基于PSP技術(shù)的壓氣機(jī)跨聲葉柵表面壓力場(chǎng)測(cè)量

陳子龍，熊兵，黃明鏡

（1.中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京100120；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

基于PSP技術(shù)的壓氣機(jī)跨聲葉柵表面壓力場(chǎng)測(cè)量

陳子龍1，熊兵2，黃明鏡2

（1.中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京100120；2.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

為測(cè)量壓氣機(jī)跨聲葉柵表面壓力場(chǎng)，選擇美國(guó)ISSI公司的Binary FIB PSP（壓敏涂料），并根據(jù)涂料和跨聲葉柵合理搭配相機(jī)和光源系統(tǒng)，對(duì)涂料進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)計(jì)了兩種不同的光路布局和拍照方案，獲取了吸力面與壓力面在多個(gè)攻角和馬赫數(shù)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：對(duì)于壓氣機(jī)葉柵試驗(yàn)，打光和相機(jī)采取側(cè)向布局效果更好。在0°攻角下，吸力面的吸力峰靠近前緣；隨著攻角的變大，吸力面氣流在靠近前緣很短距離完成加速和靜壓下降過(guò)程，然后沿弦長(zhǎng)方向開(kāi)始減速，壓力面氣流在葉片前緣附近很短距離內(nèi)完成減速增壓過(guò)程。當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到0.8時(shí)，葉柵通道出現(xiàn)了激波；隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的提高，葉片吸力面和壓力面表面的靜壓值變小。

壓氣機(jī)；壓力敏感涂料；跨聲葉柵；壓力測(cè)量；激波；光路布局

1　引言

PSP（壓敏涂料）技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的非接觸式光學(xué)壓力測(cè)量技術(shù)，利用空氣介質(zhì)中的氧分子對(duì)壓力敏感材料發(fā)光的猝熄作用，通過(guò)CCD相機(jī)將被測(cè)對(duì)象表面涂層熒光或磷光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換為偽彩色圖像，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)獲取表面壓力分布［1-2］。20世紀(jì)80年代以來(lái)，PSP技術(shù)由于具有不改變被測(cè)工件表面結(jié)構(gòu)和全域壓力測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［3-4］，迅速在外流場(chǎng)的風(fēng)洞試驗(yàn)壓力測(cè)量中得到應(yīng)用并逐漸成熟［5-9］。同時(shí)，國(guó)外也把PSP技術(shù)逐步應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流精細(xì)測(cè)量［10-12］。在國(guó)內(nèi)，該項(xiàng)技術(shù)也逐步推廣應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流表面壓力測(cè)試。2009年，周強(qiáng)等［13］利用穩(wěn)態(tài)PSP技術(shù)測(cè)量了孤立葉柵吸力面最大馬赫數(shù)0.4工況下的壓力分布；2011年，高麗敏等［14］測(cè)量了單個(gè)葉柵吸力面亞聲工況下的壓力分布。但對(duì)于PSP技術(shù)在跨聲葉柵試驗(yàn)測(cè)試方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。

本文利用穩(wěn)態(tài)PSP涂料，測(cè)量了壓氣機(jī)跨聲葉柵葉背和葉盆表面壓力場(chǎng)，獲取了葉片表面流動(dòng)分離和激波。

2　試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院的超、跨聲速葉柵風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)洞與高壓貯氣罐相接，最大質(zhì)量流量為22.4 kg/s，穩(wěn)定工作時(shí)間大于4 min，壓力波動(dòng)不大于0.3%。試驗(yàn)段工作圓盤(pán)可在20°～90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足試驗(yàn)不同進(jìn)口氣流角的變化。試驗(yàn)段如圖1所示，主要由左、右壁面，圓盤(pán)，及上、下駐室組成。葉柵試驗(yàn)件安裝在圓盤(pán)上，葉柵試驗(yàn)狀態(tài)主要由葉柵進(jìn)口氣流角和進(jìn)口氣流馬赫數(shù)決定。

圖1　試驗(yàn)段示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of experimental area

2.2試驗(yàn)件

試驗(yàn)葉型為跨聲擴(kuò)壓葉型，弦長(zhǎng)B=65.0 mm，柵距T=49.1 mm，安裝角γ=60.65°，設(shè)計(jì)進(jìn)口氣流角β= 45.7°，設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)Ma=0.66。葉柵右柵板為透明的航空有機(jī)玻璃，作為CCD拍照視窗；葉柵左柵板為普通金屬，以便在葉柵內(nèi)部形成暗室，葉盆和葉背各布置了16點(diǎn)穩(wěn)態(tài)靜壓孔。葉柵試驗(yàn)件實(shí)物圖如圖2所示。

