探针对涡轮流场的影响分析

吴佳玉，曾 军，张维涛，郭昊雁，雷 鸣

(1.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500；2.北京动力机械研究所，北京 100074)

1 引言

涡轮性能的提高基于人们对涡轮内部复杂的三维、非定常、黏性流动认识的进一步加深，而这方面的研究又主要依靠CFD 技术和试验技术。在涡轮性能试验中，为了获取性能和热力参数，往往需要应用各种测试手段，借助总温探针、总压探针、方向探针等深入研究涡轮内部流动机理[1-2]，而探针的介入势必对涡轮流场造成影响——探针的数量、位置、尺寸、形状等均会影响流场参数分布。因此，研究探针对涡轮流场的影响，是涡轮流场分析和试验设计中的一项十分重要的工作，对指导和优化试验设计与测试布局，及更加全面、细致、充分地利用和分析试验数据具有重要意义。

为了研究探针对流场的影响，国内外学者开展了一些数值和试验研究。如Albertson 等[3]对比研究了两种类型总温探针滞止罩对高温超声速风洞边界层测量的影响。Zeisberger[4]使用数值模拟方法研究了传热对总温探针测量的影响，并对探针结构进行了优化改进，使得测量误差从0.7%减小到0.4%。Pfau 等[5]发展了一种用于非定常、全三维流场测量的4 传感器快速响应气动探针，该探针测量的偏转角精度在0.35°内。高杰等[6]采用数值模拟方法，研究了尾缘修型参数对探针支杆尾迹损失的影响规律。向宏辉等[7]通过总结试验数据，研究了叶型探针对轴流压气机性能试验的影响，发现叶型探针对轴流压气机设计与非设计状态性能均会产生一定的负面影响；堵塞比越大，级静压比下降越多；叶型探针导致压气机失速点流量增加，稳定裕度降低。马宏伟等[8]利用定常及非定常数值模拟方法，分析了压气机转子叶片上游50%弦长处安装探针支杆对压气机转子性能及流场的影响，发现支杆的存在会使压气机转子设计点静压升下降1.09%、损失增大8%。林其勋等[9]研究了几种压力探针的临壁效应，发现临壁效应所造成的测量误差与探针的形状有关。从以上研究可以看出，探针对流场存在明显影响。

目前，国内外对探针影响的研究主要集中在探针自身的发展和对压气机流场的影响方面，对探针影响涡轮流场的研究相对较少。本文开展了出口探针对涡轮流场影响的数值模拟和试验，得到了探针对涡轮出口壁面静压、出口气流角、效率等流场和性能参数影响的变化规律，为涡轮级性能试验中探针的布置、改进和完善提供了方向。

2 研究对象及数值方法

2.1 研究对象

以某型低压涡轮级性能试验件(图1)为研究对象。低压涡轮导叶、动叶叶片数依次为16 和49。涡轮出口固定探针共有13 支，出口内、外壁静压测点共有32 个。其中，出口1 截面分别周向平均布置2 支总温探针和3 支三孔方向探针，内、外壁各布置8 处静压测点；出口2 截面根据低压涡轮导叶栅距均匀布置8 支总压探针，内、外壁各布置8处静压测点。探针示意图如图2 所示，图中βout为探针与额向的夹角。根据探针真实几何结构建模，方向探针为圆柱形结构，而总温探针为圆柱+测头形结构。由于文中主要研究涡轮出口探针对性能的影响，不研究探针测头滞止罩内部流动细节，因此建模时对探针测头滞止罩进行了局部简化。

图1 低压涡轮级性能试验件示意图Fig.1 Schematic diagram of a low-pressure turbine stage performance test piece

图2 涡轮出口探针模型示意图Fig.2 Schematic diagram of turbine outlet probe model

2.2 数值方法

涡轮叶片流体域网格采用ANSYS CFXTurboGrid 模块划分，网格总节点数为2 459 608，网格总单元数为2 377 000。叶片表面网格Y+＜5.0，满足壁面函数要求。探针流体域网格采用ANSYS Workbench Mesh 划分，网格总节点数为7 644 530，网格总单元数约为21 994 583。图3示出了涡轮叶片、探针及轮毂表面计算网格。

