叶片表面粗糙度对透平叶栅气动性能影响的试验研究

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1、中国工程热物理学会学术会议论文热机气动热力学编号：0721301=1的试验研究姚君，刘红•清华大学热能工程系，北京100084Tel:010-62795710Email:Liu_hong@tsinghua.org.cn摘要燃气轮机的透平前温在不断提高，采用热障涂层技术是保证透平叶片能够在高温下安全工作的重要手段。但是热障涂层的破涂会改变叶片表面的粗糙度，粗糙度的变化对透平的气动性能会有多大的影响是必须关注的问题。本文试验研究了叶片表面粗糙度对透平气动性能的影响。试验结果表明，在喷涂过程中必须控制叶片表面粗糙度，否则会显著增加损失。关键词透平叶栅；粗糙度；损失；

2、热障涂层1引言随着叶轮机械设计水平的提高，在重型燃气轮机透平部件的气动设计方面，提高其等爛效率的空间很小。在部件效率提升有限的条件下，为了提高燃气轮机的循环效率，透平前温度不断提高，从E级燃气轮机到H级燃气轮机，透平前温度从1100余度提高到1500度。为了保证透平在高温条件下安全工作在透平前面级大量使用了热障涂层技术。但是釆用表面喷涂会增加叶片表面的粗糙度。这一方面是由于喷射过程本身所带来的涂层材料颗粒，另一方面是由于工作条件下涂层的腐蚀，使得叶片表面粗糙度提高。Bons等人详尽地描述了何种表面粗糙度会应用在燃气轮机上⑴。为了维持涂层部件等爛效率，我们有必要

3、去了解粗糙表面对叶片气动损失的影响。尽管研究工作表明提高透平叶栅表面粗糙度一定程度上能抑制叶片边界层的分离，从而达到控制流动，减少损失的目的卩切，但同时表面粗糙度的增加附加了一部分摩擦引起的动能损失，增大损失⑹。本实验通过研究不同表面粗糙度对透平叶栅总压损失的影响，研究热障涂层对透平叶栅气动性能的影响。2实验方法实验是在清华大学热能工程系燃气轮机实验室低速透平平面叶栅风洞中进行的。实验中通过在叶片表面粘贴耐水砂纸达到改变叶片表面粗糙度的目的。叶栅叶型是以某真实高压级透平静叶根部叶型为母型，叶栅共由六个叶片组成。该H栅的几何参数为：栅距t=91mm,叶片弦长b二

4、120mm,叶片高度h二127mm,叶片节弦比t/b=O.75&展弦比h/b1.058=o叶栅的叶型见图一。•本项研究得到武器预研基金的支持实验分別对光滑表面叶片及三种非光滑表面叶片的栅前栅后流动参数进行测量。改变粗糙度的实现手段是在叶片表面贴500#（360目）、360#（240目）、200#（120目）的耐水砂纸，砂纸基层厚度为0.1mm。进行吹风试验，试验过程中要保证砂纸无翘起、脱落等情况，以确定在试验中对流动影响的主要因素是粗糙度。实验分别在20度、10度、0度、-10度、-20度攻角下完成，通过测量得到了光滑表面叶片及几种非光滑表面叶片的栅后能量损失

5、、落后角和栅后速度分布值。在此分析不同光滑表面叶栅的损失，并和光滑叶片的结果进行比较。3实验结果与讨论图2〜图3为一10度和0度攻角下叶栅出口能量损失系数一个栅距平均值沿叶高的分布。高度0表示叶片端部，高度64代表叶片中部。h/mm图30度攻角下各表面栅后总压损分布图270度攻角下各表面栅后总压损分布从上图可以看出，随着叶片表面粗糙度的增加，两个攻角下的叶栅出口能量损失系数增加，粘贴200#砂纸损失增加显著。在叶片不同高度，叶片端部损失增加更加剧烈。在0度攻角下，就总损失值而言，与光滑表面叶片相比，三种非光滑表面叶片损失分别增大1/2%>5.8%、41.8%,

6、随着表面粗糙度增大依次增大。在-10度攻角下，能更明显地观察到损失随着表面粗糙度增大而增大的趋势，总损失值分别增大了6.7%、13.4%、43.5%,比0度攻角都要大。可以得出这样的结论：随着叶片表面粗糙度的增大，绕流叶栅流动阻力增加，损失增大。增大表面粗糙度虽然能一定程度上起到抑制边界层分离的作用，但同时带来的动能损失更大，对于该叶栅而言，比粘贴500#砂纸粗糙的表面在不同攻角下，流动损失都加剧，起负面影响。同时500#砂纸粗糙表面的损失和光滑叶片的损失差别不大，从另外一个角度说明对于该叶栅，由于粘贴了砂纸，叶片的厚度有略微的增加，但是厚度的轻微改变对损失的

7、彩响不是特别大。从图2和图3可以看出，不同攻角下叶片岀口能量损失均随着表面粗糙度的增加而增加。对于同一粗糙表目，一10度攻角损失增加幅度比0度大。不同攻角下的损失增加.幅度有什么规律？图4和图5为各攻角下光滑叶栅和粘贴500#砂纸粗糙表面栅后能就损失沿叶高的分布。h/mmh/mm图4不同攻角下各表面栅后总压损分布（光滑）图5不同攻角下各表面榻后总压损分布500#）’从上图可以看出，该叶栅的光滑叶片随着攻角的增大，损失呈增趋势大。粗糙叶栅随着攻角变化损失的总分布也是一致的。但是和0攻角比较，其他攻角损失增加更加显著，特别对于正攻角，在靠近叶片端部的大部分区域，损

8、失增加更为明显。表一给出了不同攻角下粘