叶片弯曲降低泄漏损失的实验研究

　　1　引言

　　由于机械方面的原因和热过渡工况与偏心度以及其它方面的原因,大多数燃气涡轮的转子叶尖上的运行间隙处于1% ~5%叶高的范围内〔1〕。类似的情况存在于导叶以及为了调节流量安装的绕径向轴转动的可调导叶之中。这样一来,在涡轮级内就可能有三个间隙。长期认为涡轮级内的径向间隙是引起涡轮效率大幅度下降的一种根源。理论和实验研究表明〔2〕,相对间隙每增大1%,涡轮级的效率下降大约1.5%。这种强烈的影响吸引涡轮设计师为获得最小间隙和减小给定间隙中的损失而努力。文献〔3〕在分析弯叶片降低损失的机理时指出:由于叶片正弯减小了叶栅两侧的气动负荷,采用正弯叶片能降低叶顶漏气损失。但是,到目前为止能够见到的这方面的实验很少。本文在平面低速叶栅风洞上,对具有常规直叶片与正、反弯叶片的三套叶栅进行了吹风实验与壁面(包括端壁与叶片表面)流动显示,详细分析了流场细微结构,从而阐明了叶片正弯降低泄漏流动损失与相对漏气量的机理。

　　2　实验模型

　　三套燃气涡轮矩形叶栅:(1)常规直叶栅;(2)具有正弯叶片的正弯叶栅;(3)具有反弯叶片的反弯叶栅(图1)。平行端壁平面内的叶型采用文献〔4〕的叶型,并放大1.73倍。叶栅的其他重要的几何参数与气动参数为:叶弦C =121.4mm,轴向弦长B =120mm;节距S =90mm;展弦比h/C =0.905;节弦比S/C =0.74mm;叶型最大厚度与弦长比Maxth/C =0.257;叶片前缘半径R1=6.75mm;尾缘半径R2=3.37mm;叶栅进口角α1=50°(从轴向计起);出口角α2=57°;叶顶相对间隙τ/h =0.023和0.036;进口总压p*0=10730Pa;出口截面翼展中部马赫数Ma=0.3;基于弦长的雷诺数Re =8.3×105;进口附面层厚度δ=14mm。

　　采用墨迹显示技术,显示了三套叶栅的壁面流动。应用五孔微型测针测量了栅前1个、栅内6个和栅后1个横截面及间隙中分面上的气动参数。

　　3　具有叶顶间隙叶栅流谱分析的拓扑法则

　　具有叶顶间隙的环形或矩形叶栅的表面可分解成两个不连通的表面:外壳和转子表面。转子表面包括叶片表面和轮毂壁。摩擦力线环绕在具有许多奇点的这些表面上。

　　首先考察转子表面。假设叶片与轮毂间没有间隙,转子轴是固体。延伸轴至上游和下游无限远,使流动是均匀的,如图2所示。在轴两端应当各有一个结点。在拓扑学中,通过连续弹性变形,三维转子表面能转换成一个球面,因此转子表面上的奇点数应当遵循下列方程:

　　其中 Nbh和 Sbh分别表示叶片表面和轮毂壁上的结点和鞍点总数。

　　对于壳体表面,也能延伸至上游和下游无限远,弯曲它连接端部形成一个环面。摩擦力线环绕在环面上,离开围叶栅的区域,不存在奇点。在外壳表面一个节距内奇数应符合下列法则: