带有自发射流的涡轮叶顶间隙流场PIV测量

胡建军，张 铎，李志显，马 龙，孔祥东

(1．燕山大学 机械工程学院，河北秦皇岛 066004；2．燕山大学 建筑工程与力学学院，河北秦皇岛 066004)



带有自发射流的涡轮叶顶间隙流场PIV测量

胡建军1,2，张 铎2，李志显2，马 龙2，孔祥东1

(1．燕山大学 机械工程学院，河北秦皇岛 066004；2．燕山大学 建筑工程与力学学院，河北秦皇岛 066004)

为了探究叶尖射流对涡轮叶栅流场特性的影响，搭建了一个小尺度低速叶栅风洞实验台，利用粒子成像测速(PIV)技术对带有自发射流的涡轮叶顶间隙流场进行了直接测量，获得了低雷诺数(Re=6.46×103～3.23×104)下射流孔附近的流动图像及速度测量结果，展示了叶顶间隙内层流和紊流2种流态下自发射流与泄漏流的相互作用过程，揭示了低雷诺数工况下(涵盖层流到紊流的转捩)叶尖射流抑制泄漏流的作用机理及影响因素，并对叶尖射流尾迹中出现的类卡门涡街的涡分布现象进行了探讨.结果表明：叶尖射流的引入在泄漏流抑制方面取得一定收益，但同时也进一步加剧了叶顶间隙流动的复杂性.

叶顶间隙； 泄漏流； 叶尖射流； PIV； 流场

叶顶间隙的存在导致叶尖泄漏，泄漏流不仅造成做功工质泄漏，同时还对叶栅流场特性产生重要影响，诱发额外的流动损失.研究表明，对于低展弦比叶栅，叶顶间隙泄漏损失占涡轮总流动损失的1/3，涡轮叶顶间隙每增加1%，效率约降低1.5%，而耗油率约升高3%[1-2].因此，发展叶尖泄漏控制技术对提高叶轮机械性能具有十分重要的意义.

目前，减小叶尖泄漏一般通过减小叶顶间隙或改变叶尖结构来实现，如采用叶尖凹槽、压力面肋条、吸力面肋条及叶尖襟翼等[3-5].美国学者Auxier[6]提出利用压力面与叶顶间隙的自然压差，形成一股自发射流从叶尖逆泄漏流射出，以实现对泄漏流的控制.Hamik等[7]基于上述原理，提出一种具体的开孔方案，并用一个简化模型对其进行了初步理论分析.曹传军等[8]提出一种被动式逆向涡流发生器，可用于毫米尺度涡轮叶尖泄漏流控制，并用数值模拟手段对其进行了分析.笔者将叶尖自发射流(以下简称叶尖射流)应用于常规尺度涡轮叶尖泄漏流控制，并开展了前期数值计算[9-10].

目前，运用粒子成像测速(PIV)技术对涡轮叶栅流场进行测量的研究已经比较多见[11-13]，但利用PIV技术对存在叶尖射流的涡轮叶顶间隙流场进行测量的研究还未见报道.

由于笔者研究的原始对象为航空低压涡轮，在高空巡航状态，低压涡轮叶片的工作雷诺数可低至3×104，特别是低压涡轮出口级的雷诺数可能还要低一些[14].因而，笔者运用PIV技术对低雷诺数(6.46×103～3.23×104)工况下带有叶尖射流的叶顶间隙流场进行了实验测量，基于实验结果，分析了层流和紊流2种流态下叶尖射流与泄漏流的相互作用特性及泄漏抑制机制，为该方法应用于实际叶栅提供了理论基础，同时对主动喷气式叶尖泄漏控制设计也具有参考意义[15].

1 实验装置

1.1 低速叶栅风洞实验台

为了测量带有叶尖射流的叶顶间隙流场，搭建了低速叶栅风洞实验台，如图1所示.风洞实验台系统包括低噪离心风机、变频调速器(DELIXI 最大输出功率为0.75 kW，频率调节范围为0～50 Hz，精度为0.01 Hz)、油雾示踪粒子发生器(Safex-Nebelgerät 195 FW)、示踪粒子容腔、静压箱、风洞主体(进口断面尺寸为120 mm×105 mm，进口段设置整流格栅)和连接软管等.

图1 低速叶栅风洞实验台Fig.1 Low-speed wind tunnel test rig

风洞实验台采用风机前置的方案，在这种布置方案下，易对风洞的出口流速进行测量，而出口流速可以表征风洞流速水平.采用热球风速仪(分辨率为0.01 m/s)对风洞出口中心流速进行测量，通过变频调速器控制风机转速来达到预期的出口流速.风洞主体和示踪粒子容腔由透明有机玻璃板加工而成，带有叶尖射流的直列叶栅用铝合金通过线切割的方式加工而成，如图2所示，该叶栅以Durham直列叶栅为原型[16]，经过等比例放缩得到，详细的叶栅参数见表1.

