非轴对称端壁造型技术在透平中的应用和发展

非轴对称端壁造型技术在透平中的应用和发展
孙皓;李军;李国君;丰镇平
【摘要】非轴对称端壁的设计和应用可以有效地减少透平叶栅中的二次流损失,提高透平机械通流部分的气动性能.对非轴对称端壁造型技术的应用背景、端壁造型方法及其在透平机械中的研究现状进行了综述,详细介绍了非轴对称端壁对叶栅和透平级气动性能的影响,阐述了气动性能得以提高的机理,结合实验结果介绍了非轴对称端壁对叶栅和透平级变工况特性的影响.在透平叶栅非轴对称端壁成型研究进展的基础上,对非轴对称端壁造型技术在高负荷透平叶片研发和叶片三维造型中的应用前景进行了展望.
【期刊名称】《热力透平》
【年(卷),期】2012(041)001
【总页数】8页(P18-25)
【关键词】透平机械;非轴对称端壁;二次流
【作者】孙皓;李军;李国君;丰镇平
【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049
【正文语种】中文
【中图分类】V231.1
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。

1 非轴对称端壁造型方法与优化
非轴对称端壁造型技术的原理是通过端壁造型设计，提高吸力面附近的压力，降低压力面附近的压力，减少周向压力梯度从而达到减少叶栅通道中气动损失的目的。

研究和发展非轴对称端壁造型技术是减少透平二次流损失，提高高负荷燃气轮机透平气动性能的有效途径和合理选择。

对非轴对称端壁造型技术展开全面、系统的研究对于提高我国透平机械，尤其是燃气轮机通流部分的气动效率具有重要的应用价值和现实意义。

端壁造型方法是非轴对称端壁造型技术在应用中能否取得良好效果的关键，国内外研究者提出了很多非轴对称端壁造型的方法，如Hartland［15］提出的中弧线旋转法，李国君教授课题组的马晓永［13］、郑金［14］分别提出
的三角函数控制法和压差端壁造型法。

本文主要介绍2种经过实验验证并显著提
高了叶栅和透平级气动性能的方法。

第一种方法是Harvey和Rose等［6］提出的傅里叶级数法。

在6个不同的轴向
位置通过三阶傅里叶级数生成端壁面的径向位移扰动，即在周向根据傅里叶级数生成曲线，并沿流向通过B样条曲线把不同轴向位置的曲线联结起来，从而生成一
个非轴对称端壁面，见图1。

第二种方法为Nagel［16］首次提出的衰减函数法，见图2。

空间曲面由沿流向的衰减函数(样条曲线)和周向的余弦函数叠加而成。

具有最佳气动性能的非轴对称端壁形态必须通过优化得到。

Harvey和Rose等［6］采用正向和反向三维设计程序(FAITH，Forwaid and Inverse 3 －D Design)，Germain［8］采用二次序列规划算法进行的非轴对称端壁优化工作均取得了良好的效果，在优化过程中，各种非轴对称端壁面设计方法中的设计变量成为优化中自由变量，从而扩大了叶栅优化的样本空间。

2 非轴对称端壁对透平叶栅气动性能的影响
在透平机械中，非轴对称端壁最直观的效果是改变了端壁面上的压力分布。

Germain［8］对静叶使用非轴对称端壁造型技术进行了改造，图3给出了5%、50%和95%叶高处的压力分布情况［8］。

从图中可以看到，相对于轴对称端壁，在叶根和叶顶附近的截面上，非轴对称端壁对吸力面影响较大，而对压力面的影响则相对较小。

压力面上的压力提高，会引起叶片载荷的降低，这是端部次流损失减少的主要原因。

由于Germain所研究的静叶展弦比较小(0.87)，在对叶根和叶顶
端壁同时使用非轴对称端壁后，增大了叶栅喉部尺寸和通流面积，这也导致中叶展载荷下降，型面损失减小。

图3 非轴对称端壁造型对叶片载荷的影响［8］
图4 给出了Hartland［7］在实验中测量到的二次流矢量场。

在非轴对称端壁附近，通道涡强度明显减弱，在图中体现为通道涡二次流矢量长度的减小和位置更加靠近于端壁。

叶栅通道中二次流强度的变化必然带来出口截面上气动参数的变化。

图5(a)中表现二次流强度的二次流动能系数大幅度减少，同时其峰值也向端壁移动，体现出二次流强度的减弱。

在端壁附近，总压损失明显减少(图5(b))，汽流角
过偏转程度也有所减弱(图5(c))。

Hartland［17］的实验结果表明，二次流损失减少了34%，型面损失减少了6.8%，叶栅气动损失减少了19.5%。

图5(d)中数值计算结果和实验结果的对比表明，受湍流模型的限制，现有的数值模拟技术并不能完全准确地预测到使用非轴对称端壁造型技术后叶栅气动性能的变化，因此，在非轴对称端壁造型的相关研究中，一方面，实验验证是不可或缺的;另一方面，湍流模型中也必须增加转戾模型以提高数值模拟的精度。

