非轴对称端壁造型技术在透平中的应用和发展

　　在争取国民经济快速增长的同时，能源的高效利用和环境保护是实现国民经济可持续发展的两大目标。透平机械作为当代主要的能量转化和能源利用装置，广泛应用于航空、电力、机械驱动等领域。提高透平机械的气动性能，对于有效利用能源，减少 CO₂排放和提高经济效益有着重要的经济和社会意义。

　　透平机械中的燃气轮机在最近几十年发展迅速，主要特点有两个: 一是耐高温材料的开发和叶片冷却技术的改进导致燃气轮机透平进口温度不断提高; 二是燃气轮机压比不断提升，级焓降和叶片负荷不断提高。AGARD［1］对燃气透平进口温度的变化趋势进行了总结和预测，随着新型耐高温材料的开发和各种先进冷却技术在高温部件上的使用，燃气透平的进口温度可高达 2 000 ℃ 左右。同时，燃气透平的压比也在迅速提升，NASA的报告［1］指出，在从 20 世纪 60 年代中期到 80 年代初的十几年中，航空发动机的压比从 15 左右提升到了 30，几乎提高了一倍，有希望在本世纪上叶达到 60 左右。燃气透平进口温度和压比的提高给燃气轮机带来了性能大幅度提升、功率增加、热效率提高、热耗率下降，有效地提高了经济效率，同时也节省了有限的资源。

　　然而，在压比和进口温度提高的同时，燃气轮机透平的尺寸和级数基本没有变化，这就意味着单级级压比和载荷增大很多，从而导致二次流损失增大，燃气轮机气动和换热性能下降。特别是在小展弦比、高负荷的透平级中，二次流现象明显，占据流场中相当大一部分空间，50%流动损失来自于二次流［2］。因此，减少透平中的二次流损失对于提高现代燃气轮机透平的性能具有重要的意义和工程价值。

　　从上世纪 70 年代开始，Morris、Hoare 和 Rose等［3 －5］提出通过在透平中使用非轴对称端壁来减少端部次流损失。其基本形态是在吸力面附近形成凹面，而在压力面处形成凸面，从而改变当地流场的速度和压力分布，达到抑制二次流发展的目的。在透平非轴对称端壁造型研究方面，以英国杜伦大学( Durham University) 和瑞士联邦理工学院( ETH Zurich) 的工作最具有代表性。英国杜伦大学的 Rose 等［6 －7］对燃气轮机高压级动叶进行了非轴对称端壁造型设计，并首次在直列叶栅吹风实验台上进行了实验验证，结果表明叶栅出口截面的二次流损失减少了30%，同时端壁附近的气流过偏转现象也得到抑制，从而有效地提高了叶栅的气动性能。瑞士联邦理工学院 Nagel 和Germain 等［8］则在透平叶栅旋转实验台上对一级透平的静叶和动叶进行了非轴对称端壁造型尝试，实验结果表明: 采用非轴对称端壁后，透平级级效率提高1%左右。Brennan 等［9］将非轴对称端壁造型技术应用在 Rolls －Royce Trenct 500 航空透平高压级中，级效率可提高 0． 4%。Praisner 等［10］对高负荷动叶片的非轴对称端壁设计也证实了二次流损失的减少。在国内，西安交通大学的李国君教授课题组［11 －14］对非轴对称端壁造型技术进行了数值模拟和实验研究，并提出了新的端壁造型方法。