涡轮叶栅进口热斑迁移及其影响因素研究试验装置设计

谢金伟，刘志刚，张晓东，朱承华，赵旺东

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油621703)

1 引言

航空发动机研制朝着更高的涡轮前温度和更紧凑的燃烧室结构方向发展，由此带来涡轮进口流动规律复杂、流场参数分布不均等问题，并在涡轮进口形成具有明显高温核心区的燃气流团，即所谓的热斑(Hot Streak)现象。热斑在涡轮叶栅流道中的迁移会导致叶片特定位置出现局部高温区，增加叶身热应力，严重时还会造成叶片局部烧蚀[1]。为此需开展涡轮叶栅进口热斑迁移特性及其主要影响因素研究，以针对涡轮叶片局部高温区域进行重点冷却，在保证叶片冷却效果和可靠性的前提下，减少冷气用量，提高涡轮效率，保证涡轮运行安全。

从公开文献看，美国NASA Lewis研究中心[2]、联合技术研究中心(UTRC)[3]、空军研究试验室(AFRL)[4]、德克萨斯州立大学[5]及英国QinetiQ研究中心[6]等，均拥有开展涡轮进口热斑试验的涡轮级性能试验器和进行热斑机理研究的叶栅试验器，以Ong[7]、Halde⁃man[8]、Denton[9]、Dorney[10]、He[11]等为代表的学者对热斑现象进行了大量研究。但公开文献也表明，国外对热斑的研究还不够系统，对一些相似的热斑现象甚至还得到了相悖的结论[6，10]。近年来，国外在一部分涡轮及叶栅试验设备改造升级、新建时，还将涡轮进口热斑模拟作为一个重要的试验器功能进行考虑[12]，说明目前对热斑现象还有继续深入研究的必要。国内对热斑现象的研究起步较晚，直到本世纪初董素艳[13]、季路成[14]、刘高文[15]、薛伟鹏[16]等才分别开展了一些与热斑相关的数值计算工作，以及闫朝[17]在日本三菱重工高砂研究所、赵庆军[18]在中科院工程热物理研究所的涡轮试验台上对热斑现象进行了部分试验研究。目前，国内还未见有关涡轮叶栅内热斑迁移及影响机理试验研究的公开报道。

本文采用数值仿真与试验验证相结合的方式，设计搭建了一套涡轮叶栅进口热斑迁移及其影响因素研究的试验装置。试验段进口采用扰流格栅模拟湍流，采用直接向主流中注入热气流方式模拟热斑，并通过试验验证了进口装置的模拟效果。根据现有设备气源条件，采用NASA的C3X叶片作为试验叶片，完成了叶栅试验段的周期性优化设计和叶片材料选择。分别测量叶栅进、出口温度场以获取进、出口热斑形态，叶片表面温度采用红外热像仪和热电偶对比测量。该套试验装置的设计和成功应用，可为深入了解并掌握热斑的迁移扩散规律、进而开展热斑进口边界条件下的涡轮叶栅气热耦合设计优化等提供重要的试验硬件支撑。同时，该试验装置的设计方法和相关经验，也可为类似装置的设计提供参考。

2 进口模拟装置

热斑试验进口模拟装置的功能主要是产生不同湍流强度的主流进口条件和不同特征的热斑流动，即湍流模拟和热斑模拟。根据试验需要，设计了一组可拆卸的圆柱扰流棒组合件进行湍流模拟(图1(a))。扰流棒两端通过螺栓固定在外框架上，可根据试验工况需求调整其数量及间距以获得不同的进口湍流条件。不模拟湍流时取下扰流棒组、拧紧扰流棒两端的固定螺栓即可实现流道密封。图1(b)为设计阶段通过三维仿真得到的进口装置湍流强度分布。由图可知，扰流棒正后方湍流强度稍大，两根扰流棒之间空隙部分湍流强度较小，整体上湍流度比较均匀。试验时用单丝热线仪测量了叶栅前缘不同径向高度上的湍流分布(图1(c))，其湍流强度平均值约为12.04%。

采用直接向主流中注入热次流来模拟热斑，定义热次流与主流总温的比值为热斑温比(T/T0)。图2为完成扰流棒和热次流引气管组装后的进口模拟装置的三维模型及实物图。涡轮中由于时钟效应的存在，热斑可能处于导叶进口的任意周向位置，且随着燃烧室运行工况的改变，其在流道中的径向相对高度也会随之变化。因此，按不同径向高度共加工了3套热次流引气管，且均可再通过调整各自的安装螺栓改变热斑在试验叶栅通道内的相对周向位置。图3为不同热斑周向、径向位置时位移机构拖动叶栅试验件进口总温耙步进测量得到的进口总温分布。可见，圆形热斑十分完整，从核心区向主流温度逐渐降低；核心区热斑温比约1.14，符合设计预期。

