表面粗糙度对低压涡轮效率的影响

1、表面粗糙度对低压涡轮效率的影响表面粗糙度对低压涡轮（LPT）效率的影响是在多级高速涡轮设备中进行实验研究的。这个实验设备包含了三级的涡轮级。这些涡轮级的特点是具有很高的表面扭转角度，反向切断设计，具有非常高的升力，以及非常高的展弦比翼型。涡轮的两种翼型（静子和转子）都进行了实验。第一组是由翼型粗糙度直径尺寸为0.7m（253510-5 ks / Cm），这是具有代表性的LPT抛光翼型。第二组翼型的转子的表面光洁度为1.8 m，定子的表面光洁度为2.5m。（对于转子和定子的ks / Cm约90x10 -5）。翼型几何，速度三角形，前缘和后缘位置和流动路径一直保持在两组叶片之间。两组实验是在相同的

2、仪器和实验条件下进行的，目的是为了确定粗糙度对于涡轮整体效率的影响。获得的两组涡轮的参数：速度敏感度，具体工作状态，雷诺数和流通气流。通过比较结果表明：两种类型的翼型的效率和性能表现出相同的结果。从这项研究的结果中不能很明显的确定操作条件范围对效率的影响（实验结果相近，区别不明显）。本次实验结果与以前在涡轮粗糙度分布影响效率的结果一致：在高海拔环境下，一些铸态粗糙的低压涡轮翼型并不会导致额外的压力损失。简介飞机发动机的低压涡轮工作的雷诺数是在一个很宽的范围的，这个范围所处的海拔是从海平面到高海拔（43000英尺）。在这个广泛的范围内，大型涡轮机的雷诺数是基于吸力面的长度，其长度所达到的雷诺数从

3、10万到50万。这些涡轮的效率和雷诺数也存在至关重要的关系，所以在高海拔的情况下可以降低雷诺数。这种效率的降低被称为雷诺兹失效。这些涡轮的翼型组件需要进行喷砂，表面时效处理，然后进行铸造，这些工序就是为了让叶片表面的粗糙度的特征尺寸为2.2微米，直径为70-9010 5 ks / Cm。部分的涡轮的粗糙度是可以在一定的范围内变动的，但是很多特定功能的零部件就需要额外的进行抛光，使其表面粗糙度为0.8微米。甚至是0.5微米，用于精细抛光的翼型为70-9010 5 ks / Cm。这些涡轮的临界雷诺数（粗糙度雷诺数对应于K+=5）近似为100.当低于这个阈值的范围被称为“液压光滑”，在这种情况下，

4、粗糙度的峰值是完全浸没在湍流边界层的亚层流中，并且增加表面粗糙度并不会引起压力损失的增加。相反，超过这个阈值的范围被称为过度粗糙或完全粗糙，这些粗糙度的影响或许和压力损失是相关的。对于大型涡轮机械中的典型子午弦涡轮翼型的为30mm，这个粗糙度形成的雷诺数超过了临界雷诺数的图像为图1，图中提前使用两个特征曲面粗糙度进行函数的操作，这两个粗糙度分别是直径为2.2和0.5m。图1对应粗糙度的临界雷诺数与高度的关系从图中可以看出，超抛光（粗糙度直径为0.5m）在整个工作范围内都远低于临界雷诺数（图1中的红线），因此，粗糙度对压力损失具有一定的影响，这也符合了之前的预期。对于铸态粗糙翼型件（粗糙度为2.

5、2m）并不会发生这种情况。这些翼型在低海拔（<25 kft）工作时是处于过渡粗糙区域的，而在高海拔（> 25 kft）工作时是处于液压平滑的状态的；见图1.因此，粗糙的翼型在低海拔工作时会导致更加严重的压力损失（较低的效率），但在高海拔的巡航状态时粗糙的翼型和超抛光的的翼型对效率的影响并没有太大的差异。上文所描述的物理流动对于是有效的，当其应用到低压涡轮叶片上时需要更加仔细的进行，因为其雷诺数特别低且流过低压涡轮翼型的吸力侧具有可被分开为剪切层的特点。在很低的雷诺数环境下，根据前期的研究可以知道粗糙的可以促进在过度区中剪切层的分离，因此这会减小分离气泡的尺寸，也会减少轮廓损失。Br

6、aslow建议分离粗糙度的区域应该位于K+>19的上游。涡轮在巡航的状态下，低压涡轮的翼型在层流边界层分离的粗糙度为2.2m，而这个建议值是巡航值的五倍。因此，前面的结论仍然适用于低压涡轮翼型。鉴于前面的结论，选择应用于涡轮表面的粗糙度应该是明确的。当致力于工业应用的涡轮机械工作于海平面等附近的低海拔地区的应该使用抛光翼型。然而，应用于飞行器，特别是大型的商用飞机发动机可以使用铸造的粗糙态翼型，因为它在高度的情况下性能改变不大。不过，我们可以在飞机发动机的涡轮上使用抛光或甚至超抛光翼型。明显可以证明这一观点不合理的原因之一是：每一台发动机在交付给客户之前都要进行验证传递测试。传递测试是用