图3 叶片、探针及轮毂表面计算网格Fig.3 Computational grid of blade,probe and hub surface

计算模型见图4，由单通道的涡轮叶片和全环探针模型组成。采用流体计算软件ANSYS CFX 开展数值模拟分析，数值模拟中采用带双方程转捩模型的SST 湍流模型——该转捩模型可较为准确地模拟由激波、分离等引起的转捩现象。采用已在多个涡轮部件三维数值模拟中得到很好验证的源项模拟技术[10-12]，来模拟叶片表面、盘前封严等位置冷气的影响。数值模拟考虑了工质变物性影响，求解器采用高分辨率差分格式，计算收敛精度设置为最大残差不大于10-5。

图4 计算模型Fig.4 Computational model

数值模拟边界条件包括进口边界、出口边界、壁面边界、周期性边界、交界面。进口边界给定总压、总温的平均分布，出口给定平均静压。涡轮进口湍流度设置为5%。叶片表面和上、下流道为无滑移绝热壁面，周期性边界强迫对应点上的所有物理量相等，转静交界面及涡轮与探针交界面采用混合平面法。

3 试验

试验在中国航发四川燃气涡轮研究院涡轮综合试验器(图5)上开展。试验过程中，来自气源站的压缩空气进入涡轮性能试验件膨胀做功，冷气以分流方式引入试验件各冷气腔内。涡轮出口气流经冷却后直接排入大气或由抽气机抽走[13]。涡轮进口流量由流量喷嘴测得，冷气流量由节流孔板装置测得，涡轮功率由水力测功器测得，总压、总温等气动参数由探针测得。涡轮的运转是在模化的航空设计状态条件(包括模化的转速、膨胀比和流通能力等)下进行。

图5 涡轮综合试验器原理图Fig.5 Sketch of synthetic turbine test rig

4 结果与分析

4.1 探针对壁面静压的影响

为研究涡轮出口探针对涡轮流场的影响，分别开展了带探针模型和不带探针模型的数值模拟。探针对涡轮出口壁面静压影响的数值模拟结果如表1所示。可以看出，探针对涡轮出口内壁静压的最大影响为2.3%，对外壁静压的最大影响为2.9%。

表1 探针对涡轮出口壁面静压影响的数值模拟结果Table 1 Numerical simulation of the influence of probes on static pressure of turbine outlet wall

表2 给出了涡轮出口壁面静压数值模拟与试验结果(带探针)对比。可以看出，不带探针的数值模拟结果与试验结果相比，出口1 截面内、外壁静压平均值分别偏大0.8%和1.6%，出口2 截面内、外壁静压平均值偏大均在3.0%以上。带探针的数值模拟结果与试验结果对比，除出口1 截面外壁静压差异较大外，其余位置静压差异均在0.8%以内，与试验结果吻合较好。出口1 截面外壁静压差异较大的原因是，出口1 截面外壁静压测点布置位置较内壁静压测点位置靠前，受叶尖泄漏流动及转子旋转影响较强。从涡轮出口静压对比看，不带探针的数值模拟结果与试验结果偏差较大，带探针的数值模拟结果除出口1 截面外壁静压外，其他位置与试验结果差异较小，说明探针对涡轮出口静压影响较大。

表2 涡轮出口壁面静压(数值模拟与试验结果对比)Table 2 Comparison of numerical simulation and test results of static pressure on turbine outlet wall

图6、图7 分别给出了涡轮出口1、2 截面内壁静压和外壁静压分布图(带探针)。从图中可以看出，受探针影响，涡轮出口壁面静压分布呈现出具有一定波动幅值的变化趋势，且静压分布趋势呈现与探针数量和位置相关的不同波形的现象。以出口1 内壁静压(图6(a))为例，三孔方向探针影响的壁面压力为对称波谷，而总温探针影响的壁面压力为非对称波谷，这是由于方向探针为圆柱结构，而总温探针为圆柱+测头结构，且为了使测头正对涡轮出口气流，整个探针在流场内进行了相应旋转，导致总温、总压探针和流道内壁形成的流域较为复杂，进而形成了非对称波谷。其他位置静压分布趋势与此类似。从以上结果可以看出，涡轮出口壁面静压分布趋势与探针数量、位置息息相关，探针对涡轮出口流场有较大影响。