文中，二次流动能系数定义为:
图4 叶栅出口截面二次矢量分布［7］
总压损失系数定义:式中:为流场当地速度矢量;为周向平均后的速度矢量;P0_inlet为进口总压;P0为流场当地总压;0.5ρ2out为叶栅出口截面动压头。

3 非轴对称端壁对透平级气动性能的影响
非轴对称端壁造型技术在叶栅中的应用取得显著成效后，研究者们将其应用到透平级中。

英国著名的飞机引擎制造商罗尔斯罗伊斯公司，根据杜伦大学的实验结果，对Trent 500燃气透平高、中压级进行了非轴对称端壁改造，实验结果证明，级效率分别提高了 0.59% 和 0.9%［17－18］。

Germain等在一级半实验台上的测量结果显示，级效率提高幅度高达1.0%［8］。

采用非轴对称端壁后，级效率提高的原因主要来自于两方面。

一方面，静叶根、顶部和动叶根部二次流受到抑制，气动损失减少;另一方面，二次流所产生的静叶气流不均匀性，即过偏转和欠偏转现象得到缓解，动叶攻角损失减少。

图6给出了Rose等［17］对Trent 500高压透平级的实验测试结果。

在透平级出口截面上，上下通道涡引起气流偏转减小2°～3°，对应的总压损失也明显减小。

气流角和总压损失系数沿叶高的分布更加均匀，改善了下一级的进口条件。

实验结果也表明，在透平级中应用非轴对称端壁技术时，情况十分复杂，主要有以下几个问题需要在应用中高度重视。

(1)级反动度的变化。

即使在透平级中采用非
轴对称端壁，动、静叶也是分别独立设计的。

在设计过程中，虽然对流量进行了约束，但当动、静叶通流面积的变动改变了初始设计的面积比时必然会引起反动度的变化。

非轴对称端壁在抑制通道涡的同时，也在一定程度上增大了喉部尺寸。

对于低展弦比动叶，这一现象特别明显。

文献［8］的实验结果证明，在采用非轴对称端壁后，在相同工况下，级反动度降低了1%，而在 Rose等［17］的实验中，反动度降低了2%。

(2)动叶顶部攻角变化。

如前所述，静叶的非轴对称端壁有利于提高动叶进口气流角的均匀性，但当级反动度减小后，静叶出口马赫数增大，会引起动叶进口气流角减小，攻角增大，二次流得到加强。

(3)型面损失的变化。

在叶片
型线保持不变时，非轴对称端壁也会对叶片型面损失有一定影响。

如图3所示，
在端壁周向压力梯度降低的同时，由于通流面积的增大，中叶展叶片表面压力分布也会发生明显变化。

采用叶片载荷趋向后加载方式，吸力面马赫数的下降和边界层转捩位置的后移都会引起型面损失的减小。

因此，在设计透平级的非轴对称端壁时，不能只着眼于静叶和动叶叶栅气动损失的减小，还应在级环境下考虑其对流量、反动度、动叶攻角等级参数的影响，全面把握非轴对称端壁对透平级气动性能的影响。

4 非轴对称端壁对透平变工况性能的影响
在透平设计特别是燃气透平设计时，其变工况特性是需要认真考虑的。

目前，各种叶栅吹风实验和对透平级端壁优化的结果已经证实了非轴对称端壁在抑制通道涡、减少二次流损失、提高级性能方面有着显著的效果。

但是，各种非轴对称端壁都是在设计工况下的产物，在优化设计中并未考虑叶栅和透平级的变工况特性。

Vazquez［19］对具有高展弦比、高转折角和高负荷特点的现代燃气轮机低压透
平叶片进行了不同雷诺数(120K～315K)和马赫数(0.5～0.9)条件下的变工况特性研
究。

