叶栅试验技术综述

2021-07-15凌代军代秋林朱榕川赵建通

实验流体力学 2021年3期

凌代军,代秋林,朱榕川,王晖,赵建通

中国航发四川燃气涡轮研究院,四川绵阳 621000

0 引言

叶片是现代航空燃气轮机典型且重要的零件,是构成其核心部件——压气机和涡轮——的基础。叶型性能直接决定压气机和涡轮部件性能,进而影响发动机推重比、耗油率等关键的性能指标。叶栅试验是在空气动力学试验技术的基础上为满足叶型气动性能试验验证需求而发展起来的一项试验技术,已广泛应用于高性能叶轮机械的叶型设计方法研究、叶型工程设计验证、叶轮机内部流动机理探索和新技术验证等环节。燃气涡轮发动机80余年的发展表明,压气机和涡轮叶片叶型设计技术的每一次进步都促进了航空发动机性能的提升,也推动了叶栅试验技术的进步和发展;同时,叶栅试验技术的发展和完善也为叶型设计技术进步和燃气轮机产品性能提升提供了有力支持。

1 叶栅试验技术发展历史

1.1 叶栅试验发展的技术背景

时至今日,在轮毂和机匣环面边界内,对具备转-静干涉特征的叶轮机多叶片排内流场特性进行试验测试研究,依然是一件复杂困难的工作。在航空燃气轮机发展初期,叶轮机内流气动热力学理论体系尚未完全建立,更不具备计算机建模和CFD仿真条件,试验研究成为获取叶轮机性能、验证设计结果、进行内流机理探索的核心技术手段。在这个阶段,叶型设计的半经验特性更是让平面叶栅试验成为获取并验证叶型性能的主要途径。

航空发动机叶型设计最初源于孤立的飞机翼型和螺旋桨叶型设计。平面叶栅(Plane cascade)是用圆柱/圆锥面切割压气机/涡轮叶片排后周向展开、二维拉伸而形成的(图1),试验件叶片沿叶高型面相同,也称为线性叶栅(Linear cascade)。平面叶栅试验以有限、直线排列的叶片模拟叶轮机截面周向展开流场,通过吹风试验获取叶型性能参数和叶片间流场特征,进而研究不同叶型性能以及叶型几何、气动参数对性能的影响规律,为叶型设计理论研究和工程设计验证提供支撑,是叶轮机内流气动热力学领域的基础性试验技术[1-2]。

图1 叶栅原理示意图Fig.1 schematic diagram of cascade

1.2 叶栅试验技术发展的作用

自20世纪40年代航空燃气轮机问世以来,基于大量平面叶栅吹风试验建立的叶栅性能试验数据库已成为国际上各航空发动机公司设计体系的技术核心[3-5]。世界航空动力强国在其航空发动机技术和产品研究中都进行了大量、成系列的叶栅试验,形成了较为完善的叶型设计和试验体系[6],并通过建设数据库对大量叶栅试验和设计数据进行管理和应用,为其在该领域领先的技术和产品奠定了坚实的基础,如美国NACA-65、俄罗斯BC-6、英国C-4叶型系列。这时的平面叶栅试验以二维、定常流动为基础,重点研究叶型几何参数(曲率、厚度分布、安装角、几何构造角、稠度、叶片前缘和尾缘形状等)、气动参数(攻角、马赫数、负荷等)对叶型性能的影响。

在航空燃气轮机叶型研究中,压缩部件叶型设计经历了常规亚声速叶型,适应超、跨声速需求的双圆弧叶型,多圆弧叶型,优化设计叶型的演变,压气机压比、效率和稳定性得到了快速提升(图2);在涡轮叶型设计方面,经叶栅试验验证和完善起来的跨声速高负荷叶型设计、计入叶片流道内的冷气-主流掺混气动损失模型以及考虑二次流控制及影响的叶型设计为涡轮部件性能提升奠定了基础[7-11]。事实上,压气机、涡轮叶型设计与试验技术已成为航空发动机和燃气轮机气动性能提升最重要的技术推动力。

图2 叶型设计对压气机压比和效率影响趋势Fig.2 The influence of profile design on compressor pressure ratio and efficiency

1.3 叶栅试验技术现状

因航空发动机和燃气轮机在军事和工业领域有着十分重要的意义,美、俄、英、法等国家的航空航天研究院、企业和高等院校在技术研究过程中都建设有为数不菲的叶栅试验设施,其功能和技术指标可满足从基础理论、应用研究到工程设计验证的全技术流程,对应的吹风速度涵盖低速、亚声速、跨声速和超声速领域。