图6 涡轮出口1 截面壁面静压分布Fig.6 Static pressure distribution on wall of turbine outlet section 1

图7 涡轮出口2 截面壁面静压分布Fig.7 Static pressure distribution on wall of turbine outlet section 2

图8 为受总压探针影响的涡轮出口壁面压力云图，从图中可以看到受探针影响的近壁面气流流动变化。内壁处气流经历了先减速再加速后减速的过程，与探针相对应的内壁区域压力变化较大。外壁探针前端存在大面积的高压区，试验中应当避免在固定探针附近压力波动较大的区域布置静压测点，以免受气流扰动影响测试精度。

图8 受总压探针影响的涡轮出口壁面压力云图Fig.8 Nephogram of turbine outlet wall pressure affected by total pressure probe

4.2 探针对流动的影响

图9 为总压探针中截面马赫数云图。可以看出，探针支杆前有一个明显的滞止区，气流从滞止区分流后逐渐加速，至顺气流方向约40%圆周处达到声速，而后减速向下游流动，大约在70%圆周处出现分离。探针支杆尾缘存在大面积尾迹区，尾迹区内有复杂的回流和掺混，尾迹长度约为探针支杆直径的5 倍。为减小探针对流场的影响，探针设计应朝小型化方向发展。

图9 总压探针中截面马赫数云图Fig.9 Mach number nephogram of middle section of total pressure probe

图10 为总压探针表面压力云图。可以看到，探针附近压力变化较大，顺气流方向探针表面压力逐渐增大至测头与支杆连接处，而后探针表面压力逐渐减小。探针支杆上可见明显的条带状低压区，低压区径向位置为相邻2 个测头中间区域。为改善探针附近压力分布进而减小探针对流场的影响，探针设计应朝流线型方向发展。

图10 探针表面压力云图Fig.10 Pressure nethogram of probe surface

4.3 探针对涡轮性能参数的影响

表3 为探针对涡轮性能参数影响的数值模拟分析结果。可以看出，与不带探针的数值模拟结果相比，考虑探针影响后涡轮效率减小0.9 个百分点，出口气流角增大2.0°，出口马赫数增大0.01。出口探针对涡轮效率、出口气流角影响较大，对马赫数影响较小。

表3 探针对涡轮性能参数的影响Table 3 Influence of probe on turbine performance parameters

表4 为涡轮性能参数数值模拟结果与试验结果(带探针)的对比。可以看出，不带探针的数值模拟结果与试验结果相比，涡轮效率增大0.9 个百分点，出口气流角减小1.8°。而带探针的数值模拟的涡轮效率、出口气流角与试验结果基本一致。带探针和不带探针的数值模拟的涡轮出口马赫数，与试验结果的差异均处于同一水平。综上分析可以看出，带探针的数值模拟结果与试验结果吻合更好，评估涡轮试验性能需要考虑探针的影响。

4 结论

采用CFD 方法研究了探针对涡轮流场的影响，并与试验结果进行了对比分析，主要得到以下结论：

(1) 探针影响涡轮出口内、外壁静压最大偏差分别达2.3%和2.9%，涡轮出口气流角增大2.0°，涡轮效率减小0.9 个百分点，对涡轮出口马赫数影响较小。内、外壁面静压分布受探针数量和位置影响，呈现周期性、不同波幅与波形的分布规律。

(2) 数值模拟的涡轮出口静压及其分布趋势与试验结果吻合较好，出口气流角、涡轮效率与试验结果基本一致，说明设计试验和分析流场需要考虑探针的影响。

(3) 为减小探针对流场的影响，应开展数值分析，对探针数量和位置进行优化，且探针设计应该朝小型化和流线型方向发展。

致谢：衷心感谢中国航发四川燃气涡轮研究院张剑研究员、卿雄杰研究员、李剑白研究员等同事对本文工作的大力支持。