圍帶和無圍帶渦輪直葉柵流場結構及氣動性能研究

圍帶和無圍帶渦輪直葉柵流場結構及氣動性能研究

葉頂間距泄漏是氣機和航空發(fā)動機等旋轉機械的固有問題。在葉片效率低下的情況下，間隙泄漏變得越來越重要。為了減少葉片表面的流量泄漏，研究人員提出了許多措施，如尖翼、小翼、不同的葉片形狀、外殼氣體和葉片氣體。為了提高葉片表面的流動和葉片的動態(tài)效率，一些措施已被采用。另一種方法是在葉片頂部安裝圍帶和密封裝置。圍帶不僅可以密封，還可以提高葉片的振動性能。denton指出，當破碎帶的高度超過一定值時，在滿足強度要求的前提下，帶圈的葉片運動性能優(yōu)于無包圍的葉片，并且可以提高葉片的動態(tài)效率。多年來,各國學者圍繞著渦輪動葉圍帶間隙泄漏和控制及氣動摻混損失開展了大量的理論和實驗研究.Yoon等實驗和理論研究了葉頂間隙對一級全圍帶渦輪和無圍帶渦輪氣動性能的影響.研究表明隨著葉頂間隙的減小,50%和24%反動度情況下都存在一個使兩個渦輪效率相等的間隙,此間隙均小于0.5%葉展.當間隙大于該值時,帶圍帶渦輪的效率高于無圍帶渦輪,且隨著間隙增大,差別增大.Gier等對某低壓三級渦輪動葉圍帶頂部的泄漏流動進行了實驗和數(shù)值模擬,深入研究了泄漏流對主流及下級靜葉的影響.研究表明,泄漏流所導致的損失中,50%以上是與主流摻混導致的,間隙內的流動損失約占20%,其余是攻角損失或二次流損失.Porreca等通過實驗研究比較了動葉帶有部分圍帶和全圍帶時兩級軸流渦輪的流場和性能,指出對于低展弦比多級渦輪,圍帶空腔結構的微小變化對主流和下游通道流場產生較大的影響.Giboni等通過實驗研究了1.5級低速軸流渦輪動葉圍帶密封泄漏與主流的混合過程.研究結果表明,泄漏流不僅引起能量損失,而且影響動葉和下游靜葉后二次流的流動,也改變了靜葉入口的氣流攻角.目前國內研究較多的是葉片無圍帶時的葉尖泄漏流動問題,有關帶圍帶的動葉頂部泄漏流動問題的研究相對較少.鄢景等對帶冠動力渦輪葉柵進行了數(shù)值模擬研究,重點分析了葉冠結構對葉片頂部二次流的影響.呂強等數(shù)值研究了一級半渦輪帶圍帶的動葉葉頂泄漏流動,分析了圍帶上部汽封間隙內的流動特性及泄漏流動與主流摻混后對下游靜葉通道流場參數(shù)的影響,同時討論了動葉頂部間隙泄漏流動對渦輪級氣動性能的影響.為了研究圍帶控制葉頂間隙泄漏流動和減少氣動損失的作用效果,本文針對一種高負荷渦輪葉柵,利用低速風洞進行實驗研究.研究結果有助于深入了解圍帶減小間隙泄漏的氣動損失機理,同時能夠為間隙泄漏的主動和被動控制提供依據.1葉片表面靜壓測量本文實驗工作是在大連海事大學船舶動力實驗室大尺度低速矩形風洞中完成的.實驗葉柵由9個相同的直葉片組成(見圖1).本文渦輪葉柵的葉型取自文獻.文獻中使用的渦輪葉片是自行設計的高負荷扭葉片,本文選用該扭葉片葉梢部分的葉型.葉柵的主要幾何參數(shù)匯總于表1.表1中給出的葉片高度是指上、下柵板間的高度.當葉頂間隙大小改變時,葉片的有效葉展相應地要發(fā)生變化.由表1可知葉型轉折角為108.1°,屬于高負荷葉片.葉片型線如圖2所示.出口測量截面位于5,6號葉片出口下游,距葉片尾緣36%Cax(見圖2),測量截面范圍為1.2倍節(jié)距的上半葉展.使用“L”型束狀五孔探針獲得該測量截面上的時均總壓、靜壓及流速的大小和方向.實驗中通過轉角機構改變氣流沖角i,精度為0.1°.在5號葉片的壓力面距葉尖80mm和4mm處分別布置8個直徑為0.6mm的靜壓孔,在6號葉片的吸力面相同展向位置處分別布置14個直徑為0.6mm的靜壓孔.