1、 第 卷 第 期 航 空 动 力 学 报 Vol.No. 年 月 Journal of Aerospace Power Nov. 文章编号: 不同叶尖间隙下的涡轮转子出口三维时均（好像不算时均）流场测量熊兵 1,2 , 万钎君 2 , 石小江 2 ,陈洪敏 2 马宏伟（1. 南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏南京 210016；2.中国航空工业集团公司 燃气涡轮研究院，四川江油 621703）摘 要：采用圆锥四孔高频压力探针测量了某涡轮不同叶尖间隙下转子出口三维时均流场。结果表明，转子出口参数均呈现明显的周期特性；叶尖间隙对转子出口流动品质(可以说清楚一些，总压、气流角， )有较大影响，较
2、小的叶尖间隙，有更好的流动品质；转子出口参数变化与尾迹有对应关系，通过分析出口参数，可研究尾迹特性。（摘要有点短）关 键 词：涡轮；转子出口；三维流动；测量；叶尖间隙中图分类号：V231.3 文献标识码: AThe Rotor Outlet 3D Time-Average Fluid Measurement Of A Turbine In Different Tip Clearance StatesXIONG Bing1,2，WAN Qianjun 2，SHI Xiaojiang2 ，CHEN Hongmin 2(China Gas Turbine Establishment ， Jiang
3、you 621703)(1. Inst. of Energy and Power, Nanjing Univ. of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;2. Gas Turbine Establishment, Aviation Industry Corporation of China, Jiangyou 621703, China)Abstract: The rotor outlet 3D time-average fluid of a turbine in different tip clearance states
4、was measured by a high frequent four-hole pressure probe. results indicate: rotor outlet parameters reveal obvious periodic characteristic; the tip clearance has an great influence on fluid quality, smaller tip clearance better fluid quality; rotor outlet parameters relate to wake, wake characterist
5、ic can be investigated by analysis on outlet parameters.Key words: turbine; rotor outlet; 3D fluid; measurement; tip clearance引言航空发动机转子叶片内部的流动本质上是周期性非定常的，叶片排之间的相互作用将对转子叶片通道内的流动产生不可忽视的影响 16 。为了揭示转子内的流动结构，国内外在压气机级间开展了较多的精细流场测试工作 712 ，国内在涡轮转子出口开展的试验测试工作相对较少1321 ，对于不同叶尖间隙下的涡轮转子出口流场试验研究更是少见，很少将有效的流场精细测试技
6、术运用于涡轮研制的工程实践中,对叶轮机械内部复杂的流动现象掌握不够，这与目前追求卓越的设计、流动计算和性能改进的迫切需求不相适应。本文利用位移机构移动圆锥四孔高频压力探针测量了某型涡轮在不同叶尖间隙下的转子出口三维流场，试验中利用同步锁相技术 22,23进行数据采集，采用等相位平均法进行原始数据处理，通过插值算法对探针压力数据进行处理 24，得到了转子出口马赫数、偏转角、俯仰角、总压、静压、速度等流场参数，获得了明显的转子出口流场特性，分析了转子出口的时均流动规律，为设计者提供了丰富的转子出口流场信息，实现了微型高频探针技术在零部件试验中的工程应用，为此型涡轮的改进设计提供了技术支持。2 航