7、于验证发动机的单位燃油消耗率在保证的范围内。由于这些测试是在海平面条件下进行的，抛光翼型可以帮助实现所允许的SFC。 另外，在飞机起飞时，抛光翼型能够实现较低的涡轮燃气温度，但这导致需要增加维护时间。这项研究的主要目的是验证低压涡轮机与铸态粗糙翼型在高海拔区域工作的可行性; 也就是说，在高于30 kft时不会有效率下降。 如果这是真的，那就可以知道翼型粗糙度对于燃油消耗率在很大的范围内是可以忽略的。表面粗糙度对燃气轮机的效率影响一直研究了半个多世纪。 研究已经致力于三个不同的主题：（1）使在役燃气涡轮结构衰退（2）表面粗糙度对涡轮和压气机性能的影响，以及（3）表面粗糙度对涡轮热传导的影响。 这

8、些研究的出版物都被Bons很好的进行审查和记录。实际上，本文属于第二组，因此，本研究的目的是深度研究表面粗糙度对于低压涡轮效率的影响。众所周知，粗糙度可以改变涡轮的性能。这种效应取决于雷诺数和粗糙度尺寸。 在低雷诺数下，粗糙度可以减小或消除层流分离气泡，从而减少损失；而在高雷诺数，其中边界层是湍流，粗糙度可以增加边界层动量厚度，从而增加损失。几个研究人员研究了翼型表面粗糙度对叶型损失造成的影响，包括Boyle 3，Hummel 7，Roberts2，Vera 8，Matsuda 9和Montis 4。 相反，很少有人注意翼型粗糙度对端壁损失的影响，如在松田9。 所有的以前的作者都使用线性级联的

9、方法开发了他们的研究并且他们都没有选择在真实涡轮翼型中的材料和制造过程（铸造是使用镍基合金）。最近，Vazquez et al。 10研究了表面粗糙度对叶型损失和端壁损失的影响。他们测试了具有先进低压涡轮特征的单级设备（称为PTB4R）。实验装置的验证部分是在转子的下游安装了一个静子，而静子是作为尾流发生器。因此，定子是一个不稳定的环形级联，具有的弱化具有代表性的进入气流的优点，因为实验中使用了真正的转子。该设备在高速条件下运行，在定子出口处的巡航马赫数为0.61。定子使用两个不同的表面粗糙度进行了测试，粗糙度直径为0.5和2.2 m。这个实验偏离以前的调查，主要是由于更具代表性的操作条件（多

10、阵列和可压缩流动），在此进行实验和由于在径向变化方面更具代表性的几何形状比率和在尺寸和拓扑方面的表面粗糙度。对于雷诺数超过1.5105，粗糙度的对PTB4R的叶型损失的影响是中性的。 这个结论与以前研究人员的研究结果相吻合。所有公布的数据显示出表面粗糙度对叶型损失的影响随着雷诺数的增加而增加。增加的损失是由粗糙所引起的过渡区域和湍流边界层动量损失两部分组成的。虽然这个实验包含了这些研究内容，但这种效应并没有在对PTB4R的实验中出现，因为在对应的实验中所具有的最高的雷诺数并没有超过其临界雷诺数。对于PTB4R翼型，基于数值计算估计该阈值为100。这个雷诺数的值也和其他的研究人员的数值很接近，如

11、Nikuradse 11和Schilichting 12与Leipold等人13和Bammert 14翼型。因此，两种粗糙度所具有的测试雷诺数的设计都在“液压平滑”状态内。粗糙度的峰值是全部处于湍流边界层的层流子层中，而且随着粗糙度的增加不应该造成涡轮的压力损失。关于端壁损失，螺旋度和出口流动角，azquez 10表明他们几乎不受粗糙度的影响。但很少的研究人员研究了粗糙度对于涡轮端壁二次流的影响，Matsuda测量了在大尺寸的叶栅级中的不同程度的表面抛光的（0.8x105<Rz / c <8.4x104）剖面和端壁的总压损失。它们发现当粗糙度变得很大的情况下端壁损失会显著的增加（高

12、达50）。这个结果似乎和Vazquez的结果相矛盾。然而，两个研究之间存在重要的差异可以证明它们之间的差异。Vazquez对两个粗糙度集进行了调查研究，这个两个粗糙度集分别是5和7，这也与松田的研究类似。然而，松田对两个粗糙度集都进行了更高的雷诺数测试，这个雷诺数超过了Vazquez（468和1093对43和100）使用的最大雷诺数。前者远远高于临界雷诺数，如果可以从松本的结果中推断出结论的话，那么粗糙度和叶型结构（C5和C7）对叶型损失都具有很大的影响。在这些例子中，松田测试粗糙度的雷诺数低于其对应的临界雷诺数100，第一和第二个实验样本中都没有发现粗糙度对叶型和端壁损失存在影响。因此，最后