這些靜壓孔用來測量葉片中部與葉頂附近的葉片表面靜壓.葉片表面靜壓孔位置及分布如圖3所示.實驗時通過調整葉片下面支撐板的高度來改變葉頂間隙,實驗臺實物圖如圖4所示.圍帶與上端壁之間的間隙高度分別為0.5%H,1%H和1.5%H三種工況.當間隙高度改變時,流道中的葉展高度也要發(fā)生變化,因此葉片表面測壓孔的相對位置可能要發(fā)生微小變化,但距葉尖的絕對位置不變,即80mm和4mm.葉柵出口直展中部馬赫數(shù)Ma=0.23,所有實驗工況下,均保持基于弦長的出口雷諾數(shù)不變,Re=8.32×105.本文測量誤差主要來源于探針坐標系統(tǒng)精度(0.00625mm)、傳感器誤差(壓力掃描閥誤差為0.05%)及數(shù)據采集板誤差(0.05%).2葉柵出口總壓和平均氣流動壓本文使用總壓損失系數(shù)和表面靜壓系數(shù)等參數(shù)描述葉片的氣動性能.總壓損失系數(shù)和表面靜壓系數(shù)的計算表達式分別為式(1)和式(2)中,分別表示葉柵入口總壓和平均氣流動壓頭;p02表示葉柵出口總壓;p為葉片表面測點靜壓,p2為葉柵出口靜壓.本文定義的沖角為i=β-β1a,其中β為葉柵進口氣流角與軸向的夾角.2.1無圍帶與帶圍帶葉柵的能量損失分布在相對間隙高度為1%H和沖角i=0°時,實驗測得的葉柵出口36%Cax截面流線圖如圖5所示,其中圖5(a)顯示的是葉柵無圍帶情況,圖5(b)顯示的是葉柵帶圍帶情況.在葉尖有間隙無圍帶情況下,由圖5(a)可以看出截面上出現(xiàn)3個渦旋,分別是間隙泄漏渦(TLV)、通道渦(PV)和尾緣渦(TV).間隙泄漏渦與上通道渦具有相反的旋轉方向,在它們互相接觸的地方會出現(xiàn)高的切應力.通道渦和尾緣渦也是相互接觸且旋向相反.在葉頂有圍帶情況下,由圖5(b)可以看出,間隙泄漏渦消失了,通道渦和尾緣渦的渦強較無圍帶情況時減弱了,且渦核位置移向端壁,說明主流流出葉柵后向葉頂方向流動并與圍帶上腔的流體發(fā)生混合.圖6給出了同樣工況下,無圍帶葉柵與帶圍帶葉柵出口36%Cax截面總壓損失系數(shù)分布.由圖6(a)可以看出,無圍帶情況下,距離上端壁約10%葉高范圍內,存在一個由間隙泄漏渦引起的高損失區(qū).此外,由通道渦、尾緣渦及尾跡造成的損失也可以清晰地看出.最大總壓損失發(fā)生在間隙泄漏渦處.這是由于氣體由葉片壓力側通過葉頂間隙流向吸力側的泄漏流體與通道內主流強烈摻混造成的.對于帶圍帶葉柵,由于不存在泄漏渦,截面上的總壓損失系數(shù)遠小于無圍帶工況.能量損失主要發(fā)生在圍帶與上端壁之間的空腔、通道渦和尾緣渦及尾跡區(qū)域,但最大損失發(fā)生在主流與圍帶上腔的流體混合區(qū)域即端壁附近.圖7比較了無圍帶葉柵和帶圍帶葉柵情況下,葉柵出口36%Cax截面上節(jié)距質量平均的總壓損失系數(shù)沿葉高的分布情況.對照圖5和圖6,圖7進一步描述了有、無圍帶工況的能量損失情況.無圍帶情況下,能量損失較大區(qū)域依次為間隙泄漏渦、通道渦和尾緣渦附近;帶圍帶情況下能量損失較大區(qū)域依次為端壁區(qū)域、通道渦和尾緣渦區(qū)域.通道渦渦核上移.除葉展中部區(qū)域外,帶圍帶葉柵的總壓損失系數(shù)顯著小于無圍帶葉柵,特別是在端壁附近.無圍帶葉柵與帶圍帶葉柵在-10°,0°和+10°沖角下節(jié)距質量平均的總壓損失系數(shù)示于圖8.