高壓渦輪前緣幾何形狀對性能影響分析

白 濤，高 山

(1.西安航空學院 飛行器學院, 西安 710077； 2.西北工業(yè)大學 航海學院, 西安 710072)

葉片前緣由于其曲率較大，會出現(xiàn)明顯的吸力峰，前緣吸力峰導致的分離泡直接影響渦輪葉片表面的流動狀態(tài)。而葉片前緣通常較薄，又要保證前緣與葉身連接曲率連續(xù)，因此葉片前緣加工存在著很大的技術(shù)困難，葉片前緣的加工和安裝誤差不可避免[1-3]。高壓渦輪葉片工作溫度高、并且由于燃氣的燒蝕、積炭等使得前緣幾何形狀容易發(fā)生形變。國內(nèi)外針對前緣幾何形狀展開了較多的研究。北航陸宏志[4-5]等研究了壓氣機不同前緣幾何形狀對流場性能的影響，其研究結(jié)果表明橢圓形前緣在整個工況范圍內(nèi)氣動性能較好。作者[6]也曾就前緣幾何參數(shù)對低壓渦輪邊界層發(fā)展的影響展開研究，從邊界層的角度闡述影響機理。劉火星等[7]著重探討了壓氣機前緣的流動圖畫，以及不同前緣型線吸力峰的變化規(guī)律。國外加拿大卡爾頓大學[8]主要在非設(shè)計攻角下研究了前緣幾何形狀對葉型損失的影響。在實驗中采用了半徑不同的圓弧形前緣和橢圓前緣。實驗結(jié)果表明了前緣尺寸的改變會影響前緣與葉身連接處曲率的連續(xù)程度，因此會影響前緣處的流動，從而造成葉型損失的變化。橢圓型的前緣能更好地保證曲率連續(xù)性，因此能在較寬的攻角范圍內(nèi)保證較好的流動特征。Hodson等[9]曾在高速渦輪葉片上研究前緣處邊界層的轉(zhuǎn)捩和分離，表明前緣處的流動對于邊界層的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。劍橋大學[10]的研究表明，當吸力峰的高度小于某一臨界值時，吸力峰大小的改變幾乎不會對葉型損失造成影響，而當吸力峰大于臨界值時，隨著吸力峰高度的增大，損失會顯著增大。

高壓渦輪葉片由于其轉(zhuǎn)速高、工作溫度高，因此前緣半徑通常較厚。國內(nèi)外對前緣的研究主要集中在壓氣機和低壓渦輪上，針對高壓渦輪前緣幾何參數(shù)的研究還比較少。本文在前期對低壓渦輪研究的基礎(chǔ)上對高壓渦輪前緣幾何形狀開展研究。文中采用數(shù)值模擬方法在設(shè)計和非設(shè)計工況下研究了兩組前緣即不同半徑的圓弧型前緣和不同長短軸比的橢圓形前緣。對高壓渦輪氣動性能的影響規(guī)律，旨在為高低壓渦輪的設(shè)計、加工、使用、維護提供可供參考的理論數(shù)據(jù)。

1 研究方法及研究對象

研究對象為某型高壓渦輪葉中截面。葉型數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)值模擬采用商用軟件CFX14.0求解三維定常黏性雷諾平均N-S方程，數(shù)值方法采用時間追趕的有限體積法，空間離散采用二階迎風格式，時間離散應(yīng)用二階后差歐拉格式。選用SST湍流模型和γ-θ轉(zhuǎn)捩模型。計算網(wǎng)格數(shù)為53 000，壁面Y+區(qū)域在1左右，局部大于1但均小于2。葉柵通道和前尾緣局部網(wǎng)格如圖1所示。計算進口給定總溫、總壓，進口氣流角、出口為靜壓邊界條件。

表1 葉型參數(shù)

