變幾何渦輪動葉柵流場的PIV實(shí)驗(yàn)研究

馬 超， 臧述升， 黃名海

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

早在20世紀(jì)50年代，西方先進(jìn)國家就開始了變幾何渦輪技術(shù)可行性的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究.目前對變幾何渦輪技術(shù)的研究與應(yīng)用均采取變導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角（VAN）技術(shù)方案.該變幾何渦輪技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)在航空、船舶及汽車等行業(yè)得到了發(fā)展，因此對變幾何渦輪技術(shù)進(jìn)行深入研究非常有必要.研究者對變幾何渦輪技術(shù)已進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果［1－6］，但以往的研究手段大多集中在使用仿真手段以及使用熱線風(fēng)速儀、三孔/五孔探針等傳統(tǒng)的氣動測試手段，對于準(zhǔn)確全面地把握葉柵流道中流動，特別是旋轉(zhuǎn)動葉葉柵流道中流動的完整細(xì)節(jié)有所欠缺.筆者利用二維粒子成像測速（PIV）技術(shù)［7］，以干冰顆粒作為示蹤粒子，對某變幾何渦輪級的動葉葉柵流道及其下游區(qū)域的流場在不同導(dǎo)葉安裝角工況下進(jìn)行了可視化研究，通過測量結(jié)果總結(jié)不同區(qū)域流場速度及氣流角隨導(dǎo)葉安裝角改變的變化規(guī)律以及渦量場的變化規(guī)律.研究結(jié)果為進(jìn)一步深入理解變幾何渦輪內(nèi)部的復(fù)雜流動現(xiàn)象提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)裝置及研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)葉輪機(jī)械實(shí)驗(yàn)室變幾何渦輪氣動實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由風(fēng)源、穩(wěn)壓箱、葉柵實(shí)驗(yàn)段與測功器組成.風(fēng)源的主要設(shè)備包括離心式壓氣機(jī)、電動機(jī)和變速箱.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

本實(shí)驗(yàn)的葉柵實(shí)驗(yàn)段包括一個(gè)渦輪級葉柵，其中導(dǎo)葉部分包括10片可調(diào)導(dǎo)葉葉片，其最大可調(diào)轉(zhuǎn)角在±10°范圍內(nèi)，動葉部分包括全周完整的76片動葉，由測功器控制其轉(zhuǎn)速，其中導(dǎo)葉為直葉片，動葉為扭轉(zhuǎn)角23.6°的扭葉片，渦輪級具體尺寸如圖2所示.

圖2 變幾何渦輪尺寸圖Fig.2 Structural diagram of the variable geometry turbine

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用PIV技術(shù)對高速旋轉(zhuǎn)的動葉葉柵內(nèi)部的復(fù)雜流場進(jìn)行可視化研究和分析，采用丹麥Dantec公司生產(chǎn)的PIV系統(tǒng)，其中激光片光源系統(tǒng)以雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器為光源，工作頻率為15 Hz，每個(gè)脈沖能量為250 MJ，輸出激光波長為532 nm（綠光）.圖像拍攝系統(tǒng)采用分辨率為4 000×2 672像素的CCD相機(jī).實(shí)驗(yàn)采用干冰作為示蹤粒子，Love等［8］對使用干冰粒子作為PIV示蹤粒子的方法和其準(zhǔn)確性進(jìn)行過詳盡研究.葉柵實(shí)驗(yàn)段出口是用有機(jī)玻璃做成的透明管道，方便激光射入葉柵流道.實(shí)驗(yàn)時(shí)片光源處于動葉下游中間葉高位置，片光源沿動葉出口的逆方向射入，在動葉葉柵的上方開有可視化窗口，CCD相機(jī)垂直片光源平面進(jìn)行拍攝（見圖3）.

圖3 PIV拍攝方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of the PIV shooting method

在對動葉葉柵流場進(jìn)行PIV拍攝時(shí)使用外觸發(fā)模式，需要在待測的動葉葉柵位置安裝光電觸發(fā)器.當(dāng)待測葉柵到達(dá)所需測量位置前，光電觸發(fā)器給PIV同步控制器一個(gè)電信號，通過同步控制器控制激光器與CCD相機(jī)的協(xié)同工作，確保對待測的動葉葉柵流道所需測量區(qū)域進(jìn)行測量.