3 叶栅试验段设计

3.1 试验叶片

Hylton等[19]在1984年公开发表了C3X叶栅流动换热试验数据，本文以C3X原型叶栅为试验叶片进行试验段设计。为给后续试验件设计和试验方案制定提供依据，需充分掌握试验叶片的基准流动特性。图4为C3X基准叶型的计算网格(有10个内冷却通道)。单叶片计算时流道两侧采用了周期性边界条件，其他边界按Hylton的试验条件给定，计算在ANSYS CFX 12.1中进行。图5为采用不同湍流模型计算的文献[19]试验中编号4521工况下叶片中截面的压力分布，可见不同湍流模型计算得到的压力分布均与试验结果吻合较好。

为研究气膜冷却对叶栅通道内热斑迁移的影响，除实心叶片外，本文在C3X基准叶片基础上设计了气膜孔结构。如图6所示，全气膜冷却叶片压力面、吸力面各有2排气膜孔，前缘有3排气膜孔，相邻气膜孔排之间沿叶高错位布置。为测量叶片表面温度，在叶片表面不同位置敷设了18支热电偶。其中叶栅50%叶高截面布置14个，叶栅20%和80%叶高截面各布置2个，且各测点从压力面尾缘开始向吸力面尾缘依次编号。

3.2 试验件周期性

在设备供气温度、压力条件下对试验叶片的计算表明，出口等熵马赫数0.9时单个叶栅通道内的质量流量为856.07 g/s。如不考虑叶型缩放和叶高改变等因素，则在当前气源条件下(最大流量5.0 kg/s)进行热斑试验时理论上能允许的叶栅流道不超过5个，即平面叶栅试验件设计最多为6叶片5通道结构，且需在此基础上满足叶栅试验周期性要求。目前叶栅试验大多通过增加叶片数(如7片、9片、11片等)来提高周期性，但数值计算和实际经验均表明，叶片只有在增加到一定数量时才对周期性的提高有效果。根据文献[20]，通常叶栅试验件周期性不佳的原因一方面来自叶栅进口流道两侧附面层发展程度不同，另一方面是不恰当的尾板约束导致压力面和吸力面及尾缘斜切部分的膨胀程度不同。受试验段流量约束，本文的试验件不能采用传统的增加叶片数的方法来实现周期性，为此试验件设计前需研究在本文试验条件下影响叶栅试验件周期性的因素。

图7为进行周期性影响因素探索时的计算边界条件设置示意图。叶栅进口及叶片通道两侧设置为固壁条件，将叶栅出口尾板(沿出口气流角方向，约72°)分别设置为固壁条件和周期性边界条件进行对比计算。图8为两种尾板边界条件下叶片表面的压力分布曲线。可看出，相比固壁条件，当叶栅出口尾板满足周期性条件时叶片表面压力分布的计算结果与试验数据吻合很好，说明在当前条件下叶栅试验件周期性主要由出口尾板决定。

周期性优化计算时，分别在不同尾板长度(1.5倍弦长、0.5倍弦长、无尾板)、不同尾板角度(与流动方向夹角72°、90°)等组合条件下增加叶片数，逐步逼近目标结果。计算表明，缩短尾板长度的同时增大尾板与流动方向的夹角可改善叶栅试验件周期性。72°、90°短尾板结构在亚声速流动条件下周期性较好，但在超、跨声速流动时容易在尾板尖角处产生激波，尾板角度还需根据流动条件在试验中继续调整，通用性不强。5叶片4通道无尾板试验件(图9)两侧由两个半叶片形成固壁，出口尾板不延长(计算时采用远场边界条件)，气流在沿出口气流角方向流出叶栅通道后不受其他约束，在不同出口等熵马赫数下的周期性表现均较好，可作为最终方案。图中Vane 2、Vane 3叶片表面压力分布与周期性边界条件下的理论值几乎重合，因此可选择这两个叶片作为试验叶片，选取这两个叶片之间的流道为试验流道。该种方案下叶栅出口等熵马赫数0.9时流量约3.1 kg/s，满足设备的流量约束条件。图10给出了叶栅试验段进行C3X原型叶片基准性能试验时叶栅出口约1.0倍弦长处的壁面静压分布与计算结果的对比，可见计算结果与试验数据吻合良好，说明对叶栅试验件的周期性优化设计效果较好。

3.3 叶片材料和偶丝敷设工艺

为观察到较明显的热斑现象，需降低热斑在叶片表面的扩散速率。同时，为研究气膜冷却对热斑的影响，应尽量降低叶片导热对气膜冷却效果的影响。另外，根据需要，试验研究的热斑温比最高为1.14，对应热次流最高温度约152℃。因此，叶片材料除满足导热系数小外，还应能长时间处于152℃以上的环境中不变形、不软化。据此，通过试验对比考核了已有的不锈钢叶片、高温尼龙叶片和某非金属材料叶片的温度特性，结果如图11所示。据此，试验叶片采用某非金属材料加工。此外，为保证热电偶测温效果并提高偶丝存活率，在叶片材料考核的同时还进行了高温气流冲刷环境下的某非金属叶片偶丝敷设工艺研究。最终获得的敷设工艺使得同一叶片经多次长时间试验和反复拆装后，热电偶存活率保持在95%以上(图12)。