研究不同前緣形狀對渦輪葉柵性能的影響，圓弧型前緣采用CAD造型，在保證葉片葉身不變的情況下，對前緣進行修型，將前緣直徑增加20%和減少20%，分別定義為C-L20%，C-S20%。如圖2所示，文中的橢圓型前緣是采用課題組開發(fā)的前尾緣修型程序?qū)崿F(xiàn)的，得到長短軸比為1.5和2的橢圓形前緣，定義為Ep-1，Ep-2；最后采用基于多項式造型的方法得到自由型線的類橢圓，將前緣曲率半徑縮小為原來的一半。定義為Ep。如圖3所示。

2 設(shè)計狀態(tài)下前緣形狀對高壓渦輪氣動性能影響分析

首先分析在設(shè)計狀態(tài)下不同前緣形狀及參數(shù)對渦輪流場的影響。

高壓渦輪吸力峰較低壓渦輪吸力峰較弱；同時高壓渦輪葉片前緣附近并沒有出現(xiàn)像低壓渦輪葉片前緣的分離泡。造成高低壓渦輪這些不同點的原因是：高壓渦輪進口湍流度較高，高壓渦輪的葉片前緣的曲率半徑較大，因此前緣與葉身連接處的曲率較低壓渦輪更能保證連續(xù)和光滑。

由圖6葉型前緣耗散函數(shù)分布可以看出，在0°攻角下，高壓渦輪前緣形狀的變化對其前緣損失的影響并不明顯，這是因為高壓渦輪導葉前緣較厚，同時高壓渦輪的進口湍流度一般情況下很大(6%～15%)，文中給定為10%。進口雷諾數(shù)較高，在前緣處不會出現(xiàn)分離泡。 因此，前緣的損失較小。由此可以得出對于高壓渦輪葉片由于葉型前緣微小的改變不會帶來很大損失。

由圖7中葉型Ep-1和Ep-2的前緣滯止點附近的耗散明顯大于圓弧型葉型的前緣處的耗散，這是因為橢圓型的葉型前緣較薄，前緣曲率半徑小，葉片上游受位勢作用的影響較小，這樣會使得進入葉柵通道的流體不能光滑引入到葉柵通道中，因而會在前緣處撞擊；此外，從前緣滯止點到前緣型線曲率半徑的突然變大，使得在滯止點附近速度梯度很大，因此摩檫損失較大， 但前緣處的大耗散只集中在一小部分區(qū)域，因此它不會增大總損失。C-L20%葉片相比其他兩個圓弧型的葉片在吸力峰處的耗散函數(shù)要大，影響圓弧型葉片吸力峰強弱的主要因素有前緣半徑，前緣楔形角，進口湍流度。前緣半徑影響主要體現(xiàn)在雷諾數(shù)的影響上。在本算例中幾種葉型的進口湍流度不變，為此C-L20%葉型較小的前緣楔形角，使得葉型前緣過度膨脹的區(qū)域較大，摩檫損失增大。

對于二維葉柵中，葉柵通道損失的主要來源是葉型損失。 熵增是準確衡量損失的唯一參數(shù)。在絕能流動中，用熵增和總壓損失系數(shù)這兩個參數(shù)衡量損失是等價的，文中用總壓損失系數(shù)衡量不同前緣葉型的葉型損失。定義總壓損失系數(shù)為