在實(shí)驗(yàn)過程中僅調(diào)整導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角，考察導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角對動葉葉柵流道及其下游區(qū)域流動的影響.實(shí)驗(yàn)在來流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)渦輪轉(zhuǎn)速均不變的情況下進(jìn)行，其中渦輪轉(zhuǎn)速為1 380 r/min，排氣經(jīng)試驗(yàn)段出口管道（0.4 m長的扇形通道）進(jìn)入大氣.實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Testing conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4給出了測功器測出的不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角下葉輪輸出功率的對比.由圖4可知，葉輪輸出功率隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的變化呈現(xiàn)單調(diào)變化特性，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從6°轉(zhuǎn)到－6°過程中，葉輪輸出功率從3.09 k W增加到4.39 k W，輸出功率增加了近42%，且在該過程中近似呈線性增加.由表1可知，隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的變化，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口總壓也同樣表現(xiàn)出單調(diào)變化的特性.

圖4 不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角下輸出功率的比較Fig.4 Comparison of output power at different guide vane angles

為了充分掌握導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角改變對渦輪動葉葉柵流動的影響，進(jìn)一步分析導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角改變對渦輪整體性能的影響，對不同轉(zhuǎn)角工況下的動葉葉柵流道及其下游區(qū)域進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn).PIV測量獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是葉柵流道中截面的瞬時(shí)速度矢量，由于流場是隨時(shí)間脈動的，而實(shí)際人們在分析流動性能時(shí)更關(guān)心的是大量瞬時(shí)流場的平均值.因此，在實(shí)驗(yàn)中對待測葉柵進(jìn)行了大量的拍攝，并對結(jié)果進(jìn)行平均，從而得到該葉柵流道流動的平均流場信息.以下均以此平均流場進(jìn)行分析.由表1和圖4可知，渦輪性能隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的改變呈現(xiàn)單調(diào)變化特性，PIV拍攝結(jié)果也同樣如此，為了更清晰地反映導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變化對渦輪動葉葉柵流動的影響，選取導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角在＋6°、0°和－6°3個(gè)工況下進(jìn)行對比分析.

首先對以上3個(gè)工況下葉輪流道的速度場進(jìn)行分析.圖5給出了不同工況下渦輪動葉葉柵流道及其下游區(qū)域的絕對速度分布.由圖5可見，葉輪出口附近及其下游區(qū)域的氣流速度隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開度方向調(diào)整而逐漸增大，且在葉輪出口附近速度明顯增大，這是因?yàn)樵撐恢锰幱诤砜谖恢茫瑲饬髟谠搮^(qū)域得到了明顯的膨脹加速.在動葉葉柵流道內(nèi)部隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角偏向小開度，該區(qū)域氣流速度增大更加明顯，表明上游導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的改變對于動葉葉柵流道內(nèi)部氣流的影響明顯大于葉柵尾部及其下游區(qū)域.在來流流量基本不變的情況下，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角偏向小開度調(diào)整，導(dǎo)葉出口及動葉進(jìn)口氣流速度不斷增大，且動葉進(jìn)口氣流沖角增大，導(dǎo)致氣流在動葉通道內(nèi)的折轉(zhuǎn)角增大，最終使得圖4中葉輪輸出功率不斷增大.

圖5 不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角下絕對速度分布圖Fig.5 Absolute velocity contour at different guide vane angles

圖6為不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角工況下渦輪動葉流道出口截面上氣流速度的對比，該出口截面位置即圖7中l(wèi)ine1位置，其橫坐標(biāo)y/t為圖7中y方向的相對位置，其極值在圖7中標(biāo)注，t的絕對值約為1.5倍柵距.葉柵中流體軸向速度（U）和圓周速度（V）的正方向也示于圖7.由圖6可知，隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開度方向調(diào)整，動葉出口截面的軸向速度和圓周速度均明顯增大，與之相對應(yīng)的出口截面絕對速度也明顯增大，其最大速度均出現(xiàn)在相對長度0.5附近（即流道出口中間位置），當(dāng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從6°轉(zhuǎn)到－6°過程中，動葉出口截面最大速度從36 m/s增大到40 m/s，增加了11%.動葉葉柵出口截面的氣流角度也隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的變小而單調(diào)變大，但變化程度相對較小.由此可知，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角對動葉出口附近氣流速度具有較明顯的影響，而對速度方向的影響相對較小.