13、的实验结论与PTB4R的结论相吻合。因此，从PTB4R装置的实验结果中可以证实低压涡轮在巡航高度时的翼型能够使用铸态粗糙翼型，并且其对涡轮效率没有影响。实验设备是由ITP设计和测试的国家研究方案的框架的一部分。本论文的最终目的是完成粗糙度的研究，以此获得一个应用于真实的操作环境的成熟技术。在结束研究以前需要一个更加真实的实验进行验证，试验中需要在高海拔的环境下使用多级高速旋转的低压涡轮进行测试。实验装置实验是在西班牙的某个实验室中进行，实验样本在跨音速的风动中进行测试的。这是一个连续流动、开环、可变密度、雷诺数和马赫数都可以独立固定的实验装置。使用两个真空泵来实现低于大气压压力（低至12 kP

14、a）。一个两级压气机组用于控制压比，气流温度和气流通道中的气流马赫数。最大的质量流量可以达到20kg / s。在进入涡轮之前，气流流过一个沉降室，用于消除涡流和轴向速度不均匀性。向下游流动的沉降室的任务就是产生径向分布的流动及要求的总压，这些参数都应该在低压涡轮实验样本的入口处具备。图2 测试设备另外，外壁的边界层被吸出在转子前缘的上游大约一个弦这样的地方，对于所有的测试条件，厚度和形状因子被调整为类似于涡轮发动机中运行时候的数值。内部的边界层要足够薄，用来代表真实的涡轮边界层的情况，因此它没有进行调整。清洗/冷却流动都会在设备中进行操作。空气供应由一个空气系统在前腔中注入。这些空气然后分布在

15、盘腔通过在盘臂中的冷却孔钻出。流动的气流的量和主质量流动有关，这些和冷却孔的尺寸已经被定义为真实的低压涡轮最具有代表性的参数。对于所有的测试条件，除了一系列特殊敏感的测试以外，纯流动的气流质量的比例保持稳定。 低压涡轮的效率是通过总压和总温传感器在飞机的进气口和排气口进行计算和评估的。这些传感器是专门为这台设备设计的。总压传感器已经进行了动态的校准，以便探头获得在最大入射角时的压力。总温传感器已经被仪表化了，成为T型热电偶。每个热电偶都在水 - 油浴中进行单独校准，用于获得的结果的不确定性不超过±0.1。温度传感器是进行动态校准的。适宜的故障率和回复因子用来校正速度和传导误差，最终获

16、得的因子的精确度达到±0.005.在设备的运行期间，粗口的传感器在需要时会进行旋转角度一确保所有的探针都在入射限度内。此外，低压涡轮的效率还可以通过转矩计获得。基于转矩所获得的效率就非常类似于从热力学效率中获得，但其结果会是一样的；因为这个原理，在论文中只会给出热力学效率。净流量所占的比例在效率中一直有评估。在理想工作条件的评估中，气流源产生的气体流动的等熵膨胀到出口时，其总压已经增加了。进口和出口角度已经用两个小型快速响应的五孔探针进行测量。这些探针具有1.6mm直径锥形头其成45度角。孔的大小为0.3mm。探针是针对马赫数在0.1到0.9、偏航和俯仰角为-60到60度、每次校准2

17、300个点。此外，制定的五个静态的Endevco压力传感器的校准在试验前后进行。在测试期间，温度对于试验的影响将会被外部补偿。更多的测量过程能够在azquez的文章中展现。另外，沿着定子的静压分布方向分别在五个跨度（4，25，50，75和98）上布置了测量器进行测量。一个直径0.2毫米的微型皮托管用于横穿实验设备的内部和外界边界层。所有的压力注册读数用“Scanivalve 3018”，压差传感器的测量范围为35 kPa，精确度为±0.05% fs（约为气流动态出口的0.18%）。所有的静态温度通道的校准都会在测试之前完成，这样能够确保温度的测量能够达到高精度。 全世界的设备的效率的

18、不确定性为±0.2，具有重复性为±0.1，这是根据ANSI / ASME标准估计的。该设备包括三级最先进的低压涡轮（见图3），以下称为Rig-E。这级具有非常高的比倾角的特点，反向截止设计，非常高的升力，以及非常高的弦长比翼型。Rig-E主要的参数的总结在表格1中。图3 Rig-E设备布局在实验中所有的翼型（定子和转子）和Rig-E具有相似的设计，沿着跨度也具有相似的均匀分布的压力系数（Cp）（参见图4）。更多的设计细节可以在参考文献中找到。 图4 测量和计算的Cp分布（a）25，（b）50，和（c）75（c）第三定子的跨距位置设计条件对两组的翼型进行了测试（定子和转子）。

