帶有自發射流的渦輪葉頂間隙流場PIV測量

胡建軍，張 鐸，李志顯，馬 龍，孔祥東

(1．燕山大學 機械工程學院，河北秦皇島 066004；2．燕山大學 建筑工程與力學學院，河北秦皇島 066004)

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帶有自發射流的渦輪葉頂間隙流場PIV測量

胡建軍1,2，張 鐸2，李志顯2，馬 龍2，孔祥東1

(1．燕山大學 機械工程學院，河北秦皇島 066004；2．燕山大學 建筑工程與力學學院，河北秦皇島 066004)

為了探究葉尖射流對渦輪葉柵流場特性的影響，搭建了一個小尺度低速葉柵風洞實驗臺，利用粒子成像測速(PIV)技術對帶有自發射流的渦輪葉頂間隙流場進行了直接測量，獲得了低雷諾數(Re=6.46×103～3.23×104)下射流孔附近的流動圖像及速度測量結果，展示了葉頂間隙內層流和紊流2種流態下自發射流與泄漏流的相互作用過程，揭示了低雷諾數工況下(涵蓋層流到紊流的轉捩)葉尖射流抑制泄漏流的作用機理及影響因素，并對葉尖射流尾跡中出現的類卡門渦街的渦分布現象進行了探討.結果表明：葉尖射流的引入在泄漏流抑制方面取得一定收益，但同時也進一步加劇了葉頂間隙流動的復雜性.

葉頂間隙； 泄漏流； 葉尖射流； PIV； 流場

葉頂間隙的存在導致葉尖泄漏，泄漏流不僅造成做功工質泄漏，同時還對葉柵流場特性產生重要影響，誘發額外的流動損失.研究表明，對于低展弦比葉柵，葉頂間隙泄漏損失占渦輪總流動損失的1/3，渦輪葉頂間隙每增加1%，效率約降低1.5%，而耗油率約升高3%[1-2].因此，發展葉尖泄漏控制技術對提高葉輪機械性能具有十分重要的意義.

目前，減小葉尖泄漏一般通過減小葉頂間隙或改變葉尖結構來實現，如采用葉尖凹槽、壓力面肋條、吸力面肋條及葉尖襟翼等[3-5].美國學者Auxier[6]提出利用壓力面與葉頂間隙的自然壓差，形成一股自發射流從葉尖逆泄漏流射出，以實現對泄漏流的控制.Hamik等[7]基于上述原理，提出一種具體的開孔方案，并用一個簡化模型對其進行了初步理論分析.曹傳軍等[8]提出一種被動式逆向渦流發生器，可用于毫米尺度渦輪葉尖泄漏流控制，并用數值模擬手段對其進行了分析.筆者將葉尖自發射流(以下簡稱葉尖射流)應用于常規尺度渦輪葉尖泄漏流控制，并開展了前期數值計算[9-10].

目前，運用粒子成像測速(PIV)技術對渦輪葉柵流場進行測量的研究已經比較多見[11-13]，但利用PIV技術對存在葉尖射流的渦輪葉頂間隙流場進行測量的研究還未見報道.

由于筆者研究的原始對象為航空低壓渦輪，在高空巡航狀態，低壓渦輪葉片的工作雷諾數可低至3×104，特別是低壓渦輪出口級的雷諾數可能還要低一些[14].因而，筆者運用PIV技術對低雷諾數(6.46×103～3.23×104)工況下帶有葉尖射流的葉頂間隙流場進行了實驗測量，基于實驗結果，分析了層流和紊流2種流態下葉尖射流與泄漏流的相互作用特性及泄漏抑制機制，為該方法應用于實際葉柵提供了理論基礎，同時對主動噴氣式葉尖泄漏控制設計也具有參考意義[15].

1 實驗裝置

1.1 低速葉柵風洞實驗臺

為了測量帶有葉尖射流的葉頂間隙流場，搭建了低速葉柵風洞實驗臺，如圖1所示.風洞實驗臺系統包括低噪離心風機、變頻調速器(DELIXI 最大輸出功率為0.75 kW，頻率調節范圍為0～50 Hz，精度為0.01 Hz)、油霧示蹤粒子發生器(Safex-Nebelger?t 195 FW)、示蹤粒子容腔、靜壓箱、風洞主體(進口斷面尺寸為120 mm×105 mm，進口段設置整流格柵)和連接軟管等.

