軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)及流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)綜述*

戴怡峰 琚亞平 李 震 張楚華

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析是研究軸流壓氣機(jī)的三種基本方式。其中，實(shí)驗(yàn)是最直觀、最準(zhǔn)確、最令人信服的，不論是數(shù)值模擬還是理論分析，最終都要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)是實(shí)驗(yàn)研究的載體工具，試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)本身。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置，可以提高實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度，并試現(xiàn)預(yù)期的實(shí)驗(yàn)功能。以此獲得詳試準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于校核CFD 代碼、研究流動(dòng)機(jī)理和驗(yàn)證新的設(shè)計(jì)方法等。

由于高壓壓氣機(jī)后幾級(jí)尺寸小，很難對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，GE公司提出了低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù)[1]。低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù)是基于流動(dòng)相似準(zhǔn)則，將高速小尺寸真實(shí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換為低速大尺寸模型，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)低速大尺寸模型進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，診斷不足之處，指導(dǎo)設(shè)計(jì)研發(fā)。目前，常用的低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)以單級(jí)[2-4]和四級(jí)重復(fù)級(jí)[5-7]為主。但是，低速試驗(yàn)臺(tái)壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的馬赫數(shù)較小，往往忽略了可壓縮性的影響。對(duì)于研究某些可壓縮性較強(qiáng)的流動(dòng)物理現(xiàn)象，高速試驗(yàn)臺(tái)必不可少。而如果要模擬存在激波影響的超聲速流動(dòng)，則需要跨音速試驗(yàn)臺(tái)。相比于低速試驗(yàn)臺(tái)，高校中高速試驗(yàn)臺(tái)相對(duì)較少，而且以單級(jí)為主[8-10]。從公開文獻(xiàn)中調(diào)研到的多級(jí)高速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)很少，主要有里昂中央理工大學(xué)的3.5 級(jí)高速試驗(yàn)臺(tái)[11]和亞琛工業(yè)大學(xué)的2.5 級(jí)高速試驗(yàn)臺(tái)[12]。

軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)可以分為進(jìn)氣系統(tǒng)、軸流壓氣機(jī)、排氣系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)等。進(jìn)氣系統(tǒng)位于壓氣機(jī)上游，為壓氣機(jī)提供所需的進(jìn)氣條件。排氣系統(tǒng)位于壓氣機(jī)下游，通常裝有節(jié)流閥和排氣蝸殼。壓氣機(jī)的測(cè)量技術(shù)主要分為接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?。接觸式測(cè)量以各種氣動(dòng)探針和熱線（熱膜）風(fēng)速儀為典型代表，是壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)中最常用的測(cè)量工具。它們成本低、布置簡(jiǎn)單、信噪比高，但是其空間分辨率低，且會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾。非接觸式測(cè)量，通常測(cè)量精度高，測(cè)速范圍大，對(duì)流場(chǎng)干擾小，但具有成本高、布置復(fù)雜的缺點(diǎn)。

1 軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)的主要功能是引導(dǎo)氣體進(jìn)入試驗(yàn)段，減弱或消除環(huán)境參數(shù)擾動(dòng)的影響，保證壓氣機(jī)試驗(yàn)段進(jìn)口的氣流品質(zhì)滿足試驗(yàn)要求。

壓氣機(jī)的性能參數(shù)包括流量、總壓比和效率，這些參數(shù)的測(cè)量通常會(huì)用到定常探針，其測(cè)量精度受空氣擾動(dòng)影響，特別在進(jìn)氣系統(tǒng)非常短的情況下（如北航的低速模擬軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[4]），受空氣擾動(dòng)的影響更大。Liu等人[13]通過試驗(yàn)研究了不同流動(dòng)模式下進(jìn)口旋渦的形成，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口中心高度與進(jìn)口喉部直徑的比值是衡量是否產(chǎn)生進(jìn)口旋渦的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)進(jìn)口喉部的平均流速與環(huán)境流速之比為30而進(jìn)口中心高度與進(jìn)口喉部直徑之比大于2時(shí)，進(jìn)口不會(huì)形成來自地面的旋渦。