3　測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方案設(shè)計(jì)

3.1測(cè)試設(shè)備

3.1.1壓敏涂料

試驗(yàn)所用壓敏涂料為美國(guó)ISSI公司的Binary FIB PSP，涂料性能見(jiàn)表1，涂料光譜曲線見(jiàn)圖3。

圖2　葉柵試驗(yàn)件實(shí)物圖Fig.2 The photo of test cascade

表1　Binary FIB PSP性能參數(shù)Table 1 Binary FIB PSP performance parameters

圖3　Binary FIB PSP光譜特性曲線Fig.3 Binary FIB PSP curve of spectrum

3.1.2PSP測(cè)試系統(tǒng)

PSP測(cè)量系統(tǒng)將根據(jù)涂料和測(cè)試對(duì)象合理搭配相機(jī)和光源。選擇2臺(tái)PowerView Plus 4MP CCD相機(jī)同時(shí)進(jìn)行拍攝，相機(jī)像素為2 048×2 048，12 Bit圖像。試驗(yàn)時(shí)，在相機(jī)前安裝中心波長(zhǎng)分別為650 nm和560 nm的兩種濾鏡，即參考光使用560 nm帶通濾鏡，敏感光使用650 nm帶通濾鏡。從而采集兩種熒光成分所對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，并用這些信號(hào)來(lái)分析并彌補(bǔ)由于試件變形、移動(dòng)以及溫度變化等帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差，提高測(cè)量精度。

光源使用連續(xù)式蘭譜里克LED光源LHF084-3，可有效激發(fā)穩(wěn)態(tài)測(cè)量中使用的Binary-FIB涂料。

3.2測(cè)試方案設(shè)計(jì)

穩(wěn)態(tài)測(cè)量使用連續(xù)式LED光源進(jìn)行熒光激發(fā)，CCD相機(jī)進(jìn)行2～4 s長(zhǎng)時(shí)間曝光，以獲取PSP熒光圖像。在采集試驗(yàn)圖像時(shí)，相機(jī)以40幀的速度連續(xù)拍攝，同時(shí)采集葉片表面各靜壓孔的壓力測(cè)量值，在分別獲取吹風(fēng)圖像及暗背景圖像后停止采集。

光路布置對(duì)測(cè)量結(jié)果具有重要影響。首先，光路布置必須保證葉片表面能夠被激發(fā)光照射且被相機(jī)拍攝，其次要保證激發(fā)光和相機(jī)能以接近垂直的方向進(jìn)行照明和拍攝，因?yàn)榕臄z角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致PSP測(cè)量精度嚴(yán)重下降。因此，在綜合考慮光照、拍攝角度、相機(jī)與光源位置、曝光、光圈、光污染及光路通暢性后，在試驗(yàn)件所需拍攝的位置表面確定不少于5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)以及幾何位置，對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行拍攝，獲得表面的光強(qiáng)分布。

穩(wěn)態(tài)PSP試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種不同的光路布局方案。圖4為第一種穩(wěn)態(tài)PSP試驗(yàn)光路布置方案照片（簡(jiǎn)稱(chēng)方案一）。該方案采用逆向氣流打光及拍照，只測(cè)量葉背表面壓力場(chǎng)。圖5為CCD視角，可見(jiàn)該視角對(duì)吸力面在縱向上產(chǎn)生壓縮，且無(wú)法看見(jiàn)前緣，但在大攻角時(shí)略微改善。

圖4　穩(wěn)態(tài)PSP光路布局方案一Fig.4 The first arrangement of PSP optical path

圖5　光路布局方案一的CCD視角Fig.5 CCD view of optical path arrangement

圖6為第二種穩(wěn)態(tài)PSP試驗(yàn)光路布置方案照片（簡(jiǎn)稱(chēng)方案二）。該方案采取柵板側(cè)面打光及拍照，能同時(shí)測(cè)量葉背和葉盆表面壓力場(chǎng)。

圖6　穩(wěn)態(tài)PSP光路布局方案二Fig.6 The second arrangement of PSP optical path

3.3PSP標(biāo)定

通過(guò)標(biāo)定獲取PSP涂料在不同壓力和溫度下的圖像，從而定量獲得試驗(yàn)葉片表面壓力場(chǎng)。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試需求，設(shè)定標(biāo)定艙在不同壓力和溫度條件下，用兩臺(tái)相機(jī)分別采集Binary FIB PSP涂料的參考層和敏感層的亮度圖像，經(jīng)圖像處理后獲得光強(qiáng)比與壓力及溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系［15］。涂料的標(biāo)定曲線如圖7所示，可見(jiàn)涂料的特性曲線并不滿足經(jīng)典的線性stern-volmer關(guān)系，而是其二次曲線關(guān)系。