图2 带有叶尖射流的直列叶栅Fig.2 Linear cascade with spontaneous tip injection

表1 叶栅主要参数Tab.1 Cascade parameters

由于笔者已经在文献[10]中探讨过动叶与机匣相对运动对自发射流抑制叶尖泄漏有效性的影响，流动机理分析和数值计算结果均表明，考虑端壁运动后，该方法仍是有效的，且对叶尖泄漏抑制还能起到一定的强化和放大作用.因此，本文的实验测量是在叶栅静止工况下进行的.

1.2 2D-PIV系统

所使用的2D-PIV系统由单个CCD照相机、激光片光源系统、信号同步器以及Dynamic Studio V2.3软件构成.其中，CCD照相机、信号同步器及Dynamic Studio V2.3软件系统均由丹麦的DANTEC公司生产和开发.CCD照相机分辨率为1 600像素×1 200像素，相机前配有标准60 mm光学镜头(Nikon Nikkor 60 mm f/12.8D)和滤片.激光片光由Beamtech公司生产的双谐振脉冲Nd:YAG固体激光器产生，激光器输出激光波长为532 nm的绿光，双帧模式下的最大触发频率为15 Hz，单个脉冲最大能量为120 mJ，脉冲光采用Q-switch触发方式获得，脉冲宽度为6～8 ns，跨帧时间可达微秒级，具体数值需根据实验工况调定，最窄光腰厚度约为1 mm.信号同步器用于控制CCD照相机和激光片光源的触发延迟.Dynamic Studio V2.3软件系统用于控制、监视整个数据采集过程和设置采集参数，并对原始粒子图像进行结果后处理.2D-PIV系统的测量误差约为1%.

2 2D-PIV系统调试

在实施PIV测量之前，需要对PIV光路系统的布置及标定、跨帧时间选择、示踪粒子选择和布撒进行精细考虑.

PIV光路系统布置的实质是要解决预期测量平面与片光遮挡之间的矛盾.在测量区域确定之后，需要对2D-PIV系统进行标定以建立起相机像素与实际照相区域的联系，由于本次实验为二维PIV测量，因此采用刻度尺进行标定.

跨帧时间(又称双曝光时间)的设置既与流场速度有关，又与查问区域有关，一般要求前后2次曝光图像中示踪粒子的位移为查问区域(32像素×32像素)边长的1/2～1/3.根据文献[17]中的跨帧时间确定方法，结合实验探索，当风洞出口中心流速分别为1 m/s、3 m/s和5 m/s，跨帧时间分别为200 μs、65 μs和40 μs时可取得较好的流场测量效果.

实验采用的示踪粒子由Safex-Nebelgerät 195 FW型油雾示踪粒子发生器产生，油雾粒径在2 μm左右，粒子发生能力为600 m3/min，远远超出实验需求，因此采用脉冲发烟的方式，通过设置示踪粒子容腔，让粒子先进入示踪粒子容腔稀释，然后再由风机均匀吸入，该方法可以达到令人满意的粒子布撒效果.

此外，为了减少实验中有机玻璃板和金属叶片的反射、散射对测量的干扰，考察位置附近的表面均贴有黑纸，金属叶片表面用墨汁涂黑处理.

3 PIV测量结果分析与讨论

笔者主要测量了射流孔附近水平剖面(测量平面1，即图3中矩形方框区域，实际测量面积为34.2 mm×25.6 mm)和垂直剖面(测量平面2，剖切位置为射流孔中心线，在图3中该平面投影为一条直线，实际测量面积为56.4 mm×42.4 mm)的流场.

图3 风洞几何参数及测量平面位置示意图Fig.3 Schematic of the wind tunnel and position of the measurement planes

采用DANTEC公司开发的自适应关联算法对原始双曝光粒子图像进行数据处理，该算法与经典互相关算法相比，其处理结果无效矢量更少(见图4).查问区域设置为32像素×32像素，重叠率为25%，触发频率取15 Hz，后面的测量结果均为50对原始图像处理后的统计平均结果，即反映的是时均流场.