大多數(shù)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)氣口端做成喇叭口狀，緊隨喇叭口是一段長(zhǎng)的直管段，可以有效地減弱空氣擾動(dòng)的影響，同時(shí)能夠保證壓氣機(jī)進(jìn)口流動(dòng)的均勻性。如果進(jìn)氣系統(tǒng)存在彎頭等破壞流動(dòng)均勻性的結(jié)構(gòu)，則需要通過一定的方式來保證壓氣機(jī)進(jìn)口的流動(dòng)足夠均勻。NASA劉易斯研究中心通過在小型發(fā)動(dòng)機(jī)部件壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[14]的進(jìn)氣彎頭的下游設(shè)置一個(gè)帶屏風(fēng)的大尺寸進(jìn)氣室來給壓氣機(jī)進(jìn)口提供均勻的流動(dòng)。約翰霍普金斯大學(xué)的閉環(huán)式折射率匹配試驗(yàn)臺(tái)[3]在90°彎頭的下游安裝了兩個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)作為流動(dòng)整直器以消除旋渦；緊隨蜂窩結(jié)構(gòu)是一小段流道呈收縮狀的錐形進(jìn)口，用于減弱上游的擾動(dòng)；其后是一段相當(dāng)長(zhǎng)的等截面的環(huán)形流道，以使流動(dòng)在壓氣機(jī)進(jìn)口足夠均勻且達(dá)到接近充分發(fā)展圓管湍流的流動(dòng)狀態(tài)。達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)在跨音速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)[9]的彎頭處安裝了一系列導(dǎo)流筋以引導(dǎo)流動(dòng)。在進(jìn)氣口端的上游加裝一個(gè)大尺寸進(jìn)氣室也有助于隔絕環(huán)境空氣的不利影響，NASA 劉易斯研究中心的低速壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[15]（見圖1）、普渡大學(xué)的3.5級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[16]（見圖2）和里昂中央理工大學(xué)的3.5 級(jí)高速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[11]（見圖3）都采用了這種布置。這些都是可以作為參考的處理方案。另外，為了保證壓氣機(jī)效率測(cè)量精度小于1%，美國(guó)賴特帕特森空軍基地[17]對(duì)進(jìn)氣喇叭口截面及其附近的空氣流動(dòng)質(zhì)量（壓力、動(dòng)壓頭、溫度和湍流強(qiáng)度）提出了明確的要求。他們建議壓力和湍流強(qiáng)度的變化相對(duì)于平均值的偏差小于1%，溫度的偏差小于0.5%。

圖1 NASA劉易斯研究中心的低速壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[15]Fig.1 Low-speed compressor test rig in NASA Lewis Research Center[15]

圖2 普渡大學(xué)3.5級(jí)高速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[16]Fig.2 3.5-stage high-speed axial compressor test rig in purdue university[16]

圖3 里昂中央理工大學(xué)的3.5級(jí)高速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[11]Fig.3 3.5-stage high-speed axial compressor test rig in ecole centrale de lyon[11]

進(jìn)氣系統(tǒng)除了承擔(dān)調(diào)節(jié)流動(dòng)的功能，同時(shí)也是測(cè)量流量的理想位置。在壓氣機(jī)流量測(cè)量中，差壓式流量計(jì)是最常用的流量測(cè)量裝置。標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)有孔板、噴嘴和文丘里管，它們的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，在適用范圍內(nèi)不需試流標(biāo)定即可準(zhǔn)確預(yù)估流量與差壓的關(guān)系及其測(cè)量誤差[18]。差壓式流量計(jì)的測(cè)量精度很大程度上取決于一次裝置上下游直管段的長(zhǎng)度。以孔板為例，對(duì)于一次裝置上游存在單個(gè)90°彎頭、孔徑比為0.75 的孔板，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624 規(guī)定孔板的上下游最短直管段分別為20D和4D（D為管道直徑）。實(shí)際上，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，往往無法滿足上述要求，工業(yè)上通常認(rèn)為上游10D、下游5D即滿足要求。NASA劉易斯研究中心的小型發(fā)動(dòng)機(jī)部件壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[14]通過孔板測(cè)量流量，并且孔板上游的直管段通過90°彎頭分別吸入三種不同的進(jìn)氣條件，孔板上下游直管長(zhǎng)度段分別約為（10～11）D和（4～5）D。

高速軸流壓氣機(jī)通常代表著高壓比和大功率。為了減少功率消耗，里昂中央理工大學(xué)[11]和圣母大學(xué)的軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[19]通過在進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)置節(jié)流閥等機(jī)構(gòu)來降低進(jìn)氣壓力，進(jìn)而降低壓氣機(jī)功耗。

1.2 軸流壓氣機(jī)