圖1 低速葉柵風洞實驗臺Fig.1 Low-speed wind tunnel test rig

風洞實驗臺采用風機前置的方案，在這種布置方案下，易對風洞的出口流速進行測量，而出口流速可以表征風洞流速水平.采用熱球風速儀(分辨率為0.01 m/s)對風洞出口中心流速進行測量，通過變頻調速器控制風機轉速來達到預期的出口流速.風洞主體和示蹤粒子容腔由透明有機玻璃板加工而成，帶有葉尖射流的直列葉柵用鋁合金通過線切割的方式加工而成，如圖2所示，該葉柵以Durham直列葉柵為原型[16]，經過等比例放縮得到，詳細的葉柵參數見表1.

圖2 帶有葉尖射流的直列葉柵Fig.2 Linear cascade with spontaneous tip injection

表1 葉柵主要參數Tab.1 Cascade parameters

由于筆者已經在文獻[10]中探討過動葉與機匣相對運動對自發射流抑制葉尖泄漏有效性的影響，流動機理分析和數值計算結果均表明，考慮端壁運動后，該方法仍是有效的，且對葉尖泄漏抑制還能起到一定的強化和放大作用.因此，本文的實驗測量是在葉柵靜止工況下進行的.

1.2 2D-PIV系統

所使用的2D-PIV系統由單個CCD照相機、激光片光源系統、信號同步器以及Dynamic Studio V2.3軟件構成.其中，CCD照相機、信號同步器及Dynamic Studio V2.3軟件系統均由丹麥的DANTEC公司生產和開發.CCD照相機分辨率為1 600像素×1 200像素，相機前配有標準60 mm光學鏡頭(Nikon Nikkor 60 mm f/12.8D)和濾片.激光片光由Beamtech公司生產的雙諧振脈沖Nd:YAG固體激光器產生，激光器輸出激光波長為532 nm的綠光，雙幀模式下的最大觸發頻率為15 Hz，單個脈沖最大能量為120 mJ，脈沖光采用Q-switch觸發方式獲得，脈沖寬度為6～8 ns，跨幀時間可達微秒級，具體數值需根據實驗工況調定，最窄光腰厚度約為1 mm.信號同步器用于控制CCD照相機和激光片光源的觸發延遲.Dynamic Studio V2.3軟件系統用于控制、監視整個數據采集過程和設置采集參數，并對原始粒子圖像進行結果后處理.2D-PIV系統的測量誤差約為1%.

2 2D-PIV系統調試

在實施PIV測量之前，需要對PIV光路系統的布置及標定、跨幀時間選擇、示蹤粒子選擇和布撒進行精細考慮.

PIV光路系統布置的實質是要解決預期測量平面與片光遮擋之間的矛盾.在測量區域確定之后，需要對2D-PIV系統進行標定以建立起相機像素與實際照相區域的聯系，由于本次實驗為二維PIV測量，因此采用刻度尺進行標定.

跨幀時間(又稱雙曝光時間)的設置既與流場速度有關，又與查問區域有關，一般要求前后2次曝光圖像中示蹤粒子的位移為查問區域(32像素×32像素)邊長的1/2～1/3.根據文獻[17]中的跨幀時間確定方法，結合實驗探索，當風洞出口中心流速分別為1 m/s、3 m/s和5 m/s，跨幀時間分別為200 μs、65 μs和40 μs時可取得較好的流場測量效果.

實驗采用的示蹤粒子由Safex-Nebelger?t 195 FW型油霧示蹤粒子發生器產生，油霧粒徑在2 μm左右，粒子發生能力為600 m3/min，遠遠超出實驗需求，因此采用脈沖發煙的方式，通過設置示蹤粒子容腔，讓粒子先進入示蹤粒子容腔稀釋，然后再由風機均勻吸入，該方法可以達到令人滿意的粒子布撒效果.

