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第53卷第6期2011年12月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYV0153NO6DEC201L涡轮动叶变冲角气动负荷试验研究鞠凤鸣,韩万金1哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150040;2哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨,150001摘要在环形涡轮叶栅低速风洞上,对某型采用后部加载及正弯曲设计的高负荷动叶进行了静态吹风试验。应用五孑L球型测针,详细测量了在3个冲角下由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布,同时对各冲角下9个不同叶高截面静压系数也进行了测量。试验结果表明,采用沿叶高改变吸力面最低压力点的后部加载叶型并结合叶片的正弯,能够在保持静压沿叶高分布均匀的条件下,显著降低端部横向压力梯度,增大主流区叶型的气动负荷。关键词涡轮叶栅;高负荷;正弯叶片;后部加载;试验研究分类号V2117文献标识码A丈章编号10015884201106044103EXPERIMENTALINVESTIGATIONONAERODYNAMICLOADOFATURBINEROTORBLADEUNDERDIFFERENTINCIDENCESJUFENGMINGHANWANJIN1HARBINTURBINECOMPANYLIMITED,HARBIN150040,CHINA;2ENERGYSCIENCEANDENGINEERINGSCHOOL,HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY,HARBIN,150001,CHINAABSTRACTINALOWSPEEDANNULARCASCADEWINDTUNNEL,STATICAERODYNAMICTESTSWEREPERFORMEDONANAFT1OADEDANDPOSITIVELYCURVEDROTORBLADECASCADEWITHHIGHLOADINGWITHTHEAPPLICATIONOFFIVEHOLEPINBALL,THEFLOWPARAMETERSINSEVENCROSSSECTIONSALONGTHEBLADEHEIGHTANDPITCHATTHREEINCIDENCESWEREMEASUREDINDETAILFROMTHEFRONTTOTHEBACKOFTHEBLADECASCADEINTHEMEANTIME,THEPROFILESTATICPRESSURECOEFFICIENTSALONGBLADEHEIGHTWEREALSOMEASUREDUNDERTHETHREEINCIDENCESTHERESULTSSHOWEDTHAT,WITHTHEAPPLICATIONOFTHEAFTLOADEDPROFILESWITHVARIABLEMINIMUMPRESSUREPOINTSALONGBLADEHEIGHTANDTHEBLADEPOSITIVECURVINGTOTHEDESIGNOFROTORBLADE,THEENDWALLTRANSVERSEPRESSUREGRADIENTWASREDUCEDGREATLYANDTHEAERODYNAMICLOADINGONTHEBLADEPROFILEINMAINSTREAMREGIONWASINCREASED,WHICHNOTONLYDECREASEDTHESECONDARYLOSS,BUTALSOENHANCEDTHELOADBEARINGCAPACITYOFTHEBLADECASCADEKEYWORDSTURBINECASCADE;HIGHLOADING;POSITIVECURVING;AFTLOADING;EXPERIMENTALRESEARCH0前言研究高负荷涡轮叶片的设计技术是现代高性能燃气涡轮发动机的研究热点之一,在涡轮叶栅的常规设计中,单级利用的焓降是有限的。