最常見的研究型低速軸流壓氣機(jī)為單級(jí)和四級(jí)的結(jié)構(gòu)形式。四級(jí)結(jié)構(gòu)可以很好地模擬高壓壓氣機(jī)多級(jí)環(huán)境。NASA 四級(jí)低速軸流壓氣機(jī)[5]以第三級(jí)作為試驗(yàn)研究級(jí)，進(jìn)口導(dǎo)葉和前兩級(jí)為第三級(jí)提供真試的多級(jí)進(jìn)口條件，第四級(jí)為第三級(jí)緩沖壓氣機(jī)出口條件。南京航空航天大學(xué)低速軸流壓氣機(jī)[6]為四級(jí)重復(fù)級(jí)，其第三級(jí)的流量系數(shù)和壓升系數(shù)與被模擬級(jí)相同以準(zhǔn)確模擬高壓壓氣機(jī)被模擬級(jí)。相較于四級(jí)結(jié)構(gòu)，單級(jí)結(jié)構(gòu)難以模擬多級(jí)壓氣機(jī)環(huán)境。為了克服上述缺點(diǎn)，劍橋大學(xué)[20]在壓氣機(jī)進(jìn)口整流柵上游設(shè)置進(jìn)口總壓/速度調(diào)節(jié)格柵來模擬多級(jí)來流環(huán)境。北京航空航天大學(xué)[21]對(duì)傳統(tǒng)單級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種五排葉片（進(jìn)口導(dǎo)葉+靜葉+動(dòng)葉+靜葉+出口導(dǎo)葉）的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)口導(dǎo)葉和第一排靜葉為試驗(yàn)研究級(jí)提供近似多級(jí)的進(jìn)口條件，出口導(dǎo)葉為試驗(yàn)研究級(jí)提供下游葉片效應(yīng)。

1.3 排氣系統(tǒng)

軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)排氣系統(tǒng)的主要作用是將壓縮氣體引導(dǎo)至下游裝置，其主要由節(jié)流閥和排氣室及其下游的管道組成，少部分試驗(yàn)臺(tái)沒有排氣室，氣流從壓氣機(jī)后的環(huán)形流道直接排出[4]。

節(jié)流閥的作用是在定轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)流量，同時(shí)要求不影響壓氣機(jī)出口的流動(dòng)狀態(tài)，并且能夠快速的啟閉。常用的節(jié)流閥有蝶閥和錐形閥，里昂中央理工大學(xué)[11]和克蘭菲爾德大學(xué)的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[22]都通過在排氣段安裝蝶閥來調(diào)節(jié)流量。圣母大學(xué)的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[19]在壓氣機(jī)上游的進(jìn)氣段和下游的排氣段各安裝了一個(gè)蝶閥，這樣壓氣機(jī)的工況點(diǎn)就可以通過同時(shí)改變壓氣機(jī)上游和下游的壓力來調(diào)節(jié)。此外，進(jìn)氣段的蝶閥降低了壓氣機(jī)的進(jìn)口壓力，從而減少了壓氣機(jī)消耗的功率。普渡大學(xué)[16]和北京航空航天大學(xué)的軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[4]通過壓氣機(jī)下游的錐形閥調(diào)節(jié)流量，其基本原理是通過電機(jī)控制擴(kuò)壓段出口的圓筒形滑環(huán)的位移來調(diào)節(jié)流量。為了最大限度的減小旋流式蝸殼出口靜壓分布的周向不對(duì)稱，NASA 劉易斯研究中心專門設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)流閥[15]。該節(jié)流閥位于排氣蝸殼進(jìn)口，由兩片同心圓環(huán)組成，在每個(gè)圓環(huán)上都有一系列相互重合的小孔，通過改變兩片圓環(huán)的相對(duì)周向位置，就可以改變氣流通過的面積進(jìn)而調(diào)節(jié)流量。

壓氣機(jī)的喘振除了與壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的惡化有關(guān)外，還與壓氣機(jī)下游的管網(wǎng)有密切的關(guān)系。當(dāng)下游管網(wǎng)的容量很小時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生喘振；而當(dāng)管網(wǎng)容量很大且壓氣機(jī)又處于旋轉(zhuǎn)失速時(shí)，就有可能發(fā)生喘振[23]。為了確定壓氣機(jī)管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速和喘振的條件，Greitzer[24]通過實(shí)驗(yàn)研究提出了一種無因次參數(shù)B作為判斷準(zhǔn)則，即

式中，u是壓氣機(jī)葉片平均半徑處的圓周速度；a是當(dāng)?shù)匾羲?；Vp是壓氣機(jī)下游儲(chǔ)氣室到節(jié)流閥的容積；Ac是壓氣機(jī)環(huán)形流道截面面積；Lc是壓氣機(jī)及其后的環(huán)形流道長(zhǎng)度。當(dāng)B＜0.6時(shí)，只發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速；當(dāng)B＞0.7時(shí)，則出現(xiàn)喘振。在設(shè)計(jì)排氣蝸殼時(shí)，B值越小越好。