此外，為了減少實驗中有機玻璃板和金屬葉片的反射、散射對測量的干擾，考察位置附近的表面均貼有黑紙，金屬葉片表面用墨汁涂黑處理.

3 PIV測量結果分析與討論

筆者主要測量了射流孔附近水平剖面(測量平面1，即圖3中矩形方框區域，實際測量面積為34.2 mm×25.6 mm)和垂直剖面(測量平面2，剖切位置為射流孔中心線，在圖3中該平面投影為一條直線，實際測量面積為56.4 mm×42.4 mm)的流場.

圖3 風洞幾何參數及測量平面位置示意圖Fig.3 Schematic of the wind tunnel and position of the measurement planes

采用DANTEC公司開發的自適應關聯算法對原始雙曝光粒子圖像進行數據處理，該算法與經典互相關算法相比，其處理結果無效矢量更少(見圖4).查問區域設置為32像素×32像素，重疊率為25%，觸發頻率取15 Hz，后面的測量結果均為50對原始圖像處理后的統計平均結果，即反映的是時均流場.

圖4 2種算法處理結果的比較Fig.4 Comparison of processing results between two algorithms

3.1 測量平面1的PIV流場測量

考慮到如果激光片光離葉尖表面太近會產生強烈的背景白噪聲，因此通過精細的位置調整，最終使得片光中心距離葉尖約0.5 mm(片光厚度約為1 mm)，在此位置獲得了有效的流場測量數據.圖5為風洞出口中心流速為1 m/s、3 m/s和5 m/s(分別定義為工況1、工況2和工況3)時測量平面1的原始PIV粒子圖像及對應的速度云圖，其中X、Y為測量窗口的位置坐標，速度云圖是將原始PIV測量數據經Tecplot軟件處理后得到的.按此速度和軸向弦長計算得到的風洞雷諾數Re分別為6.46×103、1.94×104和3.23×104.

圖5中3幅原始PIV粒子圖像是在示蹤粒子釋放初期拍攝得到的，此時射流孔中的示蹤粒子較少，被激光片光照亮程度較低，因此形成了葉尖射流與泄漏流顯著的明暗對比，可以顯示葉尖射流軌跡.對比3幅圖像，可以觀察到一個重要現象，即在所測流速范圍內，恰好涵蓋了間隙內流動從層流到紊流的轉變.在工況1條件下，間隙內流動為層流，葉尖射流尾跡表現為平滑的直線，葉尖射流與泄漏流有著清晰的分界面；同時，可以在圖5中清晰地識別出在吸力面(S.S.)側葉尖泄漏流與通道主流相遇時形成的分離線(SL).

圖5 測量平面1的PIV流場測量結果Fig.5 PIV measurement results on plane 1

當風洞出口中心流速超過3 m/s時，葉尖射流軌跡不再呈直線狀態，葉尖射流與周圍流體開始發生摻混，這意味著間隙內的流態已經變為紊流.有趣的是，在射流孔下游出現了類似卡門渦街的渦脫落現象，為了排除偶然性，從工況2和工況3的原始數據庫中按時間序列再分別取出連續的3幅原始PIV粒子圖像來考察上述觀點，如圖6所示.觀察可知，圖6中均顯示有類似卡門渦街的渦脫落現象.結果表明，所研究的葉尖射流與泄漏流的相互作用屬于圓柱射流與交叉橫流的相互作用問題[18-19]，圖6中類似卡門渦街的渦分布實際只反映了三維圓柱射流尾跡的一部分特征，這種渦被稱為尾跡渦，并且認為這種渦只是外表上類似于卡門渦街，但從渦的生成機理上來講與卡門渦街是完全不同的，這種渦的產生和形成并非來自于圓柱射流本身，而是來自于近壁邊界層.

目前，學術界對于圓柱射流與交叉橫流的相互作用規律并沒有完全弄清，對于本文情形，這種相互作用發生在一個十分受限的空間而不是在被廣泛研究的自由空間，其作用規律更是有待揭示，這個現象也說明葉尖射流的引入進一步加劇了葉頂間隙流動的復雜性.

