高负荷涡轮叶栅流动特性的实验研究

高负荷涡轮叶栅流动特性的实验研究

0叶栅间隙泄漏研究为了避免动、静部件之间的碰撞，在气动轴的动叶顶部和壳体之间需要一定的间隙。为了消除动叶片两侧压力面和吸收面之间的压力差，形成空腔流动，导致液体泄漏。间隙内的液体没有经历扩张和减压的过程，动叶的输出降低，液体从动叶片顶部外流，形成卷式间隙漩涡，这会导致动叶片上部和下部流动的不稳定趋势。随着发动机叶片输出的增加，泄漏量增加，叶片中的二次流动增加，导致泵送损失。因此，研究车轮叶片间隙泄漏和混合主流的混合排水，有助于了解混合排水规律和失败机，为控制叶片间隙渗漏流动奠定基础。国内外针对叶顶间隙泄漏问题进行了大量的研究.Booth等指出1%相对间隙高度能够造成1%~2%主流流量通过间隙,进而形成间隙流动并导致涡轮级效率下降1%~3%.Bindon的研究表明,在无围带的涡轮平面叶栅出口截面端部区域的总损失中,由间隙引起的损失占67%,其次是二次流和端壁附面层引起的损失,占20%,叶型损失占13%.Niu等提出间隙涡涡核的流线主要是由叶顶靠近叶片前缘的流线组成的.随着间隙涡沿流道发展,逐渐与上通道涡掺混,导致出口截面上高损失区域增大,但损失强度沿流动方向逐渐减小,气流过偏/偏转不足现象也逐渐减弱.Chan等研究了间隙大小对端壁横流与叶顶间隙泄漏涡相互作用的影响.Yamamoto在常规线性涡轮叶栅中分别测量了不同间隙、不同冲角下叶顶间隙内及全叶栅的流动特性.周逊等详细测量与讨论了不同来流冲角对常规直叶栅与正、反弯叶栅气动特性的影响,讨论了冲角变化对叶栅通道中三维涡系的影响.张华良等对叶型转折角为68°、113°和160°的3种不同平面涡轮叶栅进行了试验研究,详细分析了叶栅内的旋涡结构.研究表明,叶型转折角不同,旋涡结构和气动性能也不同.本文针对叶型转折角为108.1°的高负荷涡轮叶栅,利用低速矩形叶栅风洞,实验研究不同间隙大小和冲角大小对涡轮叶栅顶部泄漏流动的影响,进而研究间隙尺寸变化与冲角变化对叶栅气动特性的影响,以便于了解间隙泄漏引起的气动损失机理和二次流旋涡结构.1流道及表面静压测量本文实验是在大连海事大学低速矩形叶栅风洞中进行的.该风洞由风机、扩压段、整流段、收敛段、工作段及实验段等组成,实验叶栅的有效展长为160mm.气源风机功率为132kW.涡轮叶栅的叶型取自文献.文献中使用的涡轮叶片是自行设计的高负荷扭叶片,本文选用该扭叶片叶梢部分的叶型.叶栅主要几何参数汇总于表1,叶型如图1所示.叶栅由9个叶片组成,如图2所示,其中5和6号叶片包含的流道为主测量流道.用L形束状五孔探针测量此流道上距离叶片尾缘后36%Cax截面上半叶展的时均气流参数,五孔探针测点分布沿径向从叶中至叶顶逐步加密,节距方向测点均匀分布,覆盖1.2倍节距.时均气流参数包括流速的大小和方向、总压和静压.在5号叶片的压力面50%H与97.5%H处分别布置8个直径为0.6mm的静压孔,在6号叶片的吸力面50%H与97.5%H处分别布置14个直径为0.6mm的静压孔.这些静压孔用来测量叶片表面静压.叶片表面静压孔位置及分布如图3所示.实验中叶顶间隙分别取为0、0.8、1.6、2.4mm.相对叶顶间隙τ分别为0、0.5%H、1.0%H、1.5%H.不同间隙下,分别进行来流冲角i为±10°、±5°和0°的气动实验.叶栅进口总压p01=106500Pa,叶栅出口直展中部马赫数Ma=0.23,基于弦长的雷诺数Re=8.32×105.本文测量误差主要来源于探针坐标系统误差(其精度为0.00625mm)、传感器误差(压力扫描阀误差为0.05%)以及数据采集板误差(0.05%).2叶栅进、出口平均气流总压在实验中,定义总压损失系数定义叶片表面静压系数式中:p01和p02分别表示叶栅进、出口平均气流总压;是叶栅入口气流平均动压头;p为叶片表面测点静压;p2为叶栅出口静压.2.1叶顶间隙对叶片静压分布的影响图4显示的是距离叶栅出口36%Cax截面上半叶展的二次流的流线图(横坐标表示节距方向相对值,其中X代表测点沿节距方向距端点距离).