图4 2种算法处理结果的比较Fig.4 Comparison of processing results between two algorithms

3.1 测量平面1的PIV流场测量

考虑到如果激光片光离叶尖表面太近会产生强烈的背景白噪声，因此通过精细的位置调整，最终使得片光中心距离叶尖约0.5 mm(片光厚度约为1 mm)，在此位置获得了有效的流场测量数据.图5为风洞出口中心流速为1 m/s、3 m/s和5 m/s(分别定义为工况1、工况2和工况3)时测量平面1的原始PIV粒子图像及对应的速度云图，其中X、Y为测量窗口的位置坐标，速度云图是将原始PIV测量数据经Tecplot软件处理后得到的.按此速度和轴向弦长计算得到的风洞雷诺数Re分别为6.46×103、1.94×104和3.23×104.

图5中3幅原始PIV粒子图像是在示踪粒子释放初期拍摄得到的，此时射流孔中的示踪粒子较少，被激光片光照亮程度较低，因此形成了叶尖射流与泄漏流显著的明暗对比，可以显示叶尖射流轨迹.对比3幅图像，可以观察到一个重要现象，即在所测流速范围内，恰好涵盖了间隙内流动从层流到紊流的转变.在工况1条件下，间隙内流动为层流，叶尖射流尾迹表现为平滑的直线，叶尖射流与泄漏流有着清晰的分界面；同时，可以在图5中清晰地识别出在吸力面(S.S.)侧叶尖泄漏流与通道主流相遇时形成的分离线(SL).

图5 测量平面1的PIV流场测量结果Fig.5 PIV measurement results on plane 1

当风洞出口中心流速超过3 m/s时，叶尖射流轨迹不再呈直线状态，叶尖射流与周围流体开始发生掺混，这意味着间隙内的流态已经变为紊流.有趣的是，在射流孔下游出现了类似卡门涡街的涡脱落现象，为了排除偶然性，从工况2和工况3的原始数据库中按时间序列再分别取出连续的3幅原始PIV粒子图像来考察上述观点，如图6所示.观察可知，图6中均显示有类似卡门涡街的涡脱落现象.结果表明，所研究的叶尖射流与泄漏流的相互作用属于圆柱射流与交叉横流的相互作用问题[18-19]，图6中类似卡门涡街的涡分布实际只反映了三维圆柱射流尾迹的一部分特征，这种涡被称为尾迹涡，并且认为这种涡只是外表上类似于卡门涡街，但从涡的生成机理上来讲与卡门涡街是完全不同的，这种涡的产生和形成并非来自于圆柱射流本身，而是来自于近壁边界层.

目前，学术界对于圆柱射流与交叉横流的相互作用规律并没有完全弄清，对于本文情形，这种相互作用发生在一个十分受限的空间而不是在被广泛研究的自由空间，其作用规律更是有待揭示，这个现象也说明叶尖射流的引入进一步加剧了叶顶间隙流动的复杂性.

工况1、工况2和工况3条件下间隙内最大流速分别为2.1 m/s、6.3 m/s和10.9 m/s，引入无量纲速度Vd，用于比较3种工况下叶尖射流的影响区域大小.Vd的定义如下：

(1)

式中：Vloc为当地流速，m/s；Vmax为同一张云图中的最大流速，m/s.

基于此定义，每一张速度云图中Vd的取值范围为0～1.由图5可知，随着风洞流速的提高，叶尖射流影响区域不断增大，从工况1到工况2这种现象非常明显，而从工况2到工况3则不够明显.比较发现，叶尖射流的阻塞效应并非随风洞流速单调变化，最大阻塞效应出现在工况2，Y方向的阻塞宽度为3.9 mm，约为射流孔直径的2倍；最小阻塞效应出现在工况1，Y方向的阻塞宽度为2 mm，与射流孔直径相当；工况3的情形则介于两者之间.

图6 时间序列原始PIV粒子图像Fig.6 Time sequence of original PIV particle images

3.2 测量平面2的PIV流场测量

为了考察叶尖射流在叶高方向上的影响范围，对射流孔位置垂直于叶尖的平面进行了PIV测量，实验工况与上文相同.图7给出了测量平面2的原始PIV粒子图像.从图7可以看出间隙内层流向紊流的转变.当间隙内为层流时，叶尖射流(STI)与泄漏流(TLF)之间存在清晰的分界面，两者不互相掺混.泄漏流夹带着叶尖射流从吸力面流出形成一个瑞士卷，也就是经常说的泄漏涡(TLV).一般认为，该涡的形成是叶尖泄漏流与通道主流相互作用的结果，在图7中可以清晰识别出泄漏涡的涡核.

当风洞出口流速超过3 m/s时，间隙内为典型的紊流，叶尖射流与泄漏流的交界面开始不规则地波动，说明两者之间开始有明显的掺混，同时伴随着强烈的动量交换.在此情形下，已经不能识别出泄漏涡的卷起形态，但仍能识别出其涡核所在的位置(如工况3).此外，从图7还能观察到泄漏流从压力面(P.S.)进入叶顶间隙时形成的分离泡(SB)的形态.由于拍摄视角的问题，图中的白色虚线用以表明泄漏流的起始进入位置，吸力面附近黑色楔角区域为激光片光因遮挡造成的测量盲区.

