探針支桿尾跡特性對壓氣機葉柵性能的影響

高 杰，向宏輝，代秋林，幸曉龍，王 暉

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621000)

1 引言

目前，軸流壓氣機氣動性能試驗中，試驗件內部參數(shù)主要采用接觸式探針測量[1-2]。受結構強度、測量原理等影響，接觸式探針通常需要將探頭固定在具有一定厚度的支桿上，這會對迎風氣流產(chǎn)生阻礙，形成背風低壓低速尾跡區(qū)，對下游流場產(chǎn)生擾動。隨著軸流壓氣機技術指標的不斷提高，高氣動負荷緊湊結構融合設計已成為未來高性能壓氣機技術的重要特征，這將導致軸流壓氣機氣動性能試驗中接觸式探針對被測流場的擾動問題愈發(fā)嚴重。

針對接觸式探針對被測流場的擾動問題，國內外進行了大量研究并取得積極進展。Jose[3]、Coldrick[4]、Mersinligil[5]等開展了考慮探針堵塞擾動效應的試驗數(shù)據(jù)修正方法研究。美國GE公司在E3十級高壓壓氣機氣動性能試驗數(shù)據(jù)處理中，對進氣道內的探針擾動考慮了1.4%的效率損失修正[6]。Coldrick等[7]數(shù)值研究了探針支桿對壓氣機流場的影響，結果表明探針支桿的存在改變了周圍流場的壓力和速度分布，并使壓氣機流量降低。馬宏偉等[8-9]以大尺寸低速壓氣機試驗器為依托，研究了探針支桿對轉子出口流場的影響。向宏輝等[10-12]采用數(shù)值模擬與試驗研究方法，圍繞葉型探針結構布局對壓氣機氣動性能的影響進行研究，探索了葉型探針局部擾動效應與壓氣機氣動性能的關聯(lián)機制；同時還開展了葉型探針對壓氣機葉柵氣動性能影響的試驗與數(shù)值研究，分析了葉柵在安裝葉型探針前后的性能變化。

為進一步探索軸流壓氣機試驗過程中探針支桿擾流對下游流場的影響，本文以某壓氣機試驗所用圓柱狀方向探針為研究對象，開展了探針支桿尾部結構橢圓狀修型，采用數(shù)值模擬與試驗研究相結合的方法分析了探針支桿尾跡特性對壓氣機葉柵性能的影響。

2 數(shù)值分析

該圓柱狀方向探針的支桿為?10 mm 的圓柱。以探針支桿為原型對其尾部結構進行橢圓化修型，見圖1。根據(jù)不同橢圓長短半軸比(ER=LR/SR)設計了9 組對比方案，分別為ER=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0。對上述各方案建立二維計算域，計算域進口距修型支桿中心200 mm，距出口邊界500 mm，整個計算域寬300 mm(參考葉柵試驗段)。對整個計算域采用ANSYS ICEM軟件進行結構化網(wǎng)格劃分；數(shù)值計算采用ANSYS FLUENT商業(yè)流體計算軟件中基于壓力定常耦合求解器；湍流模型選擇Spalart-Allmaras模型。進口邊界按標準大氣條件給定總壓、總溫，出口設置平均靜壓，上下端壁及支桿表面等固壁面則采用固體無滑移壁面邊界。

圖1 修型支桿橫截面示意圖Fig.1 Sketch of the probe support

圖2示出了所有計算狀態(tài)下整個計算域相對總壓損失隨進口馬赫數(shù)(Ma1)和ER的變化云圖。相對總壓損失定義為δr=δe/δc，其中δ=下標c、e 分別表示圓柱支桿和修型支桿，下標1、2 分別表示進、出口截面。由圖可看出，修型支桿所產(chǎn)生的相對總壓損失隨著ER的增大而逐漸減小。當Ma1≤0.50 時，支桿尾部修型后流場相對總壓損失隨著ER的增大而急劇減小；當ER=5.0 時，與圓柱支桿(ER=1.0)相比，修型后流場總壓損失最大下降了約44%。當Ma1＞0.50時，修型后流場相對總壓損失隨著ER的增大而緩慢降低。

圖2 探針支桿相對總壓損失隨進口馬赫數(shù)和ER 的變化Fig.2 The contour map of relative total pressure loss of probe support with inlet Mach number and ER

