[11-12]研究發(fā)現(xiàn),發(fā)動機在高空巡航時渦輪效率降低6%。李維等[13]采用數(shù)值方法研究了雷諾數(shù)對渦輪部件性能的影響,結(jié)果表明效率隨雷諾數(shù)的降低而降低,葉表層流狀態(tài)導致葉型損失和二次流損失增大。李文等[14]通過數(shù)值研究也發(fā)現(xiàn)隨著雷諾數(shù)降低,附面層分離是造成渦輪效率降低的主要原因。喬渭陽等[15]通過開展葉柵試驗研究表明雷諾數(shù)小于42 000時,葉柵損失顯著增大。Schobeiri等[16]研究了不同雷諾數(shù)下低速渦輪葉柵的邊界層發(fā)展過程,表明葉表吸力面分離區(qū)隨著湍流度和雷諾數(shù)增大而減小。Maclsaac等[17]研究了某低速渦輪葉柵下游二次流損失機理,指出準確計算葉柵損失的關(guān)鍵是對湍流脈動進行模擬。Gomes等[18]采用數(shù)值及試驗方法研究了低速渦輪葉表邊界層分離及轉(zhuǎn)捩過程,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬難以準確捕捉轉(zhuǎn)捩的初始擾動。隨著認識的提高,低雷諾數(shù)條件已成為現(xiàn)代渦輪氣動設(shè)計重點考慮的因素[19-21]。

從公開發(fā)表的文獻來看,雷諾數(shù)對渦輪部件性能影響的研究多通過數(shù)值仿真的方式開展,而在渦輪部件上開展雷諾數(shù)影響試驗研究的很少。本文針對雙級單轉(zhuǎn)子渦輪部件,通過在渦輪部件試驗器上開展變雷諾數(shù)影響的試驗研究,得到了渦輪氣動性能隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律,并初步探討了雷諾數(shù)對各測量截面流場的影響規(guī)律。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

在沈陽發(fā)動機研究所渦輪部件試驗器上進行試驗,原理如圖1所示,該試驗器由測功器、扭矩測量儀、進排氣系統(tǒng)、進氣蝸殼、試驗件、滑油系統(tǒng)、冷氣系統(tǒng)和引射系統(tǒng)等組成。進氣工質(zhì)為熱空氣,由空壓機組提供連續(xù)氣源,排氣時可直排大氣或由引射器抽吸提供出口負壓環(huán)境。本文試驗為進口節(jié)流與出口引射配合調(diào)節(jié),為渦輪部件營造負壓環(huán)境。

圖1 渦輪試驗器原理圖

1.2 試驗件

試驗件為雙級高負荷低速渦輪試驗件,該試驗件主要由整流段、進氣段、試驗段、試驗后測量段、排氣段、一級盤組件、二級盤組件、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等零部件組成。渦輪高、低雷諾數(shù)設(shè)計點參數(shù)如表1所示。

表1 渦輪設(shè)計點主要參數(shù)

1.3 試驗方法

πt=P0t/P2t

(1)

(2)

式中：P0t、P2t分別為渦輪進、出口總壓;n為物理轉(zhuǎn)速;T0t為渦輪進口總溫。

表2 各工況參數(shù)及測試截面雷諾數(shù)(×104)

1.4 測試布置

測試布局如圖2所示,分別在渦輪進口(截面0)、一級動葉出口(截面1)、二級導葉出口(截面1′)和渦輪出口(截面2)測量總壓、總溫和內(nèi)外壁面靜壓;并在截面2測量出口氣流角;在截面1′利用位移機構(gòu)帶動五孔探針進行扇面掃場測量,獲得總靜壓、氣流角等參數(shù)。測試系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。

表3 試驗測量參數(shù)和精度

所用五孔探針為錐形頭部探針,結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 五孔探針結(jié)構(gòu)

探針頭部為整體加工,直徑為2 mm,尖端加工45°錐角,開有5個壓力孔,每個壓力孔直徑為0.3 mm。頭部橫向最大尺寸小于探針桿直徑,可從壁面孔插入,更方便用于葉輪機械內(nèi)部流場的測量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 雷諾數(shù)對渦輪總特性的影響