圖8為不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角工況下動葉中間弦長附近截面速度的對比，圖中的軸向速度、圓周速度和絕對速度數(shù)據(jù)對應(yīng)于圖7中l(wèi)ine2從下向上取點(diǎn)的數(shù)據(jù)（其他規(guī)定與圖6相同）.圖8中速度為0的曲線段對應(yīng)于由于葉片遮擋激光無法到達(dá)的拍攝盲區(qū).由于該盲區(qū)內(nèi)的速度值均為0，因此該區(qū)域內(nèi)所對應(yīng)的氣流角度是沒有意義的，圖8中氣流角度的數(shù)據(jù)僅對應(yīng)于圖7中l(wèi)ine3所對應(yīng)的數(shù)據(jù).由圖8可見，隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開度方向調(diào)整，葉輪流道內(nèi)部氣流速度的大小和角度基本呈現(xiàn)單調(diào)變化的特性，其中最大速度均出現(xiàn)在葉輪流道中間部位（圖中相對長度0.2和0.8的位置），導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從＋6°轉(zhuǎn)到－6°的過程中，最大絕對速度從32 m/s增大到45 m/s，增加了約40.6%.

圖6 動葉出口截面速度的比較Fig.6 Comparison of outlet velocity at different guide vane angles

圖7 數(shù)據(jù)點(diǎn)位置示意圖Fig.7 Location of data points

圖8 中間弦長附近截面速度的比較Fig.8 Comparison of middle section velocity at different guide vane angles

下面對變幾何渦輪動葉葉柵流道及其下游區(qū)域渦量場進(jìn)行分析.在不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角工況下，葉柵流道內(nèi)部及其下游區(qū)域渦量分布圖的規(guī)律近似，如圖9所示，但分布區(qū)域的大小有所不同.二維渦量的ωvor定義由下式給出［9］：

二維渦量遵循右手法則，正值代表氣流正旋，方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲猓?fù)值代表反旋，方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?為了對葉柵流道的渦量分布現(xiàn)象進(jìn)行闡述，首先以圖9中－6°轉(zhuǎn)角的云圖為例進(jìn)行分析.由圖9可見，葉輪流道內(nèi)的高渦量區(qū)域主要分布在動葉壁面附近且正漩渦和反漩渦成對出現(xiàn)，為敘述方便將葉輪流道靠近吸力面位置從葉片前緣到尾緣位置分成A、B和C 3個(gè)區(qū)域，將葉片壓力面從葉片前緣到尾緣位置分成D、E和F 3個(gè)區(qū)域，將葉片尾緣下游分為G和H 2個(gè)區(qū)域.由圖9可見，在葉片吸力面A區(qū)域內(nèi)，氣流首先形成比較強(qiáng)的反漩渦，隨著流動的進(jìn)行這種反漩渦逐漸減弱并形成一個(gè)比較明顯的低渦量區(qū)域（B區(qū)域）.氣流沿葉片吸力面附近繼續(xù)流動到達(dá)C區(qū)域時(shí)，氣流渦量逐漸增大并形成比較明顯的正渦量分布，這種正渦量氣流分布在葉片下游區(qū)域一直存在并構(gòu)成葉片尾緣渦的一部分（G區(qū)域）向下游傳播.葉片壓力面附近的渦量分布則表現(xiàn)出與吸力面完全相反的規(guī)律，首先在D區(qū)域形成明顯的正漩渦，這種正漩渦占據(jù)了大約70%的吸力面位置，隨后氣流的渦量逐漸減弱并形成一個(gè)比較小的低渦量區(qū)域（E區(qū)域），之后在靠近葉片尾緣附近形成比較明顯的反漩渦（F區(qū)域），這種反漩渦一直向下游傳播（如H區(qū)域所示），并與G區(qū)域的正漩渦一起構(gòu)成了動葉葉片的尾跡.所得結(jié)果與Soranna等［10］利用PIV技術(shù)得到的動葉尾跡渦量場分布極為相似.