圖7　PSP標(biāo)定曲線Fig.7 PSP calibration curve

4　試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

對(duì)同一工況下的多張圖像，先經(jīng)過(guò)平均處理再經(jīng)過(guò)圖像處理得到亮度比圖像，根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)獲得光強(qiáng)比與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，換算得到壓力分布圖像。

4.1逆向氣流布局穩(wěn)態(tài)PSP測(cè)試結(jié)果

在0°和8°攻角多個(gè)進(jìn)口馬赫數(shù)下完成葉片吸力面壓力場(chǎng)測(cè)量。圖8、圖9分別給出了0°和8°攻角下，吸力面壓力場(chǎng)云圖隨進(jìn)口馬赫數(shù)從0.40增大到0.80的變化趨勢(shì)。從圖8中可知，隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大，葉片吸力面靜壓減小。根據(jù)總壓、靜壓和馬赫數(shù)的關(guān)系式可知，若來(lái)流總壓一定，馬赫數(shù)較小則來(lái)流靜壓較高，馬赫數(shù)增大則來(lái)流靜壓減小。由Ma=0.80的壓力圖像可知，最小靜壓位置不在最靠近前緣處（最右側(cè)），而是與最右側(cè)還有一較短距離。對(duì)應(yīng)于吸力峰，在吸力峰前，氣流急劇加速，使得葉片表面靜壓顯著下降；過(guò)了吸力峰，沿弦長(zhǎng)方向，靜壓顯著增大，對(duì)應(yīng)于氣流減速。

圖9中，只有靠近最右端的部分靜壓較低。這是因?yàn)楣ソ亲兇?，氣流在靠近前緣的很短距離內(nèi)完成加速和靜壓下降，然后沿弦長(zhǎng)方向開(kāi)始減速，靜壓升高。8°攻角下，所拍畫(huà)面大部分對(duì)應(yīng)于氣流的減速增壓過(guò)程。

圖8　0°攻角時(shí)吸力面壓力場(chǎng)隨馬赫數(shù)的變化Fig.8 Pressure field changes of suction surface with Mach number at 0°attack angle

圖9　8°攻角時(shí)吸力面壓力場(chǎng)隨馬赫數(shù)的變化Fig.9 Pressure field changes of suction surface with Mach number at 8°attack angle

4.2柵板側(cè)向布局穩(wěn)態(tài)PSP測(cè)試結(jié)果

柵板側(cè)向布局穩(wěn)態(tài)PSP測(cè)試試驗(yàn)在3個(gè)攻角、多個(gè)進(jìn)口馬赫數(shù)工況下，利用兩套PSP系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量葉片的吸力面和壓力面壓力場(chǎng)，部分測(cè)試結(jié)果如圖10～圖12所示。圖中，壓力面葉柵左側(cè)為前緣，右側(cè)為尾緣；吸力面葉柵下側(cè)為前緣，上側(cè)為尾緣。

圖10為0°攻角下壓力面壓力場(chǎng)隨進(jìn)口馬赫數(shù)（0.40～0.843）的變化趨勢(shì)。可見(jiàn)，0°攻角下，壓力面靜壓基本上從前緣開(kāi)始就逐漸增加，馬赫數(shù)越高前緣附近的靜壓越低，這是因?yàn)閬?lái)流靜壓下降。對(duì)于Ma=0.843的情況，30%弦長(zhǎng)處?kù)o壓變化較劇烈，在很短距離內(nèi)靜壓就顯著增加。這是因?yàn)閬?lái)流馬赫數(shù)較高，葉柵通道內(nèi)存在激波，靜壓突增位置對(duì)應(yīng)于激波打在葉片的位置；而其他較低馬赫數(shù)情況下，由于不存在激波，所以看不到這種現(xiàn)象。

圖10　0°攻角時(shí)壓力面壓力場(chǎng)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化Fig.10 Pressure field changes of pressure surface with inlet Mach number at 0°attack angle