圖3、圖4分別列出了圓柱支桿、修型支桿(ER=3.0)在Ma1=0.50、0.75 時流場總壓損失分布云圖。當Ma1=0.50 時，圓柱支桿駐點偏移近90°位置點處發(fā)生了固壁面附面層分離，并向下游逐步形成大分離、高強度尾跡區(qū)；對圓柱支桿橢圓修型可以減小圓柱支桿分離點附近的逆壓梯度，將附面層分離點位置向下游推移，減小附面層分離形成的尾跡區(qū)，從而使支桿尾跡寬度明顯變窄，降低了支桿的尾跡損失。當Ma1=0.75時，圓柱支桿橢圓修型后未能有效大幅降低尾跡損失，此時在支桿駐點偏移90°位置點附近存在超聲速區(qū)域(圖5)，產(chǎn)生激波-附面層干涉，誘發(fā)支桿表面附面層分離，從而導致支桿尾部修型后未能將分離點位置向下游推移，不能顯著降低整個支桿的尾跡損失。

圖3 Ma1=0.50時流場總壓損失分布Fig.3 The contour map of total pressure loss when Ma1=0.50

圖4 Ma1=0.75時流場總壓損失分布Fig.4 The contour map of total pressure loss when Ma1=0.75

3 試驗方案

3.1 試驗件

根據(jù)上述計算結果設計了三種探針支桿結構，分別為圓柱支桿(ER=1.0)、修型支桿1(ER=2.0)和修型支桿2(ER=3.0)。選用某軸流壓氣機靜葉根部截面前加載葉型進行平面葉柵試驗件設計，主要設計參數(shù)見表1。為研究探針支桿擾流對下游葉柵氣動性能的影響規(guī)律，在柵前對應葉柵中間兩個柵距范圍內開設5個安裝孔，位置編號分別為P1、P2、P3、P4、P5；每個位置沿氣流方向對應一個柵距內位置，由壓力面至吸力面分別為40%、0%、60%、20%、80%，見圖6。

圖5 Ma1=0.75時流場馬赫數(shù)等值線分布Fig.5 The Mach number contour line when Ma1=0.75

表1 葉柵試驗件主要設計參數(shù)Table 1 The main design parameters of the cascade test rig

3.2 試驗裝置

在某超跨聲速平面葉柵試驗器上開展葉柵吹風試驗。該試驗器為暫沖式超跨聲速平面葉柵風洞，主要由閘閥、快速閥、調壓閥、穩(wěn)壓段、噴管段、試驗段、收集器、坐標架、引射器、抽氣裝置和尾板等組成。試驗段橫截面尺寸為300 mm(高)×160 mm(寬)，穩(wěn)定工作時間大于4 min，壓力波動不大于0.3%。

3.3 數(shù)據(jù)測試方法

圖6 葉柵試驗件及探針支桿安裝位置示意圖Fig.6 Schematic illustration of cascade test rig and probe support

試驗測試系統(tǒng)主要由PSI9816 電子壓力掃描閥、VXI數(shù)采系統(tǒng)、數(shù)采計算機等組成。在試驗器穩(wěn)壓段內測量葉柵進口總壓與總溫，在柵前圓盤壁面測壓孔上測量葉柵進口靜壓，在噴管出口側壁測壓孔上測量噴管出口靜壓，在葉柵出口距離葉片尾部0.45倍柵距處采用三孔楔形壓力探針測量葉柵出口連續(xù)4個柵距內的總壓。選擇中間通道兩個葉片作為測壓葉片，分別在葉片葉盆與葉背表面開設15個壁面靜壓孔測量葉片表面靜壓。同時，采用油流法對葉片表面及柵板端壁的表面流線軌跡進行可視化顯示。試驗測量參數(shù)布局位置示意見圖7。

圖7 試驗測量參數(shù)布局位置示意圖Fig.7 Sketch of experimental measurement positions

4 試驗結果分析

為分析探針支桿擾流對葉柵氣動性能的影響，首先開展圓柱支桿周向安裝位置對葉柵性能影響的吹風試驗，以確定不同安裝位置支桿擾流對葉柵性能的影響；然后根據(jù)試驗結果確定支桿擾流影響最大和最小的安裝位置，開展探針支桿尾部修型對葉型性能影響的吹風試驗，分析探針擾流對壓氣機平面葉柵氣動性能的影響。