工況1、工況2和工況3條件下間隙內最大流速分別為2.1 m/s、6.3 m/s和10.9 m/s，引入無量綱速度Vd，用于比較3種工況下葉尖射流的影響區域大小.Vd的定義如下：

(1)

式中：Vloc為當地流速，m/s；Vmax為同一張云圖中的最大流速，m/s.

基于此定義，每一張速度云圖中Vd的取值范圍為0～1.由圖5可知，隨著風洞流速的提高，葉尖射流影響區域不斷增大，從工況1到工況2這種現象非常明顯，而從工況2到工況3則不夠明顯.比較發現，葉尖射流的阻塞效應并非隨風洞流速單調變化，最大阻塞效應出現在工況2，Y方向的阻塞寬度為3.9 mm，約為射流孔直徑的2倍；最小阻塞效應出現在工況1，Y方向的阻塞寬度為2 mm，與射流孔直徑相當；工況3的情形則介于兩者之間.

圖6 時間序列原始PIV粒子圖像Fig.6 Time sequence of original PIV particle images

3.2 測量平面2的PIV流場測量

為了考察葉尖射流在葉高方向上的影響范圍，對射流孔位置垂直于葉尖的平面進行了PIV測量，實驗工況與上文相同.圖7給出了測量平面2的原始PIV粒子圖像.從圖7可以看出間隙內層流向紊流的轉變.當間隙內為層流時，葉尖射流(STI)與泄漏流(TLF)之間存在清晰的分界面，兩者不互相摻混.泄漏流夾帶著葉尖射流從吸力面流出形成一個瑞士卷，也就是經常說的泄漏渦(TLV).一般認為，該渦的形成是葉尖泄漏流與通道主流相互作用的結果，在圖7中可以清晰識別出泄漏渦的渦核.

當風洞出口流速超過3 m/s時，間隙內為典型的紊流，葉尖射流與泄漏流的交界面開始不規則地波動，說明兩者之間開始有明顯的摻混，同時伴隨著強烈的動量交換.在此情形下，已經不能識別出泄漏渦的卷起形態，但仍能識別出其渦核所在的位置(如工況3).此外，從圖7還能觀察到泄漏流從壓力面(P.S.)進入葉頂間隙時形成的分離泡(SB)的形態.由于拍攝視角的問題，圖中的白色虛線用以表明泄漏流的起始進入位置，吸力面附近黑色楔角區域為激光片光因遮擋造成的測量盲區.

為了能夠定量分析葉尖射流和分離泡的影響區域，將原始PIV粒子圖像進一步處理得到圖8和圖9，其中Z為葉柵高度方向.從圖8可以看到葉尖射流和分離泡的外側流線(即分離線)，可以用于顯示兩者的外部輪廓，并借此反映其影響區域大小.這條分離線上有2個關鍵點，一個是分離點A，反映了葉尖射流開始產生影響的位置；一個是再附點B，反映了分離泡影響結束的位置.圖8中2條垂直的點劃線作為A點和B點運動方向的參考線，同時還增加了一條水平的點劃線，用以衡量葉尖射流和分離泡在垂直方向的影響范圍.

由圖8可知，隨著間隙內流速提高，A點逐漸向上游移動，這意味著葉尖射流向上游的侵入逐漸增強，而B點逐漸向下游移動，這意味著分離泡的覆蓋(或影響)區域在逐漸變大.總體而言，葉尖射流和分離泡在平行于葉尖方向的影響區域隨風洞流速的提高而增大，但這個效應對葉尖泄漏抑制并不會產生明顯的效果，真正產生影響的是兩者在垂直方向的變化情況.因此，可以用分離線在垂直方向(Z方向)的最大拱起高度來衡量兩者對泄漏流的阻塞效應.

由圖8還可知，葉尖射流和分離泡在垂直方向上影響區域的變化趨勢是不同的.對于葉尖射流，分離線的最大拱起高度隨風洞流速提高并非單向變化，最大拱起高度出現在工況2，而不是出現在實驗范圍內的最大流速條件下的工況3，這是由于葉尖射流與泄漏流基本上是被同一壓差所驅動的，但葉尖射流通道的阻力較大，葉尖射流流量的增大速度卻不及后者，因此當間隙內流速增大到一定程度之后，葉尖射流對泄漏流的抑制效果變差.