如圖9所示，隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開度方向調(diào)整，葉輪流道內(nèi)部的正漩渦和反漩渦區(qū)域均有所增大，低漩渦區(qū)域相應(yīng)減小，表明上游導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角對葉輪流道內(nèi)部的流動損失有明顯影響，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變小，葉輪流道內(nèi)部流動損失增加.觀察葉片尾跡同樣可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角變小后葉輪尾跡所對應(yīng)的渦量分布更加明顯，尾跡損失有所增加.

圖9 不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角下渦量分布圖Fig.9 Vorticity contour at different guide vane angles

3 結(jié) 論

（1）PIV技術(shù)可以有效獲得變幾何渦輪動葉葉柵及其下游區(qū)域的速度場和渦量場分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為研究變幾何渦輪內(nèi)部的復(fù)雜流動提供參考.

（2）導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從＋6°向－6°旋轉(zhuǎn)過程中，渦輪動葉葉柵流道出口及其下游區(qū)域氣流絕對速度增大，出口截面最大速度增加約11%，但對該區(qū)域氣流角度的影響相對較小.

（3）導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角從＋6°向－6°旋轉(zhuǎn)過程中，渦輪動葉葉柵流道內(nèi)部氣流速度明顯增大，最大絕對速度增加約40.6%，對氣流角的影響也比較明顯.變幾何導(dǎo)葉的調(diào)整對動葉葉柵流道內(nèi)部氣流的影響大于對葉柵出口及其下游區(qū)域的影響.

（4）隨著導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角向小開度方向調(diào)整，動葉葉柵流道內(nèi)部氣流角和速度均不斷增大，最終導(dǎo)致葉柵輸出功率不斷增大，但流道內(nèi)部及尾緣下游區(qū)域氣流渦量增加，動葉流動損失會有所增大.

［1］張玫寶.基于CFD的葉輪機(jī)械復(fù)雜流動分析計(jì)算［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［2］BAETS J，BERNARD O，GAMP T，et al.Design and performance of ABB turbocharger TPS57 with variable turbine geometry［C］//6th International Conference on Turbocharging and Air Management Systems.London，England：Professional Engineering Publishing for the Institution Mechanical Engineers，1998：315－328.

［3］陳琛.變幾何平面葉柵實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［4］鄭楓，臧述升，郁煒.單級軸流式變幾何渦輪的計(jì)算模型及結(jié)果分析［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2003，16（1）：39－42.ZHENG Feng，ZANG Shusheng，YU Wei.The calculation mode and result analysis of single stage vartiable geometry axial turbine［J］.Gas Turbine Technology，2003，16（1）：39－42.

［5］ABDELFATTAH S A，SCHOBEIRI M T.Experimental and numerical investigations of aerodynamic behavior of a three－stage HP－turbine at different operating conditions［C］//ASME Turbo Expo 2010：Power for Land，Sea，and Air.UK：ASME，2010：1619－1632.

［6］崔凝，王兵樹，馬永光，等.變幾何多級軸流壓氣機(jī)動態(tài)仿真模型的研究與應(yīng)用［J］.動力工程，2007，27（6）：856－862.CUI Ning，WANG Bingshu，MA Yongguang，et al.Study and application of dynamic simulation models for multistage axial－flow compressors with variable geometry［J］.Journal of Power Engineering，2007，27（6）：856－862.

［7］劉寶杰，嚴(yán)明，劉胤，等.葉輪機(jī)械復(fù)雜流動的PIV應(yīng)用研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2001，22（5）：578－580.LIU Baojie，YAN Ming，LIU Yin，et al.Preliminary PIV application on the study of unsteady flow in turbomachinery［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2001，22（5）：578－580.

［8］LOVE Brian T，REEDER Mark F.Particle size control for PIV seeding using dry ice ［C］//48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition.Orlando，F(xiàn)lorida，USA：AIAA，2010：1033.

［9］杜廣生，田瑞，王國玉，等.工程流體力學(xué)［M］.北京：中國電力出版社，2004：180－181.

［10］SORANNA Francesco， CHOW Yi－Chih， UZOL Oguz，et al.The effects of inlet guide vane－wake impingement on the boundary layer and the near－wake of a rotor blade［J］.Journal of Turbomachinery，2010，132（4）：041016.