变几何涡轮动叶栅流场的PIV实验研究

马 超， 臧述升， 黄名海

（上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240）

早在20世纪50年代，西方先进国家就开始了变几何涡轮技术可行性的理论研究和实验研究.目前对变几何涡轮技术的研究与应用均采取变导叶转角（VAN）技术方案.该变几何涡轮技术的应用十分广泛，已经在航空、船舶及汽车等行业得到了发展，因此对变几何涡轮技术进行深入研究非常有必要.研究者对变几何涡轮技术已进行了大量的研究，取得了丰硕的成果［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热线风速仪、三孔/五孔探针等传统的气动测试手段，对于准确全面地把握叶栅流道中流动，特别是旋转动叶叶栅流道中流动的完整细节有所欠缺.笔者利用二维粒子成像测速（PIV）技术［7］，以干冰颗粒作为示踪粒子，对某变几何涡轮级的动叶叶栅流道及其下游区域的流场在不同导叶安装角工况下进行了可视化研究，通过测量结果总结不同区域流场速度及气流角随导叶安装角改变的变化规律以及涡量场的变化规律.研究结果为进一步深入理解变几何涡轮内部的复杂流动现象提供参考.

1 实验装置及研究方法

1.1 实验装置

实验在上海交通大学叶轮机械实验室变几何涡轮气动实验台上进行.实验系统如图1所示，主要由风源、稳压箱、叶栅实验段与测功器组成.风源的主要设备包括离心式压气机、电动机和变速箱.

图1 实验系统布置图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

本实验的叶栅实验段包括一个涡轮级叶栅，其中导叶部分包括10片可调导叶叶片，其最大可调转角在±10°范围内，动叶部分包括全周完整的76片动叶，由测功器控制其转速，其中导叶为直叶片，动叶为扭转角23.6°的扭叶片，涡轮级具体尺寸如图2所示.

图2 变几何涡轮尺寸图Fig.2 Structural diagram of the variable geometry turbine

1.2 实验方法

利用PIV技术对高速旋转的动叶叶栅内部的复杂流场进行可视化研究和分析，采用丹麦Dantec公司生产的PIV系统，其中激光片光源系统以双谐振脉冲式Nd：YAG激光器为光源，工作频率为15 Hz，每个脉冲能量为250 MJ，输出激光波长为532 nm（绿光）.图像拍摄系统采用分辨率为4 000×2 672像素的CCD相机.实验采用干冰作为示踪粒子，Love等［8］对使用干冰粒子作为PIV示踪粒子的方法和其准确性进行过详尽研究.叶栅实验段出口是用有机玻璃做成的透明管道，方便激光射入叶栅流道.实验时片光源处于动叶下游中间叶高位置，片光源沿动叶出口的逆方向射入，在动叶叶栅的上方开有可视化窗口，CCD相机垂直片光源平面进行拍摄（见图3）.

图3 PIV拍摄方法示意图Fig.3 Schematic diagram of the PIV shooting method

在对动叶叶栅流场进行PIV拍摄时使用外触发模式，需要在待测的动叶叶栅位置安装光电触发器.当待测叶栅到达所需测量位置前，光电触发器给PIV同步控制器一个电信号，通过同步控制器控制激光器与CCD相机的协同工作，确保对待测的动叶叶栅流道所需测量区域进行测量.

在实验过程中仅调整导叶转角，考察导叶转角对动叶叶栅流道及其下游区域流动的影响.实验在来流压气机转速及试验涡轮转速均不变的情况下进行，其中涡轮转速为1 380 r/min，排气经试验段出口管道（0.4 m长的扇形通道）进入大气.实验工况参数见表1.

表1 实验工况Tab.1 Testing conditions

2 实验结果与分析

图4给出了测功器测出的不同导叶转角下叶轮输出功率的对比.由图4可知，叶轮输出功率随着导叶转角的变化呈现单调变化特性，导叶转角从6°转到－6°过程中，叶轮输出功率从3.09 k W增加到4.39 k W，输出功率增加了近42%，且在该过程中近似呈线性增加.由表1可知，随着导叶转角的变化，实验段进口总压也同样表现出单调变化的特性.

图4 不同导叶转角下输出功率的比较Fig.4 Comparison of output power at different guide vane angles

为了充分掌握导叶转角改变对涡轮动叶叶栅流动的影响，进一步分析导叶转角改变对涡轮整体性能的影响，对不同转角工况下的动叶叶栅流道及其下游区域进行PIV实验.PIV测量获得的实验数据是叶栅流道中截面的瞬时速度矢量，由于流场是随时间脉动的，而实际人们在分析流动性能时更关心的是大量瞬时流场的平均值.因此，在实验中对待测叶栅进行了大量的拍摄，并对结果进行平均，从而得到该叶栅流道流动的平均流场信息.以下均以此平均流场进行分析.由表1和图4可知，涡轮性能随着导叶转角的改变呈现单调变化特性，PIV拍摄结果也同样如此，为了更清晰地反映导叶转角变化对涡轮动叶叶栅流动的影响，选取导叶转角在＋6°、0°和－6°3个工况下进行对比分析.

首先对以上3个工况下叶轮流道的速度场进行分析.图5给出了不同工况下涡轮动叶叶栅流道及其下游区域的绝对速度分布.由图5可见，叶轮出口附近及其下游区域的气流速度随着导叶转角向小开度方向调整而逐渐增大，且在叶轮出口附近速度明显增大，这是因为该位置处于喉口位置，气流在该区域得到了明显的膨胀加速.在动叶叶栅流道内部随着导叶转角偏向小开度，该区域气流速度增大更加明显，表明上游导叶转角的改变对于动叶叶栅流道内部气流的影响明显大于叶栅尾部及其下游区域.在来流流量基本不变的情况下，导叶转角偏向小开度调整，导叶出口及动叶进口气流速度不断增大，且动叶进口气流冲角增大，导致气流在动叶通道内的折转角增大，最终使得图4中叶轮输出功率不断增大.