7、空 动 力 学 报 第 卷（引言叙述中要体现间隙的重要性）1 试验设备、测量手段及测量安排试验是在某涡轮综合试验器上进行的，试验件是某高压涡轮，转子转动方向为逆时针方向（从出口看）。动态测试系统的组成如图 1所示，探针的移动和定位采用 Rotadata 两坐标位移机构实现。涡轮转子每转一圈，光电式转速传感器发出一个脉冲信号，和探针测量的压力信号一并接入尼高力高速数采系统，用于等相位平均 10。数采系统带通频率设为 125kHz，采样率设为500kHz，保证每个通道采 50点以上。采用等相位平均技术，取近三个叶片槽道的测量数据，平均次数 64遍。动态探针位移机构 位移机构控制器光电式转速传感器尼
8、高力高速数据采集系统主机图 1 动态测试系统组成Fig.1 composing of test measurement试验状态为涡轮膨胀比 3.3，涡轮折合转速0.7。测量截面距转子尾缘的距离约 1.3倍弦长。叶根到叶尖共分 20站测量，站间径向间距为4.5叶高。为了防止来流角度超出探针的测量范围，探针的安装位置与发动机轴线方向有15.7偏转角。调整转子叶尖间隙，进行了两次试验，叶尖间隙分别为 2.99%叶高和 0.88%叶高。探针介绍（补充探针的精度、尺寸、频响等参数）2 测量结果及分析（转子的方向从云图上看是顺时针旋转，是不是 tecplot处理时候画反了?）最先用彩图来流偏转角 相对气流
9、流向向右为正、，俯仰角 的（调整齐）向下为正，正反方向定义如图 2，所示。图 2 偏转角、俯仰角方向定义Fig.2 definition of yaw and pitch angle图 3为涡轮转子出口绝对马赫数分布图。两图的马赫数分布可以比较清楚地看到转子出口流场结构，包括尾迹、叶根的角涡、轮毂的附面层流动、叶尖的泄漏涡，它们都对应低马赫数区；主流通道内马赫数较大，叶尖射流区马赫数较大。(在转子出口这么远好像没有叶尖射流区)图 3（a）间隙大由于叶尖泄漏涡形成低马赫数区范围较大，叶尖角区(角涡或者说通道涡)轮廓不明显。图 3（b）间隙小由于叶尖泄漏涡形成的低马赫区范围减小，能清楚地看到转子叶
10、尖角区流动造成的低马赫数区；叶尖泄漏涡造成的叶尖通道的低马赫数区较小，且更靠近吸力面；叶尖通道顶部区域由于叶尖射流导致马赫数较大。第 期 3图 3（a）叶尖间隙=2.99%叶高图 3（b）叶尖间隙=0.88%叶高图 3 涡轮转子出口马赫数分布Fig.3 map of opposite mach number图 4为涡轮转子出口相对气流偏转角分布图（正反方向定义见图 2）（看不出来哪个是正负）。两图中尾迹区域，两边偏转角较小，中心偏转角大，符合尾迹特征；（最好利用数据，画个线图，例如在某个叶高处的周向分布，不能都是云图。）叶尖通道内较小偏转角区域为叶尖泄漏造成的亏转，较大偏转角位置为叶尖泄漏涡造
11、成的过转。叶片根部角区和通道内靠近轮毂位置的偏转角大，是由叶根角涡和轮毂附面层造成的过转。图 4（a）叶尖间隙=2.99%叶高图 4（b）叶尖间隙=0.88%叶高图 4 涡轮转子出口相对气流偏转角分布Fig.4 map of opposite yaw angle图 5是涡轮转子出口气流俯仰角分布；两图中尾迹的俯仰角较大，这是因为尾迹中轴向速度低，而有明显的从叶尖到叶根的径向速度（确认一下，是不是从叶根要叶尖，尾迹中一般是往上甩，不过也有可能是流道的收缩造成的从叶尖到叶根）；两图中叶尖间隙位置俯仰角大，是因为叶尖间隙处的射流（泄漏涡）造成的径向流动。图 5（a）叶尖间隙=2.99%叶高图 5（b
12、）叶尖间隙=0.88%叶高图 5 涡轮转子出口气流俯仰角分布Fig.5 map of pitch angle图 6是涡轮转子出口绝对总压( ；其中 为叶尖切线速度)分布。2.0/ttUPt从图 6（a）中可以看到，通道内靠近压力面总压高，靠近吸力面总压低；在叶顶泄漏涡区域，总4 航 空 动 力 学 报 第 卷压较小， 在尾迹区域总压也比较小，而在泄漏涡诱导区域，总压值高，对应于马赫分布图的高马赫数。在叶根处，总压值较小，对应于叶根的角涡以及端壁附面层。图 6（b）与图 6（a）的不同之处在于：由于叶尖间隙较小，叶顶泄漏涡区域和叶根处总压减小并不明显。图 6总压分布不能明显地看出尾迹等转子出口流
13、场结构，因此算出了相对坐标系下的相对总压，并得出了图 7所示的相对总压分布图。图 7的分布很显著，可以清楚地看到尾迹、泄漏涡、角涡。说明相对总压分布比绝对总压分布更能反映转子出口流场的结构。图 6（a）叶尖间隙=2.99%叶高（间隙可以用 =2.99% span）图 6（b）叶尖间隙=0.88%叶高图 6 涡轮转子出口绝对总压分布Fig.6 map of absolute total pressure图 7（a）叶尖间隙=2.99%叶高图 7（b）叶尖间隙=0.88%叶高图 7 涡轮转子出口相对总压分布Fig.7 map of opposite total pressure图 8是涡轮转子出口