4 测试布局

图13为试验段整体结构及叶片安装段放大图。根据周期性设计结果，叶片安装段包括1个试验叶片，2个陪衬叶片，安装段两侧采用两个半叶片形成流道，出口为半开放结构。试验时采用3股气流分别模拟主流、热次流和冷却气流，3股气流由各自流路的阀门单独控制，流量分别通过各路流量计或孔板测量。加温后的主流气体经过湍流模拟器到达叶栅进口，热次流经电加温炉后通过热斑模拟器到达叶栅进口，冷却气流通过冷气集气盒供给气膜冷却试验叶片。主流和热次流进口状态分别使用单点总温总压探针确定状态，其中主流探针安装在陪衬叶片与半叶片组成的流道上游以避免对试验叶片进口流场造成干扰。试验时通过调整热次流电加温炉加热功率改变热斑温比，通过调节两路气流各自对应的阀门调节热斑压比(热次流与主流总压之比)。叶片上游约1.0倍弦长处设置一维进口位移机构，该机构可安装热线风速仪测量叶栅进口湍流强度，也可安装动态多孔针测量叶栅进口流场。为避免进口探针对试验叶片出口状态的测量造成干扰，正式试验时该位移机构拖动一支11点总温耙测量试验叶片进口温度场以获取进口热斑形态。完成进口温度场测量后机构按照预先设定的移动方案将探针推入位移机构安装座下方设置的凹槽中，保持流道内壁平整。叶栅出口使用二维位移机构拖动11点梳状总温探针测量出口温度场，同时叶栅出口下游壁面还布置了48个壁面静压测点(间距5 mm，覆盖两个栅距)以检验叶栅试验件周期性(图10)。图14给出了试验现场图片和部分试验测试装备(图中仅示出了2台红外热像仪)。

叶片表面温度同时采用热电偶和红外热像仪进行测量。在试验调试阶段通过红外热像仪与热电偶测温结果对比确定热像仪的具体安装位置和拍摄角度并标记固定，每次试验前均再次进行确认。试验先后使用了3台红外热像仪进行叶表温度拍摄测量，其中第1和第2台通过叶栅试验段两侧开设的红外观察窗(透过氟化钙光学玻璃)分别对试验叶片压力面、前缘进行拍摄，第3台安装在叶栅试验段轴向出口位置对试验叶片吸力面直接拍摄。根据图9模拟结果，试验段轴向出口位置为叶栅出口的流动死区，该区域在不同出口马赫数下均无气流直接冲刷且压力波动小，安装一台红外热像仪用于拍摄安全可行，且不需透过价格昂贵的氟化钙玻璃观察窗拍摄，得到的成像效果更为清晰。

5 应用验证

图15为出口等熵马赫数0.8，涡轮叶栅进口热斑分别位于试验叶片前缘、流道中间时，图14中示出的2台红外热像仪拍摄的叶片表面温度分布，图中在吸力面侧红外拍摄结果中标注出了试验叶片。可见，叶栅进口热斑正对前缘时，试验叶片表面温度不均匀，出现了明显的高温区，局部热负荷上升。对比压力面和吸力面红外拍摄结果可知，正对前缘的热斑冲击到叶片表面后被分成两半，热次流包裹整个试验叶片后分别沿压力面和吸力面流动。热斑位于流道中间时，红外拍摄结果显示试验叶片表面温度与主流进气总温接近，但在流道内横向压力梯度作用下热斑向陪衬叶片吸力面迁移运动，在吸力面拍摄结果中可看到陪衬叶片吸力面出现了一个温度较高的区域。

图16为出口等熵马赫数0.8、不安装扰流棒、热斑正对叶片前缘中部时，叶片表面50%叶高处红外热像仪1和红外热像仪3测温结果与热电偶测温结果的比较。可见，热斑正对前缘会引起叶片前缘温度显著上升，红外测温与热电偶测温结果在趋势上基本一致。叶片前缘附近由红外热像仪1透过光学玻璃拍摄，该区域内红外测温平均值与热电偶测温平均值相比偏高约2.4%；叶片吸力面由红外热像仪3直接拍摄，该区域内红外测温平均值与热电偶测温平均值相比偏高约1.0%。

6 结论

采用仿真与试验验证相结合的方式设计搭建了一套涡轮叶栅进口热斑迁移及其影响因素研究的试验装置，并通过试验验证了该装置的使用效果，主要得到以下结论：

(1)试验段进口采用扰流棒组模拟湍流，采用直接向主流中注入热次流方式模拟热斑，进口模拟装置达到的进口平均湍流度为12.04%，能较方便地调节热斑的周向、径向位置和准确改变热斑温比。

(2)采用5叶片4通道结构获得了周期性良好的叶栅试验件，通过试验确定选用某非金属材料加工热斑试验叶片，研发了高温气流冲刷环境下的非金属叶片表面偶丝敷设工艺，叶片表面热电偶存活率达到95%以上。

(3)红外热像仪与热电偶的测温结果吻合较好，两种方式获得的温度平均值相差约2.4%，能满足涡轮叶栅内热斑迁移及影响规律研究的需要。

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