为不断提高现代涡轮发动机的做功能力,需要大幅增加涡轮进口温度,这样一来,又面临如何有效地解决涡轮冷却这一难点。研究指出2J,如果增加第一“FN或者第一级的负荷,能够引起叶列或级有大的温降,这能减小或者消除下游及本列叶片需要的冷却气体量。因此,为了减少级数,降低金属材料和加工量消耗,特别是降低通流部分叶片和转子对稀有耐热合金以及加工量的大量需求,国内外研究者提出了采用高负荷涡轮叶片。采用高负荷涡轮叶片,由于叶片负荷增加,必然导致涡轮叶栅内发生强烈的二次流动以及相关的流动分离,从而降低涡轮叶栅气动敦室。设让鲞必须在负荷和效率之间做出合理选择,因收稿日期20110828此详细研究高负荷透平内的流动对现代涡轮叶片的设计具有重要意义。目前公开发表的有关高负荷涡轮叶片的文献并不多见。文献6研究了具有大折转角的高负荷叶片,定性地给出了叶型损失与气动负荷高低的关系。KIYOSHIS等用CFD对汽轮机高载荷动叶片进行了研究,并进行了根、中、顶3个截面的平面叶栅气动性能试验。结果表明,在不使性能变坏的情况下,高载荷动叶片可减少叶片只数约14。除了保持了高效率,同时降低了制造成本。文献8在低速风洞上对包括原型和设计的叶型在内的3个高负荷低压涡轮叶型中部叶展气动性能进行了试验研究,在此基础上设计的4种叶型分别较原型的负荷系数增大了25、25、43和61,但都没有给出内部流动的详细数据。本文采用沿叶高变负荷结合叶片弯曲的方法设计了高负荷动叶片,并在低速风洞上进行了详细的吹风试验,研究结果能够为高负荷叶片研究提供可供参考的实验数据。作者简介鞠凤鸣1971,男,高级工程师,在读博士,主要从事汽轮机研制及开发工作。442汽轮机技术第53卷1试验模型试验模型为某涡轮中间级高负荷动叶栅。为满足试验测试技术的要求,将实际叶栅几何相似地放大12倍。为了克服环形叶栅风洞对试验叶栅的尺寸限制,以扇形叶栅代替环形叶栅做试验,采用足够多的叶片数,并不影响试验结果的正确性。试验叶片和各个截面叶型如图1和图2所示,使用5孔球头测针测量由栅前至栅后7个横截面内气动参数沿叶高和节距的分布,7个横截面的轴向位置如图3所示。在每一测量站沿节距方向每隔03MM布置一个测量点。试验测量了沿叶型的静压系数,在叶片表面由01至09每隔01相对叶高布置一排沿叶型的静压测孔,共设置9排,每排36孔,其中吸力侧20孔,压力侧18孔。图1实验叶片中间级动叶栅的前一叶列为本级的静叶,但由于在相对坐标系下研究动叶栅的流动性能,在动叶前设置导向叶栅模拟动叶的实际进口流场,导向叶片出口气流角沿叶高的分布必须按静叶的相对出气角设计,并且叶片的尾部是可转动的,以实现来流对动叶片的冲角变化。2试验结果及讨论静压系数沿叶型的分布是叶栅气动性能最重要的参数瑚根部XRAM图2叶型图3测量站设置不意图之一,从其测量结果可以看出叶型损失的大小、端部横向压力梯度、叶片的气动负荷以及静压沿叶高的分布等。0。、10。和一10。冲角下静压系数沿叶型的分布在图4中给出。叶型损失的大小主要取决于沿叶型的静压分布,最关键的影响因素是在静压分布曲线上逆压梯度段的数量、长短与逆压梯度值的大小。在设计冲角下,凡是气动性能优良的叶型,在其吸力侧出口段都仅有一段逆压梯度段,而且其长度尽量短,逆压梯度值尽量小。由图4可以清楚地看到,在0。冲角的整个叶型型面上以及一10。和10。冲角除去前缘局部型面外的其它型面上,在吸力面尾缘仅有一个逆压梯度段,该段的长度与逆压梯度值取决于吸力面最低压力点的轴向位置。从图4可以看到3个试验冲角下不同叶高叶型吸力面最低压力点的轴向位置。显而易见的是,吸力面最低压力点XB中部图4不同冲角下静压系数沿叶型的分布曰C】顶部第6期鞠凤鸣等涡轮动叶变冲角气动负荷试验研究443由叶根至叶顶从靠近尾缘逐渐移向上游。