效率η隨出口雷諾數(shù)的變化曲線如圖4所示,由于本文涉及雷諾數(shù)均小于自模區(qū)雷諾數(shù)(2×105),故效率隨雷諾數(shù)減小而持續(xù)降低。雷諾數(shù)從1.7×105降低到9.6×104時,效率降低2.8%,做功能力顯著降低。當雷諾數(shù)大于1.1×105時,效率隨雷諾數(shù)減小而降低的趨勢減緩;當雷諾數(shù)進一步降低時,效率下降幅度較為明顯。雷諾數(shù)從1.1×105降低到9.6×104時,效率降低0.8%,說明此時黏性力主導的流場惡化程度顯著加劇。這種現(xiàn)象和國外公開文獻[22]中效率隨雷諾數(shù)變化的試驗結(jié)果一致,拐點均在1×105附近。

圖4 效率隨雷諾數(shù)的變化曲線

2.2 雷諾數(shù)對各截面流場的影響

能量損失系數(shù)ζ定義如下：

(3)

式中：P1t、P1′t分別為一動出口、二導出口總壓;P1′s為二導出口靜壓;k為絕熱指數(shù)。

圖6 不同雷諾數(shù)下節(jié)距平均損失系數(shù)徑向分布

從總體截面平均損失來看,相比于處于較高雷諾數(shù)狀態(tài),處于低雷諾數(shù)狀態(tài)下能量損失系數(shù)增加了71%。

輪周功WU定義如下：

WU=U(C1′u-C2u)

(4)

式中：U為圓周速度;C1′u為一動出口絕對速度的周向分量;C2u為二動出口絕對速度的周向分量。

圖7 不同雷諾數(shù)下二動輪周功徑向變化規(guī)律

圖8為不同雷諾數(shù)下二動進口相對氣流角β1和出口相對氣流角β2的徑向分布,進口為五孔針測量結(jié)果,出口為三孔針測量結(jié)果。由圖8可見,隨著雷諾數(shù)的降低,進口相對氣流角在整個徑向上向負攻角方向偏移,葉尖處偏移量最大,為14.86°,葉根處偏移量為11.5°,平均偏移量6.3°。從出口相對氣流角來看,在低雷諾數(shù)工況下,氣流向遠離吸力面一側(cè)偏移,葉根處偏移量最大,為2.31°,葉尖處偏移量為0.8°,平均偏移量為1.3°。綜合進出口氣流角徑向變化規(guī)律可見,在低雷諾數(shù)工況下的負攻角狀態(tài)導致二動整個徑向上葉型損失增加,這與圖7中輪周功變化規(guī)律基本一致。

圖8 不同雷諾數(shù)下二動進、出口氣流角徑向分布

3 結(jié)束語

本文通過在渦輪部件試驗器上開展低雷諾數(shù)對渦輪性能影響的試驗研究,測量了各截面氣動參數(shù),給出了自模區(qū)外低雷諾數(shù)對渦輪效率等氣動性能的影響規(guī)律,并從渦系發(fā)展等角度分析了雷諾數(shù)對渦輪內(nèi)部流場的影響規(guī)律,可得出以下結(jié)論。

(1) 渦輪氣動性能隨雷諾數(shù)降低而衰減。研究雷諾數(shù)范圍內(nèi),效率降低2.8%。隨著雷諾數(shù)的降低,效率開始降低較為緩慢,當雷諾數(shù)小于1.1×105時,效率下降較為明顯。

(2) 低雷諾數(shù)條件下,二導葉型及二次流損失均明顯增加,相比于雷諾數(shù)為1.7×105的狀態(tài),雷諾數(shù)為1.1×105的狀態(tài)截面平均能量損失系數(shù)增加71%。其渦系結(jié)構(gòu)與高雷諾數(shù)明顯不同,主要表現(xiàn)為：二導上下通道渦、上尾緣渦尺度顯著增大,強度增強,且位置向中徑處和遠離吸力面?zhèn)绕?尾跡寬度明顯增大;渦系及尾跡所引起的高損失區(qū)域幾乎充滿整個柵后通道。

(3) 二動進、出口氣動條件均隨雷諾數(shù)降低而發(fā)生惡化：二動進口氣流向負攻角方向偏移,出口氣流向遠離吸力面偏移,葉型損失增加。相應(yīng)地,二動做功能力損失6.3%,越靠近葉根和葉尖處,輪周功損失率越大,葉根處損失率達10.6%,葉尖處達7.8%。

(4) 隨著雷諾數(shù)降低,渦輪氣動性能和流動狀態(tài)均發(fā)生惡化,因此現(xiàn)代渦輪設(shè)計中不應(yīng)忽視雷諾數(shù)因素。因文中未對葉片表面參數(shù)開展測量,為進一步明晰雷諾數(shù)對葉表附面層的影響機制,后續(xù)應(yīng)開展葉表附面層流動狀態(tài)和葉表速度分布測量等研究。