4.1 無支桿葉柵試驗結果分析

圖8為無支桿葉柵不同進口馬赫數(shù)下出口總壓損失分布和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布。圖中，隨進口馬赫數(shù)的增大，葉柵出口尾跡深度加深、寬度增大，并由吸力面向壓力面方向擴張。Ma1=0.87 時，出口尾跡最大總壓損失達1.2。Ma1=0.75時葉片吸力面附面層未發(fā)生分離，而Ma1增大至0.80 以后吸力面在葉片弦長37%位置處發(fā)生了氣流分離。圖9為Ma1=0.87時無支桿葉柵吸力面油流分布，從中也可清晰看到葉片吸力面發(fā)生了嚴重的氣流分離。

圖8 無支桿葉柵出口總壓損失和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.8 Distribution of total pressure loss at outlet and surface isentropic Mach number of the cascade without probe support

圖9 Ma1=0.87無支桿葉柵葉片吸力面油流圖像Fig.9 The oil flow image on suction surface of the cascade without probe when Ma1=0.87

4.2 支桿周向安裝位置對葉柵氣動性能的影響

表2列出了不同位置安裝圓柱支桿后葉柵的總壓損失。可見，與無支桿葉柵相比，柵前安裝支桿導致葉柵總壓損失系數(shù)顯著增大。所有進口馬赫數(shù)條件下，當支桿安裝于葉片中部區(qū)域(P3位置)時，葉柵總壓損失相對較小；而當支桿安裝于葉片前緣區(qū)域(P2或P4位置)時，葉柵總壓損失相對較大。這表明在葉柵上游存在支桿擾流影響最小的安裝位置。

表2 不同位置安裝圓柱支桿后葉柵的總壓損失Table 2 The total pressure loss of cascade with cylindrical probe support installed at different positions

圖10 給 出 了Ma1=0.87 時P2 與P3 位置安裝支桿后葉柵出口總壓損失分布和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布。對比圖8 中尾跡可看出，安裝支桿后A、D 葉片尾跡強度明顯低于無支桿葉柵的。這是由于該試驗中采用進口總壓作為試驗狀態(tài)調節(jié)參數(shù)，受支桿對流道的堵塞效應影響，導致安裝支桿后葉柵進口真實馬赫數(shù)低于無支桿葉柵，從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。在后續(xù)試驗中采用噴管出口等熵馬赫數(shù)作為狀態(tài)調節(jié)參數(shù)解決此問題。由于P2位置位于B葉片前緣，支桿尾跡直接沖擊B 葉片，并在葉片前緣分別順葉片兩面流入BC、AB兩個葉片通道，導致兩個葉片通道的尾跡分布受到影響。其中流入BC 葉片通道的尾跡低能流體誘發(fā)C葉片吸力面附面層提前在26%弦長處發(fā)生分離，使C葉片尾跡損失增大。由于P3位置位于BC葉片通道中間，支桿尾跡大部分流入該通道，使得C 葉片表面流動進一步惡化，導致BC 葉片通道主流區(qū)充滿低能流體，使整個BC葉片通道出口形成一個大尺度尾跡區(qū)，但由于支桿尾跡主要進入BC葉片通道，使得B葉片尾跡損失大幅減小。與P2位置相比，受支桿尾跡的影響，P3位置時BC葉片通道的氣動負荷明顯進一步減小。

圖11示出了設計狀態(tài)下P2和P3位置的葉片吸力面油流分布。當支桿位于P2位置時，B葉片吸力面幾乎被油流完全覆蓋，C 葉片明顯比其他葉片提前發(fā)生了氣流分離。當支桿位于P3位置時，B葉片吸力面與A、D 葉片的油流分布基本相同，表明B 葉片吸力面尾跡受支桿尾跡影響較小；而C 葉片在葉片前緣附近弦長不到10%區(qū)域即發(fā)生了氣流分離，其余部分完全被油流所覆蓋。

4.3 支桿尾部修型對葉柵氣動性能的影響

表3為不同修型方案下葉柵出口總壓損失系數(shù)試驗結果。可看出，不同馬赫數(shù)下，安裝在葉片前緣(P2位置)的探針支桿的葉柵總壓損失均大于安裝在葉片通道中間(P3 位置)的，這與前述試驗結果相吻合。Ma1=0.50 時，與圓柱支桿相比，支桿尾部修型可大幅降低葉柵總壓損失，且隨著ER的增大該損失進一步降低。這表明隨著ER的增大，修型支桿可有效降低支桿尾跡對下游葉柵的干擾。與在葉片前緣和葉片通道中間安裝圓柱支桿相比，安裝ER=3.0 的修型支桿的葉柵總壓損失分別降低了約60%和40%。Ma1=0.87 時，與圓柱支桿相比，修型支桿未有效降低葉柵總壓損失。綜上可知，上游探針支桿尾跡與下游葉柵擴壓流動間存在強烈的氣動耦合效應，進口馬赫數(shù)、周向安裝位置與支桿尾部結構等均直接影響探針尾跡對下游葉柵的擾流強度。

