高性能小发双级模拟涡轮出口流场分析报告

　　1前言

　　众所周知，涡轮的二次损失近似地与展弦比成反比。小展弦比涡轮的二次损失占总损失的60%、70%。因此，如何降低低展弦比涡轮的二次损失从而 提高高压涡轮的效率就成了涡轮气动设计师的重要任务。高性能小发双级模拟涡轮在总性能试验阶段获得的气动性能参数达到并超过了设计指标[l]。双级高亚音 涡轮膨胀比为4.12，效率达到0.9，涡轮特性合乎规律。为详细地研究涡轮气动参数在流场中的分布及二次流的影响，进一步掌握涡轮内部流动机理，验证涡 轮气动设计思想，进行了双级模拟涡轮出口扇形段流场测试工作。测试结果表明:双级模拟涡轮二次损失较小，出口参数分布合理，较好的完成了设计意图。

　　2气动设计简述

　　为抑制二次流，提高气动性能，采用了下列先进的设计方法:

　　(l)一元流路设计采用了低流量系数伽二Ca/u)及高反力度设计;

　　(2)叶型设计采用先进的可控涡设计;

　　(3)第一级涡轮负荷高且叶片较短，为提高其性能，特别对其导叶采用了外端壁子午面轮廓收缩的设计，通过外端壁子午面轮廓收缩形成叶尖较好的速度分布，从而改善叶尖二次流的状况[z]。

　　(4)高性能小发双级模拟涡轮为高亚音设计，采用先进的后加载叶型，四排叶片典型截面平面叶栅吹风试验结果表明，本设计的叶型损失系数较国际上 同类叶栅试验统计平均值低50%，达到了较高的水准[3]。经后加载叶栅与均匀加载叶栅对比试验研究叫表明，后加载叶栅不仅叶型损失低，而且两端的二次损 失也有较大幅度的降低.

　　3出口流场测试安排

　　高性能小发双级模拟涡轮第二级导叶有26片，为了能在试验件出口测得第二级导叶的二次流，选取1/26圆周的扇形段作为出口流场测试的试验范围.在这个扇形区内，周向按等角度均布15个测试位置，径向分布12个测试位置，整个扇形区共安排180个测点。

　　4试验结果及分析

　　高性能小发双级模拟涡轮出口流场试验试验设计点参数为(n=20700r/min，略=4.14)。以下给出了试验测得的出口总压、总温和气流角分布，同时计算了效率和马赫数分布，并将这些参数的径向分布与设计目标作了比较。

　　4.1涡轮出口总压特性

　　图1、图2分别示出了涡轮出口扇形段总压等值线的分布和相应的无因次总压沿叶高的变化特性。由图l可以看出，在出口远下游仍然存在较明显的二级 导叶尾迹的影响，在尾迹区的左侧可以较清晰地看到一个较大的低压核心区，这可能是二级导叶叶栅的通道涡经过二级动叶后的表现，由于二级动叶的离心力使得这 个通道涡离开了内壁，上升到主流区内。在通道涡的左侧还有两个小的低压核心区。文献[s]的二次流模型认为在通道涡的上方存在由通道涡引起的较强的诱导 涡，而马蹄涡的吸力边分支缠绕在通道涡的周围，在通道涡与叶片压力面的角区内还存在小而强的角涡.在本试验中观察到的这两个小低压核心区中，左上方的一个 可能对应的是诱导涡，而处于左下方的一个可能对应的是马蹄涡的吸力边分支。至于文献[s]中描述的角涡由于体积较小，在本试验的仪器设备条件下很可能观察 不到，因此在出口扇形段总压等值线分布图中无法表现出来。在扇性段的上方我们可以清晰地看到由于动叶叶尖间隙的影响存在较大的高压核心区，这是由于动叶前 方的高压气体通过动叶叶尖间隙流到下游的结果。事实上，双级模拟涡轮试验件的二级动叶叶叶尖间隙是比较大的(直径方向0.8毫米)，这从叶尖高压核心区的 影响范围也可以看得出来。