與無圍帶葉柵相比,在-10°,0°和+10°沖角下采用帶圍帶葉柵流動總損失分別下降了35.1%,53.6%和60.4%.由此看出,圍帶對于降低流動損失具有顯著的效果.同時對于本文使用的葉柵,沖角在-10°~+15°范圍內(注:由于受結構限制,實驗只做到+10°,計算表明i=+15°時損失更小,i=+20°時損失開始增大),隨氣流沖角的增大葉柵的總損失減小.2.2間隙高度對葉展結果的影響實驗中圍帶與上端壁之間的間隙高度τ分別選為0.5%H,1%H和1.5%H三種工況.這里選取沖角i=0°工況進行說明.2.1節(jié)中已給出了間隙為1%H的結果,本節(jié)給出其他兩種間隙即0.5%H和1.5%H的實驗結果.圖9顯示的是兩種間隙時葉柵出口36%Cax截面總壓損失系數(shù)分布.比較圖9(a)、圖6(b)和圖9(b)可以看出隨著間隙高度的增大,端壁流動損失區(qū)域和數(shù)值都增大.這是不難理解的.因為葉頂泄漏流體在狹小的間隙中流動,流動損失大,流出葉頂后這部分低能流體與主流流體混合,導致能量損失.間隙越大,泄漏量越大,混合損失就越大,因而能量損失就越大.圖10顯示的是兩種間隙時葉柵出口36%Cax截面上二次流流線圖.比較圖10(a)、圖5(b)和圖10(b)可以發(fā)現(xiàn):隨著間隙高度的增大,大量流體流出空腔以后與上通道渦的摻混作用增強,導致上通道渦耗散速度加快.同時由于端壁附近摻混,使氣體發(fā)生偏轉,二次流動加劇.不同間隙高度時節(jié)距質量平均的總壓損失系數(shù)和氣流偏轉角沿葉高分布分別示于圖11和圖12.通過觀察圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn),當間隙高度不大于1%H時,隨著間隙高度的增大,葉頂區(qū)域的總壓損失系數(shù)略有增加,但變化不大,但是當間隙高度增大到1.5%H時,流動損失迅速增大(見圖11),氣流欠偏現(xiàn)象嚴重(見圖12),其原因是間隙越大,通過圍帶上腔的泄漏流體越多,這樣端壁附近的低速泄漏流體與高速主流體相互摻混而導致的能量和動量損失就越大.在本文所研究的間隙高度范圍內,間隙高度變化對葉展中部和上通道渦附近流動影響較小.由此清楚地表明了從氣動角度來說,圍帶與端壁之間的間隙高度最好不要大于1%H.不同間隙高度下,葉展中部和葉頂附近的壓力面的表面靜壓系數(shù)分布如圖13(a)和13(b)所示.正如圖11和圖12所顯示的,間隙高度變化對葉片中部的靜壓影響很小(見圖13(a)).不同間隙下,測壓孔的位置發(fā)生了少許變化,因此使得葉片前緣處的測量值稍有差別.間隙高度變化對葉頂附近壓力面的表面靜壓影響不大,但對吸力面的表面靜壓影響較為明顯.在0.5%H間隙高度時,葉片吸力面靜壓明顯高于其他兩種間隙高度下的靜壓.而在1%H與1.5%H間隙下,葉片吸力面表面靜壓變化很小.在約50%軸向弦長以后,葉片吸力面存在一段明顯的擴壓部分,這是由葉型造成的(見圖2).2.3沖角對葉柵流變學特性的影響選取圍帶葉柵上腔高度為1%H工況.i=-10°和i=-10°沖角時,葉柵出口36%Cax截面總壓損失系數(shù)分布如圖14所示.相同位置沖角i=0°工況的結果見圖6(b).比較圖6(b)和圖14可以看出當沖角由-10°,0°增加到+10°時,上端壁區(qū)域的高損失區(qū)逐漸向吸力側移動且損失逐漸縮小,最大總壓損失系數(shù)分別為4.2,1.8和1.8(實際上,最大總壓損失發(fā)生在靠近端壁處,但由于五孔探針本身有一定尺寸,無法測到該區(qū)域).