叶栅试验技术已广泛应用于航空发动机、地面/舰船用燃气轮机、蒸汽轮机等叶轮机械产品的叶型研发工作中。当前,常规的叶栅试验技术以雷诺数自模、定常、均匀来流吹风为典型特征。根据吹风速度可分为低速、亚声速、跨声速和超声速试验;根据研究目标和内容可分为叶型性能试验和叶栅流场特征测试试验。

随着叶轮机内流气动热力学理论的发展和叶轮机设计技术的进步,叶轮机气动设计向黏性、三维、非定常领域发展,现代叶栅试验需要从关注气动、几何参数对叶型总性能的影响,延伸至关注引起叶型性能变化的流动机理研究、流场结构特征测量与诊断以及性能演变规律与分析等研究领域。叶栅试验技术也需要从传统二维、雷诺数自模、定常流动的平面叶栅试验向更真实流动环境模拟平面叶栅、扇形/环形叶栅的领域拓展。

2 叶栅试验技术研究进展

2.1 叶栅试验流场周期性

叶栅试验本质上是多叶片试验件的吹风,以有限数量直线排叶片模拟真实叶片周期工作条件。流场周期性是试验数据准确可信的前提和基础。根据叶栅试验相似原理和准则,至少需要保证3个叶片通道具有较好的周期性(叶片流道进口、叶片槽道、出口流场对应点速度矢量在允许的偏差范围内相等),以实现在几何相似的条件下确保叶栅流场的运动相似和动力相似。

相对于常规外流风洞壁面轴向等长的特点,叶栅试验攻角的模拟方式决定了大部分工况下试验段流道上、下壁面会出现一定长度差ΔL,从喷管出口到各叶片前缘的侧壁长度不同(图3),尤其是在小进口气流角(额向)条件下这种影响更甚。总体来说,影响叶栅流场周期性的因素包括:

图3 叶栅试验段上下驻室面长度偏差示意图Fig.3 Schematic ofthe ceiling length difference of the cascade test section

1)试验件叶片数量(传统要求不小于5～7片);

2)叶栅进口前流道固体壁面长度不同会引起各通道固体壁面附面层发展不均衡;

3)栅前来流率先在试验件上部的头叶片前缘出现绕流加速或激波(超声条件下),对相邻下一叶片进口流场造成干扰;

4)试验段侧壁、叶片端面、导流板与头末叶片间漏气;5)试验段流场内的结构件对流场的干扰。

由于流场周期性是叶栅试验的基础性要求,国内外学者在叶栅试验流场周期性模拟和调控方面开展了大量的研究工作[12-17],主要包括:

1)在试验件结构设计方面,增加试验件叶片数、增大叶片展弦比(h/b),可以有效地提升周期流场品质,降低端壁涡系和附面层对叶栅中截面周期流场的影响。对于高负荷叶型,试验件叶片数量从常规的5～7片,增加到10片以上,国外部分超跨声速叶栅试验叶片数甚至超过15片,其周期流场通道数量和质量都显著提升;

2)通过试验段上、下驻室和侧壁附面层抽吸、微扩流道调节,控制和削弱附面层发展对流场周期性的影响,可采取多腔独立控制抽气方式进行控制;

3)通过采用充气密封、提升叶片端面加工精度等方式降低或消除漏气对流场周期性的干扰;

4)通过探针安装及驱动改进、试验段驻室位置调整及修型、探针槽封堵等方式减小和消除结构件对流场的干扰;

5)通过尾板长度、型面以及角度调整改善试验流场周期性。

在压气机和涡轮叶型试验中,根据流场特征不同,一般前者更注重考核叶栅进口流场周期性、后者更关注叶栅出口流场周期性。可辅助判断流场周期性的参数包括:

1)栅前(压气机叶栅)、栅后(涡轮叶栅)壁面静压分布;

2)各叶片通道纹影图像;

3)叶片表面压力分布;

4)叶栅尾迹测量参数;