无间隙情况下,由图4(a)可以清楚地看出两个旋向相反的上通道涡(PV)和尾缘涡(TV),涡核位置分别位于距叶顶约23%H和27%H处,同时出现一个较弱的壁角涡(CV).上通道涡与尾缘涡相互作用,同时与壁角涡和端壁附面层相互作用.当叶顶存在间隙时,流场中多了一个间隙泄漏涡(简称间隙涡,记为TLV),而壁角涡消失了,如图4(b)~(d)所示.在相对叶顶间隙τ=0.5%H情况下(见图4(b)),间隙涡涡核出现在距叶片顶部约3%H位置,上通道涡和尾缘涡的涡核分别出现在距叶片顶部25%H和31%H处.上通道涡与尾缘涡和间隙涡相互作用.随着叶顶间隙的增大,间隙涡的强度与尺度增大,间隙涡涡核位置下移.由图4(c)可以看出,当τ=1.0%H时,间隙涡涡核移动到距离叶片顶部5%H位置,上通道涡涡核位置与τ=0.5%H情况类似,距离叶片顶部约25%H位置.当τ=1.5%H时,如图4(d)所示,间隙涡涡核进一步移动到距离叶片顶部6%H位置,上通道涡涡核仍在距离叶顶25%H位置,说明间隙大小影响了上通道涡尺寸,在叶高方向上对涡核位置影响不大.在节距方向上,随着间隙的增大,上通道涡涡核向吸力面移动,而间隙涡涡核逐渐远离叶片吸力面(测量截面位置参见图2,吸力面靠近图4中的1.2s位置),上通道涡与尾缘涡的影响范围逐渐缩小.图5显示的是不同叶顶间隙情况下,距离叶栅出口36%Cax截面上的总压损失系数分布云图.每种工况下,出口截面上都有几处高损失区.由图5(a)可以清晰地看出,在叶顶无间隙情况下,最大总压损失出现在上通道涡、尾缘涡与端壁壁角涡附近区域,其值为1.3.上端壁区域出现了一个因壁角涡引起的较高损失区,其余部分的损失是由叶片尾迹引起的.导致损失的根本原因是具有不同动能的流体掺混及黏性消耗.由图5(b)可以看出,当相对叶顶间隙τ=0.5%H时,最大总压损失系数为2.8,出现在间隙涡涡核区域,间隙涡影响距叶片顶部10%H范围内的总压分布,由间隙涡引起的高损失区约占75%s.随着相对叶顶间隙的增大,如图5(c)与(d)所示,在相对叶顶间隙τ=1.0%H与τ=1.5%H时,间隙涡涡核区出现的高总压损失进一步增大,最大总压损失系数达到4.0.随着相对叶顶间隙的增大,由间隙涡引起的高损失区域增大,相对叶顶间隙τ=1.0%H时,间隙涡的径向影响范围增大到11%H,节距方向引起的高损失区增大到约90%s.当相对叶顶间隙τ=1.5%H时,间隙涡的径向影响范围进一步扩大到14%H,在节距方向几乎占据了整个叶栅流道.由此看出,间隙泄漏损失大于上通道涡和尾缘涡以及尾迹等引起的损失,这是由强烈的顶部泄漏流动诱导出较高的表面摩擦导致的.此外,顶部间隙涡从卷起位置开始,随着向下游发展,不断扩散到主流当中去,引起掺混,也导致能量损失.需要指出的是,实际情况下,在端壁无间隙时,端壁附近因边界层导致的能量损失比上通道涡和尾缘涡引起的损失大很多.之所以没有给出距端壁1.2%H范围内的数据,是由于五孔探针本身具有一定尺寸(ue7882mm),使得近端壁区域无法测量.图6显示的是节距方向质量平均总压损失系数分布.由该图可以看出,相对叶顶间隙变化影响了叶片顶部约45%H范围内的流场.间隙涡引起的总压损失系数随着相对叶顶间隙增大而增加,由相对叶顶间隙τ=0.5%H时的1.45增大到τ=1.0%H时的2.29,并且进一步增大到τ=1.5%H时的2.38.图7显示的是节距方向质量平均气流角分布,由该图可以明显地观察到间隙流动引起的气流过偏和偏转不足现象.当实际出口气流角大于几何出气角(本文为67.4°),气流为过偏,反之,称为偏转不足.间隙涡的存在导致靠近端壁区域10%H范围内气流角变化幅度大,气流由过偏转为偏转不足.这是由叶片压力侧和吸力侧压差引起的过叶顶间隙的泄漏流体而导致的.相对叶顶间隙越大,偏转不足越明显,当相对叶顶间隙大于1.0%H后,气流偏转不足变化缓慢.上通道涡和间隙涡之间的区域,两涡共同影响下气流角增大,气流过偏.