圖11給出了4°攻角下吸力面壓力場(chǎng)隨進(jìn)口馬赫數(shù)（0.40～0.85）的變化趨勢(shì)。由圖10和圖11可知，葉片在展向中間有明顯的粗糙帶，可能是由于光路布置及涂料對(duì)激發(fā)光響應(yīng)等因素所致。沿葉片弦向方向，吸力面壓力分布趨勢(shì)為先下降再上升，對(duì)應(yīng)氣流的加速減壓及減速增壓過(guò)程。壓力面壓力分布對(duì)于Ma=0.80和0.85的情況，靜壓下降到最小，然后在很短距離內(nèi)顯著增加，這說(shuō)明葉柵通道內(nèi)存在激波，激波前氣流速度下降，通過(guò)激波后靜壓很快增加。其他較低馬赫數(shù)情況下，該現(xiàn)象沒(méi)那么明顯，說(shuō)明葉柵通道內(nèi)不存在激波。

圖12為8°攻角下壓力面壓力場(chǎng)隨進(jìn)口馬赫數(shù)（0.40～0.85）的變化趨勢(shì)。可見(jiàn)，氣流在葉片前緣附近很短距離內(nèi)完成減速增壓過(guò)程，之后靜壓變化平緩，速度緩慢下降。由于觀察不到靜壓突增過(guò)程，說(shuō)明此時(shí)激波沒(méi)打在葉片壓力面上，或不存在激波。壓力面壓力分布趨勢(shì)為先上升后平直，隨著馬赫數(shù)的增大，趨勢(shì)明顯，對(duì)比強(qiáng)烈。

圖11　4°攻角時(shí)吸力面壓力場(chǎng)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化Fig.11 Pressure field changes of suction surface with inlet Mach number at 4°attack angle

圖12　8°攻角時(shí)壓力面壓力場(chǎng)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化Fig.12 Pressure field changes of pressure surface with inlet Mach number at 8°attack angle

5　結(jié)論

（1）對(duì)于壓氣機(jī)葉柵試驗(yàn)，打光和相機(jī)采取側(cè)向布局，可視區(qū)域比逆氣流方向布置更寬泛，獲取的壓力圖像更有利于表征流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

（2）隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的提高，葉片吸力面表面的靜壓值變小。靜壓最小的位置對(duì)應(yīng)于吸力峰，在吸力峰前，氣流急劇加速，使得葉片表面靜壓顯著下降，過(guò)了吸力峰，沿弦長(zhǎng)方向，靜壓顯著變大，氣流減速。沿葉片弦向方向，吸力面壓力分布趨勢(shì)為先下降再上升，對(duì)應(yīng)氣流的加速減壓以及減速增壓過(guò)程。當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到0.80時(shí)，靜壓下降到最小后在很短距離內(nèi)又顯著增加，這說(shuō)明葉柵通道內(nèi)存在激波。

（3）壓力面上的靜壓從前緣開(kāi)始逐漸增加，馬赫數(shù)越高，前緣附近的靜壓越低。當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到0.80后，靜壓在30%弦長(zhǎng)處變化比較劇烈，在很短距離內(nèi)顯著增加，葉柵通道內(nèi)存在激波，靜壓突增的位置對(duì)應(yīng)于激波打在葉片的位置。

（4）隨著攻角的變大，吸力面氣流在靠近前緣的很短距離完成加速和靜壓下降的過(guò)程，然后沿弦長(zhǎng)方向開(kāi)始減速，靜壓升高；壓力面氣流在葉片前緣附近很短的距離內(nèi)完成減速增壓過(guò)程，之后靜壓變化平緩。

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Transonic cascade pressure-field measurement based on PSP technique

CHENG Zi-long1，XIONG Bing2，HUANG Ming-jing
（1.China Aviation Planning and Construction Development CO.LTD.，Beijing 100120，China；2.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

In order to measure transonic cascade surface pressure field，Binary FIB pressure sensitive paint of ISSI company USA was chosen，optical system and CCD camera were configured to calibrate pressure sensitive paint.Test data of suction surface and pressure surface had been obtained under several attack angles and Mach numbers.Pressure contours illustrated that optical arrangement can obtain better result in side direction.Test results indicated that the peak value was near inlet edge of suction surface in the 0°attack angle.The air stream near the inlet edge of suction surface completed acceleration and static pressure fall within a very short distance，and then the stream velocity decreased along the chord direction.The air stream near the inlet edge of pressure surface completed speed-down and static pressure increase within a very short distance.Cascade passage appeared shock wave in 0.8 Mach.The static pressure in suction surface and pressure surface decreased as Mach number increased.

compressor；pressure sensitive paint；transonic cascade；pressure measurement；shock wave；optical arrangement

V263.3

A

1672-2620（2015）04-0057-06

2015-06-04；

2015-07-10

陳子龍（1969-），男，北京人，工程師，主要從事電氣自動(dòng)化及測(cè)試技術(shù)研究工作。