14、静压 Cp（各个变量都可以用一个变量代替下， （ ）分布。25.0/tsUP从图 8（a）和图 8（b）可以清楚地看到在尾迹及尾迹角区处，静压比主流道内的高。泄漏涡形成区域静压较低，这与理论符合。泄漏涡的左侧有一个局部的高压区，可能是因为周向的流动受到了泄漏涡的阻碍从而导致静压较高。图 8（a）叶尖间隙=2.99%叶高图 8（b）叶尖间隙=0.88%叶高图 8 涡轮转子出口静压分布Fig.8 map of static pressure图 9为涡轮转子出口轴向速度系数分布；轴向速度系数的定义是转子出口轴向速度 与叶尖zV第 期 5切线速度 之比，轴向速度系数分布与马赫数tU分布类似。图 9（a
15、）叶尖间隙=2.99%叶高图 9（b）叶尖间隙=0.88%叶高图 9 涡轮转子出口轴向速度系数分布Fig.9 map of axes velocity coefficient 可以考虑分下节， 感觉结果都在一节，没有层次感（速度矢量）图 10为涡轮转子出口二次速度矢量流线图，二次速度的定义为：当地速度减去其径向位置的平均速度；从图 10（a）的流线可以看到明显的叶尖泄漏涡以及由于泄漏流动导致的径向流动，泄漏涡的影响区域几乎占据一个栅距；由于径向测量站数较少，且离转子出口较远，从图10（a）中看不到旋转的通道涡，但是流道内的从压力面到吸力面的横向流动明显；在根部区域有随转动方向一致的二次流动，可
16、能是由于轮毂附面层流动造成的。图 10（b）由于叶尖间隙较小，流动比图 10（a）好，由叶尖泄漏流导致的径向流动减弱，由于径向网格(测量站数)较稀，从流线看不到明显的叶尖泄漏涡；根部也没有图10（a）的二次流动现象；除了叶尖和尾迹的径向流动外，通道内基本都是从压力面到吸力面的横向流动。（根据尾迹和泄漏涡的位置，图中红色箭头处应该是泄漏涡，因为泄漏是从压力面到吸力面，应该是顺时针旋转，之前的分析可能是错误的）图 10（a）叶尖间隙=2.99%叶高图 10（b）叶尖间隙=0.88%叶高图 10 涡轮转子出口二次速度矢量分布（减角度）Fig.10 map of second-velocity vec
17、tor图 11为转子出口三维速度矢量，其坐标 X和坐标 Y构成出口测量截面，坐标 Z为轴向。气流流动较有规律，可以清楚地看到尾迹和由叶尖泄漏流造成的叶尖低速区，叶片通道中部气流速度较快，靠近轮毂处速度慢。6 航 空 动 力 学 报 第 卷图 11（a）叶尖间隙=2.99%叶高图 11（b）叶尖间隙=0.88%叶高图 11 涡轮转子出口三维速度矢量（有点问题，去掉）Fig.11 map of three-dimensional vector可以考虑处理脉动量，非定常流动特性，也可以考虑处理一下各径向位置的平均参数，然后画径向分布。轴向紊流强度 UtWzNTUzi21径向紊流强度 trri21切向
18、紊流强度UtWtNTUti21紊流动能 22TrtTzKE3 结论本文利用圆柱锥头四孔动态探针对某高压涡轮不同叶尖间隙下的转子出口动态参数进行了测量，测量结果反映了明显的转子出口流动特征，由试验结果显示：a）较大的叶尖间隙对叶尖通道流动造成的影响更大，在 2.99%叶尖间隙下，泄漏涡的影响区域几乎占据一个栅距，在 0.88%叶尖间隙下，泄漏涡影响区域较小，泄漏涡的位置靠近吸力面；b）叶尖泄漏涡、角涡、尾迹是造成低流通、高损失的主要因素，造成出口的低马赫数以及低速区域；c）速度、马赫数、总压、静压等动态参数分布与尾迹的位置存在一定的对应关系，从相对坐标系分析总压能更好地了解尾迹分布特征以及气流参
19、数与尾迹的关系。结论有点少径向的轴向速度分布沿叶高的总压损失重点比较不同间隙下的流场分布参考文献（）多，去掉无关紧要的1 S. J. Payne, R.W. Ainsworth, R. J. Miller, et al., Unsteady loss in a high pressure turbine stage, Inter-national Journal of Heat and Fluid FlowJ, 2003, 24(5):698-708.（两端对齐）2 祁明旭, 丰镇平,KANG Shun,等.动静干涉效应对轴流透平级气动性能的影响J.工程热物理学报,2003,24(1): 39
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