圖10 Ma1=0.87葉柵出口總壓損失和葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.10 Distribution of total pressure loss at outlet and surface isentropic Mach number of the cascade with probe when Ma1=0.87

圖11 探針不同安裝位置下的葉片吸力面油流分布Fig.11 The oil flow images on cascade suction surface with probe support installed at different positions

表3 不同修型方案的葉柵總壓損失系數(shù)Table 3 Total pressure loss coefficient of cascade of different reconstruction schemes

圖12為Ma1=0.50安裝不同探針支桿時葉片表面的等熵馬赫數(shù)分布。當支桿安裝在葉片前緣時，壓力面測壓葉片表面等熵馬赫數(shù)明顯增大，表明此時葉片表面靜壓大幅降低。同時，在支桿尾跡低能流體擠壓和摻混作用下，BC葉片通道有效流通面積減小，使得靠近吸力面測壓葉片的葉背局部氣流馬赫數(shù)增大。當安裝修型支桿后，隨著ER的增大，支桿擾流對壓力面測壓葉片的影響減弱，使測壓通道壓力面等熵馬赫數(shù)逐漸減小，BC葉片通道有效流通面積增大，吸力面等熵馬赫數(shù)有所下降。當支桿安裝在葉片通道中間位置時，壓力面測壓葉片表面等熵馬赫數(shù)略有增大，吸力面測壓葉片等熵馬赫數(shù)大幅減小，整個測壓葉片通道擴壓能力大幅下降。此時對支桿尾部結構進行修型，減小了支桿擾流作用，使吸力面與壓力面的等熵馬赫數(shù)分別增大和減小，整個測壓葉片通道的減速擴壓能力得到一定改善，氣動負荷有所提升。

圖13為Ma1=0.87安裝不同探針支桿時葉片表面的等熵馬赫數(shù)分布。當支桿安裝在葉片前緣時，壓力面測壓葉片前緣等熵馬赫數(shù)下降，中后段等熵馬赫數(shù)則不斷升高；吸力面測壓葉片前緣膨脹加速略有提前，峰值馬赫數(shù)略有增大，表面附面層分離位置有所提前，且分離后表面等熵馬赫數(shù)增大。當支桿安裝在葉片通道中間時，壓力面測壓葉片等熵馬赫數(shù)基本保持不變，吸力面測壓葉片等熵馬赫數(shù)則沿弦向緩慢降低。對比無支桿吸力面測壓葉片等熵馬赫數(shù)分布可看到，安裝支桿后原有的葉片前緣加速及激波系結構遭到嚴重破壞，這表明測壓葉片通道原有擴壓能力顯著降低，葉片氣動負荷大幅下降。對比尾部橢圓修型探針支桿對測壓葉片表面等熵馬赫數(shù)分布可知，此時隨著ER的增大，測壓葉片表面等熵馬赫數(shù)分布規(guī)律基本無變化。

圖12 不同探針支桿葉片表面等熵馬赫數(shù)分布(Ma1=0.50)Fig.12 The surface isentropic Mach number distribution of cascade installed different probes when Ma1=0.50

圖13 不同探針支桿葉片表面等熵馬赫數(shù)分布(Ma1=0.87)Fig.13 The surface isentropic Mach number distribution of cascade installed different probes when Ma1=0.87