5)叶片表面油流显示图。

2.2 流场二元性影响与模拟

根据试验原理,平面叶栅试验主要研究和验证叶片某一截面的叶型性能,不考虑叶片排子午流道沿径向的扩张和收敛对叶片间流动特征和叶型性能的影响。平面叶栅试验件以等径向截面直叶片和平行栅板端壁为典型特征。轴向速度密度比(Axial Velocity Density Ratio,AVDR)在叶栅试验初期是试验流场二元性及数据有效性的重要判据,理论上平面叶栅试验AVDR＝1．00左右,真实试验中因附面层影响,AVDR＞1．00。早期压气机级压比较低,叶型负荷不高,在展弦比(h/b＞2．00)条件下,端壁附面层发展形成通道径向收敛与叶型真实工作流场子午面收敛偏差不大,对叶栅中截面流场影响可忽略,叶栅流场二元性容易保证,平面叶栅试验结果可以在级性能分析中得到较好的应用。

数十年来,发动机压缩系统级压比已从第一代发动机的1．15提升到第四代的1．45～1．50,风扇级压比甚至达2．20以上;压缩部件总增压比也从早期的3.00提升到目前的35．00～40．00,压气机子午流道径向收敛明显,叶型AVDR也从1．00左右增至1．30～1.40。此时,AVDR综合了叶型通道周向叶片间流道和径向子午流道收敛的双重影响,但传统平面叶栅的平行端壁已无法有效模拟流道径向收敛的影响。由于叶型负荷增加,流动逆压力梯度增大,更易诱发流动分离,致使近壁区二次流及各涡系对叶片径向流场影响增大,使得高负荷叶型平面叶栅试验流场特性与真实截面工况相差甚远。因此,现代平面叶栅试验需要从试验模拟和数据分析两个方面充分考虑AVDR的影响。国内外学者在叶栅流场二元性模拟方面开展了大量试验研究[18-25],其主要思路是通过叶栅通道端壁的抽吸气(图4)使AVDR保持在0.95～1．15范围内。

图4 通过抽气控制叶栅试验AVDR[18]Fig.4 AVDR regulation and control by air bleed or suction[18]

对于亚声速、未堵塞工况,采用抽气调节AVDR对叶型性能影响不明显,总体来说静压比、损失系数随AVDR增大略有减小,但在大攻角近失速条件下AVDR调控对叶型的性能影响较大[18-20]。NASA和DLR的研究则表明超声速叶栅试验AVDR对性能(损失和气流转折角)影响较大[21-22]。此外,Hergt等的研究表明AVDR随攻角增大而增加,由此带来的附加流动损失会使叶型损失也增大[23]。Jouini等的研究也表明AVDR值受攻角影响较大,当攻角i＝－14．5°时,AVDR＜1．00,当i＝14．5时,AVDR＝1.25,并认为此时叶栅流动已不再保持二元性[24]。

对于级压比较高的叶型,叶片间包括子午流面在内的立体空间流道存在较大的收敛,流场三维特性已无法忽略,传统平面叶栅流场已无法表征叶型基元立体通道的收－扩特征,即便通过抽气控制AVDR获得的试验数据也仅能反映叶片基元叶型叶片间流道的扩压或膨胀能力,无法提供流道径向变化对性能的影响,这在应用平面叶栅试验数据进行压气机或涡轮级性能分析时尤其需要注意。

此外,根据理论分析,还可以在平面叶栅叶片通道的平行栅板间引入附加几何或者气动的收敛来模拟和调控流场径向收敛度,以模拟真实基元叶型的径向收敛,进而获取较传统平面叶栅更接近真实工况的叶栅性能参数。NASA在20世纪70年代开展了端壁收敛的叶栅试验(图5),并采取端壁抽气控制附面层的影响,获得AVDR变化对叶型性能的影响[25]。中国航发四川燃气涡轮研究院在亚声速高负荷叶栅试验中也采用楔形附加栅板来调控AVDR,形成径向(沿叶高方向)的收敛通道,抑制端壁区和叶片吸力面的流动分离,减小端壁二次流和附面层对叶栅中截面影响。试验表明:AVDR增大,损失系数降低,出口气流角、静压比减小,这与周向、径向通道收敛和出口速度增大是相匹配的;但收敛端壁设计复杂、通用性差、效率低,尚待进一步发展和优化。

图5 美国NASA某超声速压气机叶栅试验[25]Fig.5 A supersonic compressor cascade test(NASA)[25]

