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1、Dec252013VoI．34No．122682．2691ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．educnhkxb筵》buaa．edu．cn軸流壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖泄漏堵塞特性的試驗研究劉寶杰，張志博，于賢君*北京航空航天大學能源與動力工程學院航空發(fā)動機氣動熱力國家級重點實驗室，北京100191摘要：在低速大尺寸壓氣機試驗臺上，利用體視粒子圖像測速(sPIV)技術詳細測量了不同氣動負荷水平的葉片、不同轉(zhuǎn)子葉尖間隙大小和不同工作狀態(tài)時轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部的流場結(jié)構。定量分析了不同測量條件下轉(zhuǎn)予通道內(nèi)堵塞分布特點，討論了影
2、響堵塞發(fā)展的物理機制，旨在為轉(zhuǎn)子尖部流動控制和?；芯刻峁┍匾睦碚搸椭?。結(jié)果表明：在本文的各種測量條件下，葉尖泄漏堵塞均呈現(xiàn)非線性、非單調(diào)性的特征，通常在葉片通道內(nèi)出現(xiàn)堵塞峰值；葉片通道內(nèi)的逆壓梯度是堵塞增長的重要物理機制，在逆壓梯度環(huán)境下，堵塞起始區(qū)域的流量越大，堵塞增長得越迅速，堵塞起始區(qū)域流體的總壓損失越高，堵塞越容易引起失速；泄漏流與主流之問存在較強的湍流摻混，在這個物理過程中，黏性和湍流脈動所帶來的主流與泄漏流之間的動能輸運是使得堵塞衰減的主要物理機制。關鍵詞：葉尖泄漏渦；端壁堵塞；逆壓梯度；湍流摻混；體視粒子圖像測速；壓氣機中圖分類
3、號：V231．3文獻標識碼：A文章編號：1000一6893(2013)12—268210葉尖泄漏流對壓氣機的性能影響顯著，因此，對葉尖泄漏流動的特性和機理進行深入研究始終是葉輪機氣動研究的重點。能夠準確評估端壁堵塞和損失以及優(yōu)化端區(qū)流動對壓氣機設計有重要的意義。自20世紀40年代以來，人們對壓氣機葉尖泄漏流動開展了大量的研究，其研究途徑包括理論分析建立物理模型、試驗測量以及計算流體力學(CFD)數(shù)值模擬等，并且已經(jīng)取得了豐富的研究成果。眾所周知，壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流具有強三維、強非定常等特點，其與主流的相互作用通常會引起較強的端壁堵塞，對壓氣機性
4、能和穩(wěn)定性都有重要的影響n“。Koch根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，增加葉尖間隙會顯著影響壓氣機的增壓能力叭。Smith的結(jié)果表明當轉(zhuǎn)子問隙大于1％弦長后，峰值壓比隨著葉尖間隙增加而接近線性地減小[2]。wisler認為至少一半的壓氣機損失都與端壁流動相關，并且根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)指出，當轉(zhuǎn)子間隙大于1％弦長后，間隙與效率也近似成線性關系[3]。Baghdadi通過大量試驗，發(fā)現(xiàn)當葉尖間隙小于1％弦長時，葉尖間隙對壓氣機的穩(wěn)定性影響較小，而在常規(guī)的1．5％～3．o％弦長的葉尖問隙范圍內(nèi)，間隙每增加1％弦長，壓氣機的裕度相對于最佳間隙狀態(tài)減少約8％[4]。
5、為提高壓氣機設計的可靠性，在設計過程中必須要考慮葉尖泄漏等典型二次流動的影響，因而在深入認識這些流動的發(fā)展物理機制的基礎上進行?；治鲅芯渴潜厝煌緩?。早期由于受到測試手段以及CFD技術水平的限制，人們對葉尖泄漏流動的?；芯恐饕朗崭迦掌冢?013—01．30；退修日期：2013—03—07；錄用日期：2013一04—15；網(wǎng)絡出版時間：2013—04—2510：12網(wǎng)絡出版地址：wwwcnkinet／kcms／det8“／11．1929．V．20130425，10j2．003．htmI基金項目：國家自然科學基金(51136003，5100600
6、7，50976009)*通訊作者．Tel：010一82316455E—mail：yuxj@buaaeducn；l躁格武}Liu8J，Zha嗚ZB。YuXJEx。erimenta
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10、ockageinanaxⅫcompressor．ActaAeronauticaetAstronauttcas砷tca．2013．34(12)：2682—2691知寶杰，張志博．f賢君．軸流壓氣機轉(zhuǎn)子時尖泄漏姥塞特性的試驗研究．航空學撮．2013，34(12)：2682—2鼬1劉寶杰等：
11、軸流壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖泄漏堵塞特性的試驗研究靠理論分析和一些較為簡略的試驗數(shù)據(jù)。Rains[51最早將葉尖泄漏的三維流動簡化成二維問題并通過渦方法，給出了泄漏渦軌跡和尺度變化的物理模型。Chen等[63通過提取影響泄漏渦發(fā)展的關鍵物理量，并通過擬合大量的試驗數(shù)據(jù)，得到了泄漏渦軌跡隨葉片負荷變化的規(guī)律。Kang和Hirsch通過對壓氣機葉柵通道內(nèi)流場測量，給出了詳細的泄漏渦發(fā)展過程和近端壁的損失分布”1?。Koch和Smich通過總結(jié)分析壓氣機重復級轉(zhuǎn)靜子出口邊界層厚度的變化規(guī)律，指出影響端壁堵塞的主要因素是葉尖間隙大小以及整級的負荷水平[1“。這些典
12、型研究成果提高了人們對葉尖泄漏流動的認識水平，可是由于缺乏非常細致的能夠準確模擬真實環(huán)境的試驗數(shù)據(jù)(這類數(shù)據(jù)需要在壓氣機試驗臺上獲得)，