图5 不同导叶转角下绝对速度分布图Fig.5 Absolute velocity contour at different guide vane angles

图6为不同导叶转角工况下涡轮动叶流道出口截面上气流速度的对比，该出口截面位置即图7中line1位置，其横坐标y/t为图7中y方向的相对位置，其极值在图7中标注，t的绝对值约为1.5倍栅距.叶栅中流体轴向速度（U）和圆周速度（V）的正方向也示于图7.由图6可知，随着导叶转角向小开度方向调整，动叶出口截面的轴向速度和圆周速度均明显增大，与之相对应的出口截面绝对速度也明显增大，其最大速度均出现在相对长度0.5附近（即流道出口中间位置），当导叶转角从6°转到－6°过程中，动叶出口截面最大速度从36 m/s增大到40 m/s，增加了11%.动叶叶栅出口截面的气流角度也随着导叶转角的变小而单调变大，但变化程度相对较小.由此可知，导叶转角对动叶出口附近气流速度具有较明显的影响，而对速度方向的影响相对较小.

图8为不同导叶转角工况下动叶中间弦长附近截面速度的对比，图中的轴向速度、圆周速度和绝对速度数据对应于图7中line2从下向上取点的数据（其他规定与图6相同）.图8中速度为0的曲线段对应于由于叶片遮挡激光无法到达的拍摄盲区.由于该盲区内的速度值均为0，因此该区域内所对应的气流角度是没有意义的，图8中气流角度的数据仅对应于图7中line3所对应的数据.由图8可见，随着导叶转角向小开度方向调整，叶轮流道内部气流速度的大小和角度基本呈现单调变化的特性，其中最大速度均出现在叶轮流道中间部位（图中相对长度0.2和0.8的位置），导叶转角从＋6°转到－6°的过程中，最大绝对速度从32 m/s增大到45 m/s，增加了约40.6%.

图6 动叶出口截面速度的比较Fig.6 Comparison of outlet velocity at different guide vane angles

图7 数据点位置示意图Fig.7 Location of data points

图8 中间弦长附近截面速度的比较Fig.8 Comparison of middle section velocity at different guide vane angles

下面对变几何涡轮动叶叶栅流道及其下游区域涡量场进行分析.在不同导叶转角工况下，叶栅流道内部及其下游区域涡量分布图的规律近似，如图9所示，但分布区域的大小有所不同.二维涡量的ωvor定义由下式给出［9］：

二维涡量遵循右手法则，正值代表气流正旋，方向为垂直纸面向外，负值代表反旋，方向为垂直纸面向里.为了对叶栅流道的涡量分布现象进行阐述，首先以图9中－6°转角的云图为例进行分析.由图9可见，叶轮流道内的高涡量区域主要分布在动叶壁面附近且正漩涡和反漩涡成对出现，为叙述方便将叶轮流道靠近吸力面位置从叶片前缘到尾缘位置分成A、B和C 3个区域，将叶片压力面从叶片前缘到尾缘位置分成D、E和F 3个区域，将叶片尾缘下游分为G和H 2个区域.由图9可见，在叶片吸力面A区域内，气流首先形成比较强的反漩涡，随着流动的进行这种反漩涡逐渐减弱并形成一个比较明显的低涡量区域（B区域）.气流沿叶片吸力面附近继续流动到达C区域时，气流涡量逐渐增大并形成比较明显的正涡量分布，这种正涡量气流分布在叶片下游区域一直存在并构成叶片尾缘涡的一部分（G区域）向下游传播.叶片压力面附近的涡量分布则表现出与吸力面完全相反的规律，首先在D区域形成明显的正漩涡，这种正漩涡占据了大约70%的吸力面位置，随后气流的涡量逐渐减弱并形成一个比较小的低涡量区域（E区域），之后在靠近叶片尾缘附近形成比较明显的反漩涡（F区域），这种反漩涡一直向下游传播（如H区域所示），并与G区域的正漩涡一起构成了动叶叶片的尾迹.所得结果与Soranna等［10］利用PIV技术得到的动叶尾迹涡量场分布极为相似.

如图9所示，随着导叶转角向小开度方向调整，叶轮流道内部的正漩涡和反漩涡区域均有所增大，低漩涡区域相应减小，表明上游导叶转角对叶轮流道内部的流动损失有明显影响，导叶转角变小，叶轮流道内部流动损失增加.观察叶片尾迹同样可以发现，导叶转角变小后叶轮尾迹所对应的涡量分布更加明显，尾迹损失有所增加.

图9 不同导叶转角下涡量分布图Fig.9 Vorticity contour at different guide vane angles

3 结 论

（1）PIV技术可以有效获得变几何涡轮动叶叶栅及其下游区域的速度场和涡量场分布，实验结果可以为研究变几何涡轮内部的复杂流动提供参考.

（2）导叶转角从＋6°向－6°旋转过程中，涡轮动叶叶栅流道出口及其下游区域气流绝对速度增大，出口截面最大速度增加约11%，但对该区域气流角度的影响相对较小.

（3）导叶转角从＋6°向－6°旋转过程中，涡轮动叶叶栅流道内部气流速度明显增大，最大绝对速度增加约40.6%，对气流角的影响也比较明显.变几何导叶的调整对动叶叶栅流道内部气流的影响大于对叶栅出口及其下游区域的影响.

（4）随着导叶转角向小开度方向调整，动叶叶栅流道内部气流角和速度均不断增大，最终导致叶栅输出功率不断增大，但流道内部及尾缘下游区域气流涡量增加，动叶流动损失会有所增大.

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