2.3 低雷诺数叶栅试验模拟技术

雷诺数自模(Re＞3×105)是传统叶栅试验所需遵从的相似准则之一;但高空状态下,叶片实际工作雷诺数可能低于自模雷诺数,高空小尺寸发动机叶片工作雷诺数更是可低至104量级。低雷诺数条件下发动机压缩系统性能和稳定工作裕度退化,涡轮部件效率降低,发动机推力降低、耗油率显著提升,已在PW545(图6)和AE3007H发动机的试验和分析数据中得到了证明[26]。已有研究表明:叶型流动分离和二次流增强是低雷诺数下的发动机性能恶化的主要原因。低雷诺数条件下叶片表面的附面层呈现层流特点,抗分离能力减弱,容易发生不可再附的流动分离,从而增大叶型损失,导致压缩系统和涡轮部件效率降低,进而影响发动机性能。这种影响是非线性的,雷诺数在1×105以上时,效率下降趋势较缓,当雷诺数处于104量级时,雷诺数的降低将导致涡轮效率的急剧下降[27-28]。

图6 PW545低压涡轮效率随雷诺数的变化[26]Fig.6 PW545 low pressure turbine efficiency variation with Reynolds number[26]

因此,在低雷诺数工况下的叶型设计方法研究中,雷诺数自模已经无法完全满足验证需求,需要真实低雷诺数叶栅试验能力的支持,以研究高空低雷诺数下压缩系统和涡轮部件性能衰减诱因、量化低雷诺数对叶型性能影响,为建立适用于低临界雷诺数的压气机、涡轮叶型设计模型提供支持。

国内外在低雷诺数叶型和部件性能试验方面也开展了较多的研究工作。在叶栅试验中要实现低雷诺数,可采用低速、小特征尺寸、低密度(低压)的方法[29-35]。在具有工程应用价值的高亚声速、跨声速领域,为研究局部超声速区和激波影响,试验需满足与设计马赫数相等的条件,不宜用低速方法来降低雷诺数;小弦长试验叶片需考虑叶片负荷、强度以及加工限制,叶片表面静压测量引压孔加工会削弱叶片强度,故不宜采用过小弦长的试验叶片;降低试验介质密度(压力)是目前低雷诺数叶栅试验常用的方法,如比利时冯·卡门流体力学研究所的S－1/C高速变密度风洞[36]和德国慕尼黑高速叶栅风洞[37]就采用了低压回流循环试验模式。中国航发四川燃气涡轮研究院、中国航发商用航空发动机有限责任公司等单位也已开展基于节流进气－抽气排气为条件的低密度试验叶栅研究,亚声速叶型的工作雷诺数可降至104量级,基本满足现阶段低雷诺数叶型试验验证需要。

2.4 三维扇形叶栅试验

如前文所述,叶型的真实工作流场环境具有三维特性,三维真实流场模拟是叶栅试验发展的方向。NASA早在1969年就发表了在有6个叶片的扇形试验件上研究脉动射流(Jet-flapped)对高负荷涡轮静子叶片性能影响的研究报告[38]。现在三维叶栅试验除关注流量特性、压力损失等总特性外,更多关注的是流场气动参数的径向、周向分布及叶片间流场细节特征。在三维全叶片气动性能及流场特征研究中,由于环形叶栅试验件制造和试验气源成本高,国内外学者多采用更为经济的扇形叶栅试验模式[39]开展研究。

国内外扇形/环形叶栅试验多集中在低速压气机静子和涡轮导向器方面,特点是进口流速低,进气角径向梯度小,流场模拟难度低,易于实现。与平面叶栅试验类似,采用多叶片数即较大圆心角的扇形试验件可有效提高试验流场质量,但需综合平衡流场品质、气源条件以及加工、试验成本等因素。国内外既有6个叶片(圆心角36°)的研究成果[40],也有用14个叶片(圆心角144°)获得7～10叶片周期流动的实践[41]。除增加叶片数外,研究者还通过端壁导流板型面及尾板结构来调控试验流场品质,尤其在超跨声速扇形叶栅试验中,需要调整尾板角度和长度,避免近端壁叶片出口激波反射对流场周期性的破坏[42-43]。另外,适当位置的抽吸气也有助于扇形叶栅流场品质及周期性的优化[44]。

除流场周期性外,体现扇形叶栅流场三维性的流场参数径向分布梯度也非常关键,试验中主要表现为径向压力梯度。模拟和调节出口流场径向压力梯度,可避免叶片根部流动分离,使得流场模拟和性能数据更真实可信,这对超、跨声速涡轮导向器扇形叶栅根部、尖部区域叶型试验尤为关键。径向压力梯度调节方法与试验设施和试验件结构相关,主要有以下几种方法:

1)叶尖径向扇形调节凸块[45],调节简便,但调节范围窄,且可能在调节凸块附近形成回流和附加旋涡,影响尖部流场测量;

2)设计不同堵塞度的排气通道端壁[46];