根据后部加载叶型的定义,即吸力面最低压力点位于06相对轴向弦长之后的叶型称为后部加载叶型,由叶根至70相对叶高采用的都是后部加载叶型,只不过吸力面最低压力点逐渐移向上游。从70叶高至叶顶,吸力面最低压力点位于05相对轴向弦长,本文称这后一种叶型为均匀加载叶型。由此看来,由叶根至叶顶,伴随着吸力面最低压力点的逐渐前移,叶型由叶根的吸力面最低压力点靠近尾缘的后部加载叶型,过渡到叶展中部的吸力面最低压力点比较靠前的后部加载叶型,最后过渡到叶顶的均匀加载叶型。图5给出叶片表面静压系数沿叶高的分布。在3个试验冲角下,压力面上相同轴向位置、不同叶高的静压系数几乎相等,这表明在压力面上沿叶高静压是均匀分布的,边界层不会发生径向二次流。吸力面上静压沿叶高的分布比较3结论煳口0O冲角复杂,沿轴向大致可分为3段,由前缘至50轴向位置,沿叶高是负压力梯度,即由叶根至叶顶静压逐渐降低,可能引起边界层低能流体在叶顶的集聚。由50至72轴向弦长,沿叶高的静压分布呈“C”型,也就是说叶栅两端的静压高于叶展中部。在这一阶段的流动可以再细分为两段,以65轴向弦长为界,其中的第一段,下端壁的静压高于上端壁,而在第二段则反之,即下端壁的静压低于上端壁。由72轴向弦长至尾缘,沿叶高出现的是正压力梯度,边界层低能流体在它的作用下向叶根吸力侧壁角流动。除此之外,由叶栅叶根、中、顶3个沿叶型的静压分布比较可见,在叶根采用后部加载叶型结合叶片正弯,显著降低了气动负荷与横向压力梯度。叶顶的气动负荷与叶展中部大地相等,这就使得叶片在能够降低二次流损失的同时承担高负荷。毋610。冲角图5在不同叶高静压系数沿叶型的分布PAPERGT200568548,2005通过上述分析可以得出如下结论1采用沿叶高改变吸力面最低压力点的后部加载叶型并结合叶片的正弯,在保持沿叶高静压分布均匀的条件下,能够显著降低端部横向压力梯度,增大主流区叶型的气动负荷,达到了既减小二次流损失又提高叶栅的承载能力。2在零冲角下,本试验高负荷动叶栅沿全部叶高叶型仅有吸力面尾缘一段逆压梯度段,在叶型的其余部分边界层均在顺压梯度作用下加速流动,叶型损失很小,大约在002至003范围内。参考文献1王仲奇,秦仁编透平机械原理M北京机械业出版社,19872PULLANG,DENTONJ,CURTISEIMPROVINGTHEPERFORMANCEOFATURBINEWITHLOWASPECTRATIOSTATORSBYAFTLOADINGRASME_煳C一L0。冲角3PRAISNERTJ,ALLENBRADLEYE,GROVEREAAPPLICATIONOFNONAXISYMMETRICENDWALLCONTOURINGTOCONVENTIONALANDHIGHLIFTTURBINEAIRFOILRASMEPAPERGT200727579,20074MOUSTAPHASH,SCHAUBUWEFFECTOFNOZZLEDESIGNONTHEPERFORMANCEOFAHIGHLYLOADEDTURBINESTAGEISABE937096,19935JOHNDC,HOWARDPHPREDICTINGTHEPROFILELOSSOFGHLIFTLOWPRESSURETURBINESRGT201022675,20106GRIFFINLW,HUBERFWADVANCEMENTOFTURBINEAERODYNAMICDESIGNTECHNIQUERASMEPAPER93一GT一370,19937KIYOSHIS,YOSHIOS,KUNIYOSHIT,NAOAKISDEVELOPMENTOFAHIGHLYLOADEDROTORBLADEFORSTEAMTURBINESJJSMEINTERNATIONALJOURNA1SERIESB2002

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