(c)工況3

圖8 間隙區域放大流線圖Fig.8 Streamlines in the tip clearance region

對于分離泡而言，分離線最大拱起高度隨間隙內流速的提高而增大，在工況2時達到最大值.考慮到葉尖射流和分離泡對泄漏流抑制的綜合效果，最大阻塞效應很可能就出現在工況3.此外，還發現不同工況下分離線的形狀也有所不同，在層流工況下，分離泡更為扁平.圖9比較了不同工況下間隙內的流速分布.為了使不同工況的測量結果具有可比性，對間隙內流速進行了無量綱化處理，方法與上文相同.另外，為了去掉近壁區無效數據，特將Vd≤0.6的速度云圖隱去.

由圖9可知，間隙內相同位置的無量綱速度隨風洞流速的提高而降低，以葉尖射流上方的Vd為例，工況1、工況2和工況3的數值分別為0.85、0.8和0.75.由于受到葉尖射流和分離泡的綜合影響，葉頂間隙內出現了3個顯著的高速區，分別在分離泡上方、葉尖射流上方及泄漏流出口附近.隨著風洞流速的提高，葉尖射流和分離泡的影響區域在流速云圖中越來越突出，表現為在高速區(如Vd≥0.8)開始萎縮，并且越來越集中在葉尖射流和分離泡的正上方，這個效應進一步印證了葉尖射流和分離泡對葉尖泄漏流的擠壓作用能夠對葉尖泄漏產生一定抑制效果.

圖9 間隙內流度分布云圖Fig.9 Dimensionless velocity distribution in the tip clearance region

4 結 論

(1)當風洞出口中心流速超過3 m/s時，葉尖射流軌跡不再呈直線狀態，葉尖射流與泄漏流開始發生摻混，并在射流尾跡中出現了類似卡門渦街的渦分布現象，該現象的出現進一步加劇了葉頂間隙流動的復雜性.

(2)隨著風洞流速的提高，葉尖射流在平行葉尖方向的影響區域先增大后減小，在垂直葉尖方向的影響區域先增大后保持不變，只有在小葉頂間隙和低壓載荷下，葉尖射流才能取得較好的泄漏抑制效果.

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Measurement of Tip Clearance Flow with Spontaneous Tip Injection Using PIV Technology

HUJianjun1,2,ZHANGDuo2,LIZhixian2,MALong2,KONGXiangdong1

(1. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei Province, China; 2. School of Civil Engineering and Mechanics, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei Province, China)

To investigate the influence of spontaneous tip injection (STI) on the turbine cascade flow, a small scale low-speed wind tunnel test rig was developed to directly measure the tip clearance flow field with spontaneous tip injection using PIV technology, so as to obtain the flow field adjacent to the injection hole at low Reynolds numbers (Re=6.46×103-3.23×104), present the interaction process between STI and tip leakage flow (TLF) under laminar and turbulence flow conditions in the tip clearance, reveal the mechanism using STI method to suppress the TLF at low Reynolds numbers (covering the transition process from laminar flow to turbulence flow), and finally to analyze the phenomenon of vortex distribution similar to the Karman vortex street (KVS) appearing in the wake of tip injection. Experimental results show that the introduction of STI may reduce the tip leakage flow in a certain degree, which however, would simultaneously intensify the complexity of the tip clearance flow.

tip clearance; leakage flow; spontaneous tip injection; PIV; flow field

2016-02-16

2016-04-20

河北省自然科學基金資助項目(E2015203271)；國家自然科學部主任基金資助項目(5160051215)；燕山大學青年教師自主研究計劃理工A類資助項目(14LGA014)；國家重點基礎研究發展計劃973資助項目(2014CB046405)

胡建軍(1982-)，男，黑龍江虎林人，講師，博士，主要從事葉輪機械氣動熱力學方面的研究.電話(Tel.)：15032382779； E-mail：kewei729@163.com.

1674-7607(2016)11-0870-07

V231.3

A 學科分類號：470.30