19、第一组：（以下称为构造1）机加工制成铝翼型，粗糙度尺寸为0.7m，Ra（25-3510 -5 ks / Cm），这个翼型代表了抛光翼型。在测试完成后，拆卸设备并且对定子和转子进行破坏，使其表面粗糙度增加。第二组翼型件的表面光洁度（称为构造2），转子的粗糙度为1.8m，定子的粗糙度为2.5m，（约为90x105ks / Cm）对于定子和叶片）.这组的粗糙度代表了低压涡轮机的“铸态”翼型。翼型几何，速度三角形，前缘和尾缘随边缘位置和流路也保持在两者之间。定子装置表面的粗糙度对于定子来说只是一个很小的百分比，为了避免装置的损坏，还是使定子维持原有的粗糙度。不幸的是，现有使用的表面测量设备（压力攻丝和

20、热膜）的布局影响了由于粗糙度所造成的边界层的发展。同样，翼型被组装在设备中，并在相同仪器和相同的操作条件下测试，这个目的是为了确定单一表面粗糙度因素对整体效率的影响。将测量的算术平均粗糙度转换为等效的粒子粗糙度，使用的公式是：ks=8.9Ra，这是摘自其他地方的，见表2。结果和讨论本节着重介绍实验结果。介绍对于两组翼型的雷诺的敏感度，轴速度，比功和流量。对雷诺数的敏感度在测试中两组试验体对雷诺数的敏感度都进行了测量。图5中显表示的是低压涡轮效率随着Rig-E的平均雷诺数的变化而变化。效率的值是多个样品的平均值的结果同样的测试。 对于一些测试条件有几个不同的值，原因是其对应于在不同天进行的测试。

21、对应于设计的操作条件的细节条件（ADP）已包括在表3中。表格中的参考效率是设计效率。效率的数值是通过进行多次的相同实验所获得的平均值得到的。在不同的实验条件下会有几个不同的效率值，这些值都与不同的实验日期有关。在表3中记录的细节是实际操作环境(ADP)与设计操作环境的对比。相应的雷诺数在吸力方面侧跨长度和粗糙度尺寸（ks）在表4和5中有详细的介绍。对于这两个实验样本的所有粗糙度雷诺数是低于临界值100或略高于;因此在之前的试验中的粗糙度对涡轮效率没有显著的影响（在实验海拔范围内）。如图5所示，该结论由Rig-E的实验数据证实。两个样本之间的差异是可以忽略的，即使在最高的雷诺数和远低于实验雷诺数

22、的不确定区域。当然，测试的海拔的范围不会太大，它只允许确认在巡航状态下粗糙度与效率的独立性关系（35 kft以上）。图6显示了两个实验样本在设计条件下的径向分布对比。在每一个径向位置，在飞机的进出口之间的等跨度位置都通过焓来评估其效率。这两个实验样本都具有相同的效率分布，这个结果与图5一致。对轴向速度和比功的灵敏度。 图7表示的是两个测试样件分别在设计的100%和60%轴速度下的测得的效率变化。除了效率对雷诺数的灵敏度研究之外，与之相似的还有效率的值是在很多的试验中的多个样本测量结果的平均值。对于一些测试条件会获得一些不同的结果，这与其实验的开展日期相关。在图7的结果中可以确认在特定的速度线测

23、试范围的条件下两个样本所获得的测试结果没有明显的区别。实验结果之间所存在的显著性差异是归结于实验的不确定性和实验的精确度、重复性。实验的测试精度在较低特定的雷诺数下会更低，从较大的的样本之间可以确认这是因为设备内部通过的气流是具有较低的温度和压力。图7 低压涡轮在特定的100%和60%的轴向速度下的效率变化这个发现很有意义，因为能够确认出粗糙度的影响是中性的，并是不取决于叶片的轮廓外形和翼型上的负载分布。对于额定的转速情况下，当叶片的输出功率处于最低值，那么效率的降低会导致在设备的后端会形成负压。当负压气流的产生后，前端吸力面的负载将会降低。负压形成后在压力面会产生一个很大的隔离气泡，这气泡会阻挡相邻叶片之间的通道并且会增加吸力面后端的负载。图4和图8的对比可以清晰的看出负压的影响。图8 测量和预测定子1、2、3中点Cp的分布，它们在特定的实验环境下40%转速测试图9中可以看出相反的趋势，对应的是60%的转速线。当叶片的旋转速度降低时，气流流量会增加，然后在翼型的压力面的速度回上升的更高。此外，吸力面的速度峰值位置会向上游移动并且指向叶片的前缘，这将