圖14為Ma1=0.50時探針支桿對葉柵出口總壓損失分布的影響。當探針支桿安裝于葉片前緣(P2位置)時，相比圓柱支桿，修型支桿能降低下游B 葉片出口尾跡損失。對比ER=2.0 和ER=3.0 兩支桿的擾流作用發(fā)現(xiàn)，當ER增大后，雖然B葉片吸力面出口總壓損失明顯降低，但B 葉片壓力面出口總壓損失略有增大。這是因為隨著ER的增大，減小了修型支桿尾跡強度，削弱了影響B(tài) 葉片吸力面附面層分離的能力，從而大幅減小了B 葉片吸力面尾跡損失；同時，隨著ER的增大，減小了修型支桿沖擊B葉片壓力面的低能流體，使B 葉片壓力面氣流流速增大，導致其出口總壓損失略有增大。當探針支桿安裝于葉片通道中間(P3 位置)時，探針支桿尾部結構對下游葉柵對應通道的尾跡分布具有明顯影響。相比圓柱支桿，修型支桿減弱了對BC葉片通道的流場擾動，使葉柵流動損失大幅降低，同時也削弱了對相鄰兩側通道流場的負面影響。且隨著ER的增大，探針支桿擾流作用受到更強的抑制。綜上可知，在Ma1=0.50 時支桿尾部結構橢圓修型能在一定程度上抑制支桿尾跡損失，減小對下游葉柵流場的擾流影響，這與數(shù)值模擬結果一致。

圖14 不同探針支桿對葉柵出口總壓損失分布的影響(Ma1=0.50)Fig.14 The total pressure loss distribution at cascade outlet with different probes when Ma1=0.50

圖15為Ma1=0.87時探針支桿對葉柵出口總壓損失分布的影響。對比不同探針支桿尾部結構對應的葉柵出口流場，上游探針支桿無論是正對葉片通道中間還是正對葉片前緣，葉柵出口尾跡分布規(guī)律均非常接近。這表明在Ma1=0.87 時改變探針支桿尾部結構無法有效抑制支桿尾跡擾流強度，這與之前葉柵出口總壓損失試驗及數(shù)值模擬結論一致。

圖15 不同探針支桿對葉柵出口總壓損失分布的影響(Ma1=0.87)Fig.15 The total pressure loss distribution at cascade outlet with different probes when Ma1=0.87

圖16 為Ma1=0.50、0.87 時探針支桿安裝在P3位置時葉片吸力面油流分布。Ma1=0.50時，在圓柱支桿擾流作用下C 葉片吸力面氣動負荷降低，導致其吸力面角區(qū)分離明顯減小，其油流痕跡與其他三個葉片明顯不同；在ER=3.0支桿擾流作用下，由于支桿尾跡強度減弱，C 葉片吸力面氣動負荷相比圓柱支桿增加，導致C葉片端區(qū)角渦分離尺度變大，其吸力面油流痕跡與其他三個葉片已非常相似，進一步表明ER=3.0支桿對葉柵流場的擾流影響作用非常小。Ma1=0.87時，支桿擾流尾跡誘發(fā)C葉片吸力面提前發(fā)生氣流分離，從油流痕跡上可明顯看到與其他葉片的差異；圓柱支桿與修型支桿擾流對C 葉片吸力面油流痕跡的影響基本一致，表明此時支桿尾部結構修型對改善支桿擾流影響幾乎無作用。

圖16 探針支桿對葉片吸力面油流分布的影響Fig.16 The oil flow image on cascade suction surface with different probe

5 結論

圍繞軸流壓氣機性能試驗領域存在的插入式測試探針對內流場的擾動問題，以圓柱狀方向探針為研究對象，數(shù)值模擬分析了探針尾部結構橢圓修型對探針支桿尾跡抑制作用的影響，并在跨聲速葉柵試驗器上開展了圓柱支桿與橢圓修型支桿對下游壓氣機平面葉柵氣動性能影響的對比試驗研究，分析了不同條件下支桿尾部結構變化對下游葉柵流場的影響。主要得出以下結論：

(1)探針支桿擾流會導致下游葉柵總壓損失增大，使對應葉片的尾跡損失急劇增大和常規(guī)葉片通道的減速擴壓作用急劇惡化。相比于其他安裝位置，探針安裝在葉片通道中部對下游葉柵氣動性能的影響較小。

(2)當進口馬赫數(shù)為0.50 時，圓柱探針支桿尾部橢圓修型可減小支桿后半部分表面逆壓梯度，延緩支桿表面附面層氣流分離以大幅降低尾跡強度，從而減小尾跡對下游葉柵流場的干擾。

(3)當進口馬赫數(shù)為0.87 時，支桿表面出現(xiàn)激波與附面層相干涉，導致支桿表面附面層發(fā)生分離，此時進行支桿尾部橢圓修型不能有效降低支桿尾跡強度，無法減小支桿尾跡對下游葉柵流場的干擾。