实验风洞密度可调整，使得雷诺数和马赫数可独立变化。

在马赫数不变的情况下，图7给出了不同雷诺数下叶栅动能损失系数KSI的实验测量结果和总压损失
系数沿叶高的分布情况。

KSI定义为:
式中:V为流场当地速度;Vis为等熵速度。

从图7(a)中可以看到雷诺数增大时，叶栅动能损失系数不断减小，非轴对称端壁
叶栅的变化趋势和轴对称端壁叶栅一致，说明雷诺数对非对称端壁的效果影响甚微。

图7(b)的结果表明:在流道中部，随着雷诺数的增大，型面损失明显减小。

在端部，由于马赫数保持不变，叶片表面压力分布没有受到太大的影响，雷诺数通过改变边界层的状态来影响二次流。

非轴对称端壁在雷诺数变化时二次流强度和范围趋势与轴对称端壁对应的结果基本一致。

图8(a)则表明马赫数对非轴对称端壁的效果影响显著，随着马赫数的增大，非轴
对称端壁对二次流的抑制作用不断减弱。

马赫数达到0.9时，非轴对称端壁对应的叶栅损失已经超过轴对称端壁叶栅。

原因在于非轴对称端壁设计一般是针对设计工况、通过优化程序求解出来的。

马赫数变化时，叶片表面压力分布发生变化，二次流结构改变，非轴对称端壁所要优化对象已经发生了变化，因此难以保证一定能够抑制通道涡的发展。

事实上，在马赫数0.5时，非轴对称端壁明显地提高了叶栅的气动性能。

Vazquez［36］对叶片表面压力分布的测量结果证明，在低马赫数时，压力分布趋向于前加载方式;而在高马赫数时，叶片负荷变为后加载方式。

非轴对
称端壁对于前加载叶型的二次流抑制作用更为明显。

对出口截面总压损失系数的测量表明，角涡强度的增加，在紧靠端壁处总压损失会明显上升。

同时，在根部二次流上方、20%叶高处，形成一新的高损失区域，见图8(b)。

这两方面的因素是非
轴对称端壁叶栅在高马赫数下气动性能降低的原因。

图9和图10分别给出了Trent 500燃气轮机透平高、中压透平级在采用非轴对称端壁后在80%、100%和120%设计转速下的级特性曲线［17－18］。

相对于轴
对称端壁，在设计转速下，非轴对称端壁的高压透平级效率提高了0.5%左右，随着输出功率的变化，效率变化的幅度不大。

而中压透平级在额定功率下，级效率提高了1.0%左右，但随着功率的增加，效率提高的幅度会迅速下降。

在80%设计转速下，动叶进口气流角变为正攻角，叶片载荷增加，二次流强度增大。

在高压透平级中，非轴对称端壁的效果更加明显，级效率最大提高了0.8%。

在中压透平级中，在额定功率时，透平级效率下降了0.5%。

随着输出功率的减小，非轴对称端壁对二次流的抑制作用增强，级效率大幅度提高，在32%额定功率下，
级效率提高了2.5%。

在120%设计转速下，动叶处于负攻角的条件下，非轴对称
端壁对高压透平级几乎没有效果。

在中压透平级额定功率下，级效率提高了1.5%。

随着功率的增大，效率提升幅度降低到0.5%。

结合高、中压透平级变工况特性，非轴对称端壁对透平级变工况特性的影响可以总结为:在高转速下，高压透平级效果不佳;在低转速下，动叶攻角增大，二次流强烈，而非轴对称端部的效果也最为明显。

同一转速下，随着输出功率的增大，非轴对称端壁对透平级中二次流的抑制作用减弱，在中压透平级中这一点特别明显。

5 讨论
目前，众多的叶栅吹风实验和在Trent 500等实际机组上的实验测试证实了非轴
对称端壁造型技术已经逐渐发展成为一种能够减少叶栅二次流损失、提高透平级效率的成熟、可靠的方法。

作者认为，非轴对称端壁技术在以下两个方面的应用会对叶轮机械性能的提高有很大的帮助。

第一:非轴对称端壁技术与高负荷低压透平叶型开发的结合。

航空发动机中，低压
透平级占整机重量比重较大。

在保证气动性能的前提下，采用高负荷叶片，减少低压透平的叶片数，可以有效地提高发动机的推重比和整体性能。

Gier等［20］以
典型的低压透平叶型T106为基准，分别设计出具有前加载特点的T162型线和具有后加载特点的T161型线，见图11(a)。

数值计算和实验结果证明T162型线的
型面损失(二维损失)最少，但二次流损失(三维损失)明显高于原始叶型和后加载叶型，见图11(b)。

如果能把非轴对称端壁技术和前加载叶型结合起来，对T162型线进行非轴对称端壁改造，则可以进一步提高高负荷叶片的气动性能。

第二:叶片三维造型技术。

按照传统思路，叶片和端壁的设计是相对独立的，传统
意义上的优化也仅涉及到叶片型线和积叠方式的改进。

Nagel［21］把叶片设计
参数和端壁造型参数整合起来对原始叶片和端壁进行了优化，设计出具有“革命性”的叶栅形式，见图12。

经实验证明，此叶栅具有良好的气动性能，可能会成为未
来新式叶型的雏形。

图12 叶片三维造型技术［21］
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