变几何涡轮动叶栅流场的实验研究.docx

变几何涡轮动叶栅流场的实验研究《动力工程学报》2014年第六期1实验方法利用PIV技术对高速旋转的动叶叶栅内部的复杂流场进行可视化研究和分析采用丹麦Dantec公司生产的PIV系统其中激光片光源系统以双谐振脉冲式Nd：YAG激光器为光源工作频率为15Hz每个脉冲能量为250MJ输出激光波长为532nm（绿光）．图像拍摄系统采用分辨率为4000×2672像素的CCD相机．实验采用干冰作为示踪粒子Love等［8］对使用干冰粒子作为PIV示踪粒子的方法和其准确性进行过详尽研究．叶栅实验段出口是用有机玻璃做成的透明管道方便激光射入叶栅流道．实验时片光源处于动叶下游中间叶高位置片光源沿动叶出口的逆方向射入在动叶叶栅的上方开有可视化窗口CCD相机垂直片光源平面进行拍摄（见图3）．在对动叶叶栅流场进行PIV拍摄时使用外触发模式需要在待测的动叶叶栅位置安装光电触发器．当待测叶栅到达所需测量位置前光电触发器给PIV同步控制器一个电信号通过同步控制器控制激光器与CCD相机的协同工作确保对待测的动叶叶栅流道所需测量区域进行测量．在实验过程中仅调整导叶转角考察导叶转角对动叶叶栅流道及其下游区域流动的影响．实验在来流压气机转速及试验涡轮转速均不变的情况下进行其中涡轮转速为1380r／min排气经试验段出口管道（0．4m长的扇形通道）进入大气．实验工况参数见表1．2实验结果与分析图4给出了测功器测出的不同导叶转角下叶轮输出功率的对比．由图4可知叶轮输出功率随着导叶转角的变化呈现单调变化特性导叶转角从6°转到－6°过程中叶轮输出功率从3．09kW增加到4．39kW输出功率增加了近42％且在该过程中近似呈线性增加．由表1可知随着导叶转角的变化实验段进口总压也同样表现出单调变化的特性．为了充分掌握导叶转角改变对涡轮动叶叶栅流动的影响进一步分析导叶转角改变对涡轮整体性能的影响对不同转角工况下的动叶叶栅流道及其下游区域进行PIV实验．PIV测量获得的实验数据是叶栅流道中截面的瞬时速度矢量由于流场是随时间脉动的而实际人们在分析流动性能时更关心的是大量瞬时流场的平均值．因此在实验中对待测叶栅进行了大量的拍摄并对结果进行平均从而得到该叶栅流道流动的平均流场信息．以下均以此平均流场进行分析．由表1和图4可知涡轮性能随着导叶转角的改变呈现单调变化特性PIV拍摄结果也同样如此为了更清晰地反映导叶转角变化对涡轮动叶叶栅流动的影响选取导叶转角在＋6°、0°和－6°3个工况下进行对比分析．首先对以上3个工况下叶轮流道的速度场进行分析．图5给出了不同工况下涡轮动叶叶栅流道及其下游区域的绝对速度分布．由图5可见叶轮出口附近及其下游区域的气流速度随着导叶转角向小开度方向调整而逐渐增大且在叶轮出口附近速度明显增大这是因为该位置处于喉口位置气流在该区域得到了明显的膨胀加速．在动叶叶栅流道内部随着导叶转角偏向小开度该区域气流速度增大更加明显表明上游导叶转角的改变对于动叶叶栅流道内部气流的影响明显大于叶栅尾部及其下游区域．在来流流量基本不变的情况下导叶转角偏向小开度调整导叶出口及动叶进口气流速度不断增大且动叶进口气流冲角增大导致气流在动叶通道内的折转角增大最终使得图4中叶轮输出功率不断增大。图6为不同导叶转角工况下涡轮动叶流道出口截面上气流速度的对比该出口截面位置即图7中line1位置其横坐标y／t为图7中y方向的相对位置其极值在图7中标注t的绝对值约为1．5倍栅距．叶栅中流体轴向速度（U）和圆周速度（V）的正方向也示于图7．由图6可知随着导叶转角向小开度方向调整动叶出口截面的轴向速度和圆周速度均明显增大与之相对应的出口截面绝对速度也明显增大其最大速度均出现在相对长度0．5附近（即流道出口中间位置）当导叶转角从6°转到－6°过程中动叶出口截面最大速度从36m／s增大到40m／s增加了11％．动叶叶栅出口截面的气流角度也随着导叶转角的变小而单调变大但变化程度相对较小．由此可知导叶转角对动叶出口附近气流速度具有较明显的影响而对速度方向的影响相对较小．图8为不同导叶转角工况下动叶中间弦长附近截面速度的对比图中的轴向速度、圆周速度和绝对速度数据对应于图7中line2从下向上取点的数据（其他规定与图6相同）．图8中速度为0的曲线段对应于由于叶片遮挡激光无法到达的拍摄盲区．由于该盲区内的速度值均为0因此该区域内所对应的气流角度是没有意义的图8中气流角度的数据仅对应于图7中line3所对应的数据．由图8可见随着导叶转角向小开度方向调整叶轮流道内部气流速度的大小和角度基本呈现单调变化的特性其中最大速度均出现在叶轮流道中间部位（图中相对长度0．2和0．8的位置）导叶转角从＋6°转到－6°的过程中最大绝对速度从32m／s增大到