为了能够定量分析叶尖射流和分离泡的影响区域，将原始PIV粒子图像进一步处理得到图8和图9，其中Z为叶栅高度方向.从图8可以看到叶尖射流和分离泡的外侧流线(即分离线)，可以用于显示两者的外部轮廓，并借此反映其影响区域大小.这条分离线上有2个关键点，一个是分离点A，反映了叶尖射流开始产生影响的位置；一个是再附点B，反映了分离泡影响结束的位置.图8中2条垂直的点划线作为A点和B点运动方向的参考线，同时还增加了一条水平的点划线，用以衡量叶尖射流和分离泡在垂直方向的影响范围.

由图8可知，随着间隙内流速提高，A点逐渐向上游移动，这意味着叶尖射流向上游的侵入逐渐增强，而B点逐渐向下游移动，这意味着分离泡的覆盖(或影响)区域在逐渐变大.总体而言，叶尖射流和分离泡在平行于叶尖方向的影响区域随风洞流速的提高而增大，但这个效应对叶尖泄漏抑制并不会产生明显的效果，真正产生影响的是两者在垂直方向的变化情况.因此，可以用分离线在垂直方向(Z方向)的最大拱起高度来衡量两者对泄漏流的阻塞效应.

由图8还可知，叶尖射流和分离泡在垂直方向上影响区域的变化趋势是不同的.对于叶尖射流，分离线的最大拱起高度随风洞流速提高并非单向变化，最大拱起高度出现在工况2，而不是出现在实验范围内的最大流速条件下的工况3，这是由于叶尖射流与泄漏流基本上是被同一压差所驱动的，但叶尖射流通道的阻力较大，叶尖射流流量的增大速度却不及后者，因此当间隙内流速增大到一定程度之后，叶尖射流对泄漏流的抑制效果变差.

(c)工况3

图8 间隙区域放大流线图Fig.8 Streamlines in the tip clearance region

对于分离泡而言，分离线最大拱起高度随间隙内流速的提高而增大，在工况2时达到最大值.考虑到叶尖射流和分离泡对泄漏流抑制的综合效果，最大阻塞效应很可能就出现在工况3.此外，还发现不同工况下分离线的形状也有所不同，在层流工况下，分离泡更为扁平.图9比较了不同工况下间隙内的流速分布.为了使不同工况的测量结果具有可比性，对间隙内流速进行了无量纲化处理，方法与上文相同.另外，为了去掉近壁区无效数据，特将Vd≤0.6的速度云图隐去.

由图9可知，间隙内相同位置的无量纲速度随风洞流速的提高而降低，以叶尖射流上方的Vd为例，工况1、工况2和工况3的数值分别为0.85、0.8和0.75.由于受到叶尖射流和分离泡的综合影响，叶顶间隙内出现了3个显著的高速区，分别在分离泡上方、叶尖射流上方及泄漏流出口附近.随着风洞流速的提高，叶尖射流和分离泡的影响区域在流速云图中越来越突出，表现为在高速区(如Vd≥0.8)开始萎缩，并且越来越集中在叶尖射流和分离泡的正上方，这个效应进一步印证了叶尖射流和分离泡对叶尖泄漏流的挤压作用能够对叶尖泄漏产生一定抑制效果.

图9 间隙内流度分布云图Fig.9 Dimensionless velocity distribution in the tip clearance region

4 结 论

(1)当风洞出口中心流速超过3 m/s时，叶尖射流轨迹不再呈直线状态，叶尖射流与泄漏流开始发生掺混，并在射流尾迹中出现了类似卡门涡街的涡分布现象，该现象的出现进一步加剧了叶顶间隙流动的复杂性.

(2)随着风洞流速的提高，叶尖射流在平行叶尖方向的影响区域先增大后减小，在垂直叶尖方向的影响区域先增大后保持不变，只有在小叶顶间隙和低压载荷下，叶尖射流才能取得较好的泄漏抑制效果.

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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

河北省自然科学基金资助项目(E2015203271)；国家自然科学部主任基金资助项目(5160051215)；燕山大学青年教师自主研究计划理工A类资助项目(14LGA014)；国家重点基础研究发展计划973资助项目(2014CB046405)

胡建军(1982-)，男，黑龙江虎林人，讲师，博士，主要从事叶轮机械气动热力学方面的研究.电话(Tel.)：15032382779； E-mail：kewei729@163.com.

1674-7607(2016)11-0870-07

V231.3

A 学科分类号：470.30