3)在叶栅后增加具有消旋的导流叶片,模拟扇形区间的径向压力梯度(图7)[47]。

图7 扇形叶栅试验段出口消旋叶片示意图[47]Fig.7 2D unwrapped schematic of the working section of the annular sector heat transfer facility[47]

在具体应用中还需要充分考虑栅后流场测量探针及位移机构的空间定位、探针在出口流场中的附加激波对流场的影响。

此外,在拓展扇形叶栅进口气流角及分布模拟方面,还有研究者采用换装带不同法兰面夹角的扇形直管段(图8)来调节叶栅进口攻角[48],以拓展扇形叶栅试验适用范围。

图8 变进气攻角转接段[48]Fig.8 Variable inlet angle switching section for sector cascade[48]

2.5 叶栅非定常特性试验

转/静叶片排在轴向的间隔布局和叶片在轮盘的周向排列决定了叶轮机内流场固有的非定常特征。目前叶轮机械的设计体系主要还是以均匀、定常流假设为前提,真实流场的固有非定常特性在现有设计体系中还没有得到充分的体现。叶轮机气动设计从定常向非定常转变将是未来技术发展的主要趋势,非定常流动蕴含着很大的潜力,这也是未来航空发动机气动热力技术发展的关键方向[49]。国内学者在21世纪初提出了叶轮机“非定常自然流”和“非定常耦合流”两代非定常“流型”理论,并进行了部分前瞻性探索[50-51]。根据叶轮机内非定常效应源及作用因素,叶栅内流场非定常特性试验研究可以分为以下3类:

1)叶栅流场非定常特性及控制试验研究

叶栅流场的非定常特性是指在定常均匀来流情况下,叶片与流道固壁表面流体附面层发展、流动转捩、激波干涉、逆压力梯度等因素引起流动分离,以及尾迹、各类旋涡(角涡、马蹄涡、通道涡等)运动和发展引起的流动非定常特性,都属于流场内生的非定常现象。这些非定常流动通过分离及再附、尾迹掺混、端壁二次流对流道的收敛等宏观方式影响流场结构,进而对叶型的性能产生影响。掌握叶栅非定常流动结构特点和控制方法可以为提升叶轮机性能提供基础支持。国内外学者在叶栅流场非定常流特性的试验和数值研究领域开展了大量研究[52-55],并利用流场的非定常特性开展了叶栅局部流场控制进而提升叶型性能的研究[56-58],其试验在传统叶栅试验技术基础上增加相应动态测量装置,对应不同的非定常流动控制方法增设激励发生器与控制装置,比如零质量射流、非定常声激励等。

2)振荡叶栅试验研究

据统计,振动故障占发动机总故障的比例大于60%,其中叶片故障占比大于70%,由于叶轮机尤其是压缩部件叶片的结构特点和流场的非定常特性,压气机失速、喘振、颤振等不稳定流动现象都和叶片振动－气动非定常的耦合相关联。通常将叶栅领域的此类研究称为振荡叶栅(Oscillating cascade),这类研究可以为叶轮机特别是压气机叶片颤振相关的气－固耦合研究提供支持[59-61]。

振荡叶栅试验主要研究叶片在非定常外力作用下受迫振动以及叶片小幅度偏转情况对流场特征和叶型性能的影响;研究外加激励的模式、频率、幅值等关键参数对流场特征和叶型性能影响的本质原因及内在规律。这类研究在传统叶栅试验基础上需要根据试验叶型特性进行特殊的试验件和叶片激振系统设计。叶片激励方式有机械、电磁等方式,其中机械驱动方式有电机直接驱动叶片[62-63]、凸轮或曲柄连杆驱动等方式[59,64-65]。

3)叶栅进出口流场的非定常影响试验研究

叶栅进出口流场的非定常模拟,包括流场压力和速度的空间分布与时序变化,源自上级叶片排尾迹扫掠、进气压力脉动、下游叶片排相对运动带来的压力波干涉等。

在进口非定常模拟方面,国内外均有在叶栅进口通过运动的圆柱扰流尾迹来模拟上游叶片尾迹对压气机或者涡轮叶型性能影响的报告,通过改变圆柱直径、间距、运动速度来模拟尾迹特征[66-70],以此研究尾迹扰流对叶片表面分离、叶型性能的影响及其规律。已有的试验研究表明:在具有层流分离泡的涡轮叶片叶背表面,进口非定常尾迹抑制了叶型附面层发展,与定常流相比,减少了总压损失。目前这类进口流场非定常模拟研究还仅限于低速机理试验。