上通道涡和尾缘涡共同影响下,气流偏转不足.图8显示的是实验测得的叶片表面静压系数分布.图8(a)和(b)分别显示的是不同相对叶顶间隙时,叶展中部和97.5%叶高处压力侧和吸力侧表面的静压系数分布情况.观察图8(a)可以看到,相对叶顶间隙变化时,叶片中部表面压力分布基本一致.说明相对叶顶间隙变大引起的流场改变并没有影响到叶片中部或影响很小,这一结果与图6的结果相吻合.但叶片顶部静压系数分布受相对叶顶间隙大小影响较为显著,如图8(b)所示.随着相对叶顶间隙增大,进入叶顶间隙的流体增多,因而导致叶顶压力侧静压下降.同时,间隙涡的存在,影响了叶端吸力面流动情况,出现更低的低压区.当间隙涡沿流动方向逐渐远离叶片吸力面时,吸力面静压又逐渐恢复.间隙涡尺寸随着叶顶间隙增大而增大,吸力面静压极值大幅下降,极值位置逐渐后移,由τ=0.5%H时的48%Cax落后到τ=1.0%H时的49%Cax,继而进一步落后到τ=1.5%H时54%Cax位置.2.2冲角的影响在相对叶顶间隙τ=1.0%H状态下,分别在来流冲角i=-10°、-5°、0°、+5°、+10°情况下,对叶片出口截面和叶片表面气动参数进行了测量.图9显示的是不同冲角时距离叶栅出口36%Cax截面上的总压损失系数的分布云图.与i=0°时比较,当进口冲角为+10°时,间隙涡在径向的影响范围减小,节距方向影响范围大约占据整个流道,最大总压损失系数减小为3.0,位于间隙涡涡核区域.同时,由图10(c)可以看出,上通道涡涡核沿径向向叶片中部移动,尾缘涡的影响范围有所减小.当i=-10°时,如图9(a)所示,间隙涡影响范围增大,最大总压损失系数增大为7.0.如图10(a)所示,间隙涡尺寸大幅增大,同时上通道涡涡核沿径向上移,形状变得狭长,尾缘涡尺度大幅减小.节距方向质量平均总压损失系数分布显示于图11.通过分析可以得出,冲角的变化能够影响叶片顶部约45%H范围内的流场.随着冲角由负到正增加,间隙涡引起的总压损失逐渐减小.冲角i为-10°、-5°、0°、+5°、+10°时,最大总压损失系数分别为3.22、2.46、2.29、1.79、1.64.图12显示的是节距方向质量平均气流角分布,由该图可以看到间隙流动引起的气流过偏/偏转不足现象.随着冲角的减小,间隙涡区域偏转不足现象加剧.在上通道涡涡核以下至55%H区域内,正冲角情况下,气流偏转角未出现较大变化;负冲角情况下,上通道涡区域气流偏转角出现了明显的变化.冲角变化引起的流场变化与叶型转折角有关.本文研究的叶型属于大转折角叶型.结果表明,正冲角对流动有利.图13显示的是叶片表面静压系数分布情况.如图13(a)所示,在叶展中部,冲角的变化影响了叶片压力面从前缘至70%Cax范围内的静压分布,随着冲角的增大,压力面静压系数逐渐增加.静压系数最大值由i=-10°时的0.89逐渐增大到i=10°时的0.98.在吸力面,冲角的变化影响了从叶片前缘至45%Cax范围内的静压分布,随着冲角的增大,静压系数逐渐减小.静压系数最大值由i=-10°时的0.78逐渐减小到i=10°时的0.26.冲角的变化对叶片压力面70%Cax以后、吸力面45%Cax以后的叶片表面静压分布的影响很小.对于靠近叶顶附近的叶片表面静压,如图13(b)所示,冲角的变化对叶片压力面的静压分布影响不大,只有在i=-10°时,在靠近前缘部分出现较为明显的变化,静压值有所降低.在叶片吸力面,从前缘至42%Cax范围,冲角引起静压值的变化与图13(a)一致.在42%Cax~80%Cax范围,由于冲角的变化引起的叶片表面静压值变化较为复杂,负冲角情况下,静压极值点出现的位置偏后.3间隙使用影响(1)由于叶顶间隙的存在,间隙区域引起泄漏流动产生间隙涡,加剧了上半叶展的径向二次流动,使得靠近端壁区域10%H范围内气流角分布较为复杂,在叶顶附近区域产生大范围的高总压损失区.(2)随着叶顶间隙的增大,间隙涡强度增大,影响范围增大,由于掺混和黏性消耗导致涡核区总压损失增大,涡核位