當沖角為+10°時,上端壁區(qū)域的高損失區(qū)域基本消失.與i=0°時相比,i=-10°時的流動損失出現(xiàn)大幅度增加.圖15顯示的是沖角為-10°和+10°時與圖14相同位置截面上的二次流情況,沖角為0°的結果見圖5(b).比較這3張圖可以發(fā)現(xiàn):隨著沖角的減小,柵后截面上通道渦與尾緣渦耗散速度加快.這是由于沖角變化影響了葉柵中的三維渦系結構及其強度.大量的研究表明葉型和來流情況決定葉柵中的旋渦結構和其氣動性能.對于本文所研究的大前緣直徑且大轉折角的高負荷葉片,根據葉柵出口的總壓損失系數(shù)和二次流情況,可以判斷出相對于正沖角,負沖角情況下葉柵通道流動損失大,葉柵出口主流與間隙泄漏氣體摻混也強烈,因此,負沖角越小,流動損失越大.圖16給出了-10°,0°和+10°沖角下,節(jié)距質量平均的總壓損失系數(shù)沿葉高分布.圖17是相應的氣流角沿葉高分布.比較不同沖角下總壓損失系數(shù)沿葉高的分布可以發(fā)現(xiàn),本文葉型對沖角變化比較敏感.隨著沖角的減小,流動損失從葉展中部到葉頂逐漸增大.在靠近葉頂區(qū)域,當沖角減小至-10°,流動損失出現(xiàn)大幅度的增大.由圖17可以看出,在葉片中部區(qū)域,相對于-10°沖角,隨著沖角的正向增大,氣流偏轉不足加劇.受上通道渦影響,各沖角下氣流在約80%H處偏轉不足增強.大于80%H位置后,受二次流影響,各沖角下氣流過偏,且隨著沖角的增大氣流過偏增強.在0°沖角時,距離上端壁約2.5%H位置氣流角又開始變小.在-10°沖角時,距離上端壁約7%葉高位置氣流角開始變小.圖18顯示的是3種沖角下,葉中和葉頂附近葉片表面靜壓系數(shù)分布情況.由圖可以看出沖角變化對葉中與葉頂附近壓力面的表面靜壓系數(shù)分布影響不大,但對葉片吸力面的表面靜壓系數(shù)分布影響較為明顯.隨著沖角增大,壓力面的表面靜壓系數(shù)略有增加,但在72%Cax至尾緣,不同沖角下表面靜壓系數(shù)曲線趨于重合.在葉展中部和葉頂附近的葉片吸力面,分別在前緣至42%Cax和48%Cax范圍內,隨著沖角減小,葉片的表面靜壓系數(shù)增大,而在吸力面擴壓段部分,情況則相反,即隨著沖角的減小,葉片表面靜壓系數(shù)也隨之減小.3種沖角工況下,葉頂附近吸力面上最低壓力點都出現(xiàn)在48%Cax處.在-10°,0°和+10°沖角下,葉展中部吸力面上最低壓力點分別出現(xiàn)在42%Cax,42%Cax和35%Cax處,說明正沖角情況下,葉展中部吸力面上最低壓力點的位置隨著沖角的增大而向前緣方向移動.這是因為隨著正沖角增大,葉片吸力面進口段附面層增厚,附面層內速度分布惡化,動量損失厚度增加,導致最低壓力點出現(xiàn)較早,進而擴壓段長度增大.理論研究表明,沖角對葉型表面靜壓力分布規(guī)律的影響與葉型形狀、流道收斂度和氣流轉折角等因素有很大關系.在-10°~+15°的沖角范圍內,隨著沖角增大,前緣至最低壓力點范圍內,葉片壓力側和吸力側間的壓差增大,負荷也增大,驗證了本文選用的葉型屬于具有大前緣直徑的均勻加載型高負荷葉型.3葉柵圍帶的影響本文利用低速風洞和“L”型束狀五孔探針等設備,實驗研究了帶圍帶渦輪葉柵葉頂泄漏流動和氣動性能,研究了不同圍帶上腔間隙尺寸與來流沖角對渦輪葉柵氣動性能的影響,通過