各葉型在0°攻角下氣動損失如表2所示。各葉型損失均較大，說明第一級高壓渦輪進口導葉前緣對渦輪葉柵損失影響并不大。其中自由型線的前緣Ep葉型的損失最小，這是因為自由型線保證了前緣與葉身曲率半徑的連續(xù)性，因此前緣吸力峰得到抑制，前緣的損失減小；橢圓葉型的損失均和原始葉型的損失接近，這是因為橢圓葉型抑制了吸力峰，使得前緣損失減小，但橢圓葉型在保證葉身不變的情況下，使得葉片的軸向弦長增大，因此葉身摩檫損失增大，二者折衷使得損失和原始葉型的損失接近。對于圓弧型的葉型，不論是增大還是縮小前緣半徑其損失都要大于原始葉型的損失，對于將圓弧的半徑增大的葉型C-L20%，其損失較大是因為曲率半徑的增大使得前緣楔形角減小，從而使得吸力峰的強度略有所增強，同時厚葉片會使得這個前緣的擾流損失增大。對于將圓弧半徑減小的葉型C-S20%，其損失也略微呈現(xiàn)增大，這是因為，C-S20%葉型較原始葉型弦長增大了5%，葉身的摩檫損失增大，但圓弧曲率的半徑的減小，會使楔形角增大，增大的楔形角減小了前緣繞流從滯止點到前緣吸力面連接點所要轉(zhuǎn)折的角度，因此在一定程度上可以抑制前緣的過度膨脹，從而使得前緣的損失減小。

綜上:在設(shè)計工況附近，前緣形狀的變化對渦輪葉柵的損失沒有太大的影響，在葉片實際的加工和安裝過程中，前緣形狀的微小改變帶來的葉柵的損失也是可以忽略的。

表2 葉型損失變化

3 非設(shè)計狀態(tài)下前緣形狀對渦輪氣動性能影響

由于渦輪葉柵在不同的工況工作，因此討論不同工況的葉柵性能也是十分必要的。根據(jù)高壓渦輪實際的工作情況分別研究在-12°～8°攻角下不同前緣葉型的損失特性。上文中六種葉片的葉身和尾緣部分是完全相同的，不同的是前緣形狀以及前緣厚度。大的前緣直徑會使整個葉柵的損失增大，但大的前緣葉型由于位勢作用的影響較明顯，能保證來流被平滑引導到葉柵通道中，因此厚前緣葉片對攻角的變化較薄前緣不敏感。同時橢圓和圓弧型前緣對葉柵內(nèi)的流動的影響也是很不相同，橢圓型前緣較圓弧型前緣能有效地抑制吸力峰的強度以及減小甚至消除葉片前緣的分離泡。綜合以上兩個方面的因素，研究Original，Ep2 和C-L20%三種典型的前緣攻角對不同前緣形狀葉柵的影響。

圖8為不同攻角下三種葉片葉柵通道內(nèi)的總壓損失系數(shù)分布，隨著攻角的增大渦輪葉柵內(nèi)的損失是增大的。損失對負攻角的變化更不敏感，這也正是葉片設(shè)計時攻角要偏向負攻角的原因。在整個攻角范圍內(nèi)，C-L20%葉片的葉柵通道損失更大，橢圓型前緣葉柵通道損失最小，這是因為圓弧型前緣的吸力峰較橢圓型的較強，吸力峰附近處的速度很高，速度梯度大，摩檫損失大，同時圓弧型前緣的擾流損失大，并且隨著圓弧半徑的增大，擾流損失增大。

4 結(jié)論

本文在設(shè)計和非設(shè)計工況下研究了橢圓形前緣和圓弧形前緣的氣動性能。得到如下結(jié)論：

1) 在設(shè)計工況下，前緣幾何形狀對渦輪的氣動性能影響很小。

2) 在非設(shè)計狀態(tài)下，前緣幾何形狀的影響凸顯。隨著攻角的增加影響顯著性增大。在本文的研究范圍內(nèi)，橢圓形前緣在整個攻角范圍內(nèi)氣動損失都較小，而圓弧形前緣的損失較大，當攻角為8°時，圓弧形前緣葉型氣動損失較基準葉型增大2.26%。

3) 前緣形狀會影響渦輪氣動性能，但高壓渦輪葉片由于其前緣半徑較大，進口湍流度較大，其氣動性能隨著前緣幾何形狀的變化較低壓渦輪更為不敏感。因此關(guān)于前緣幾何形狀變化的研究應(yīng)該重點集中在壓氣機及低壓渦輪葉片上。