1.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

壓氣機(jī)的驅(qū)動(dòng)有電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩種形式。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下通常采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要是電機(jī)和傳動(dòng)軸，有時(shí)還包括齒輪箱和變頻器等輔助設(shè)備，其主要作用是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子在特定的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置應(yīng)以不影響壓氣機(jī)進(jìn)口流動(dòng)且能保持恒定的轉(zhuǎn)速為基本原則。如普渡大學(xué)的三級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[16]，其電機(jī)最初布置在進(jìn)氣口的前方。2007年，Key教授接手該試驗(yàn)臺(tái)后注意到壓氣機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，很難保持工作條件不變。由于傳動(dòng)系統(tǒng)位于進(jìn)氣口的前方，空氣在吸入壓氣機(jī)時(shí)受到了電機(jī)的影響，導(dǎo)致進(jìn)氣溫度和流動(dòng)的不均勻。另外，由于轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪箱內(nèi)油的溫度和流量敏感，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后轉(zhuǎn)速難以保持恒定。為了解決轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定和壓氣機(jī)進(jìn)氣受驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)影響的問題，Key教授在2007至2009年間對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了升級(jí)改造，把一個(gè)新的電機(jī)布置在了壓氣機(jī)后方，壓氣機(jī)由前置驅(qū)動(dòng)改為了后置驅(qū)動(dòng)。

2 軸流壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

2.1 接觸式測(cè)量技術(shù)

軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)中的流場(chǎng)測(cè)量參數(shù)主要有壓力、溫度、速度矢量和流量等，按照響應(yīng)的快慢可以分為定常測(cè)量和非定常測(cè)量?jī)深?。通常，?duì)于定常測(cè)量，總壓采用總壓耙或總壓探針測(cè)量，靜壓采用靜壓孔測(cè)量，溫度采用熱電偶測(cè)量，速度矢量采用五孔探針測(cè)量；對(duì)于非定常測(cè)量，壓力和溫度采用動(dòng)態(tài)傳感器測(cè)量，速度矢量采用熱線（膜）風(fēng)速儀測(cè)量。對(duì)于流量，壓氣機(jī)一般工作于穩(wěn)定工況下，流量只隨時(shí)間發(fā)生微小和緩慢的變化。常用的流量測(cè)量裝置有孔板、噴嘴和文丘里管等差壓式流量計(jì)；除此之外，劉寶杰等[25]通過測(cè)量進(jìn)氣口截面的壁面靜壓、環(huán)境大氣壓和溫度，按照伯努利方程計(jì)算得到流量，Zhu等[7]測(cè)量了進(jìn)口截面的靜壓、總壓和總溫，通過經(jīng)修正的流量公式計(jì)算得到流量，Boos 等[4]利用經(jīng)五孔探針校準(zhǔn)的進(jìn)口噴嘴測(cè)量流量，Tan 等[3]用皮托管測(cè)量截面的速度分布，進(jìn)而對(duì)面積積分求得流量。由此可見，流量是一個(gè)間接測(cè)量的物理量，它的測(cè)量精度受到壓力、速度、溫度等直接測(cè)量量的影響。

總壓比和效率是軸流壓氣機(jī)的基本性能參數(shù)。總壓比ε的計(jì)算需要測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)出口截面的總壓。效率通常采用軸效率，這是因?yàn)榈褥匦史帜干系倪M(jìn)出口溫差通常非常小，由此將會(huì)帶來很大的誤差。軸效率的計(jì)算需要測(cè)量軸的扭矩和轉(zhuǎn)速、壓氣機(jī)進(jìn)出口截面的總壓、壓氣機(jī)進(jìn)口的總溫和質(zhì)量流量[25]?？倝罕圈藕偷褥匦师莝的計(jì)算公式如下：

式中，P*表示總壓；T*表示總溫；k表示絕熱指數(shù)，下標(biāo)in和out分別表示壓氣機(jī)進(jìn)口和出口截面。

壓氣機(jī)的每一級(jí)包括一排動(dòng)葉和一排靜葉。動(dòng)葉下游常采用五孔探針測(cè)量氣動(dòng)參數(shù)的一維徑向分布，靜葉下游常測(cè)量氣動(dòng)參數(shù)的二維分布，并在端壁和尾跡區(qū)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)加密[7,26]。圖4 為動(dòng)葉下游和靜葉下游五孔探針的測(cè)點(diǎn)布置。另外，林顯巧等[27]在動(dòng)葉下游截面上也按照?qǐng)D的方式測(cè)量參數(shù)的二維分布。壓氣機(jī)端壁或葉片表面的定常靜壓可以通過壁面靜壓孔測(cè)量，非定常靜壓可以通過動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量[28-30]。圖5為表面動(dòng)態(tài)壓力傳感器。靜葉道內(nèi)的流動(dòng)測(cè)量與靜葉下游的測(cè)量方法類似。動(dòng)葉道內(nèi)的流動(dòng)測(cè)量相對(duì)來說比較困難，需要安裝一個(gè)使探針旋轉(zhuǎn)的裝置，當(dāng)動(dòng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)允許探針周向移動(dòng)，探針的輸出信號(hào)通過滑環(huán)從旋轉(zhuǎn)參考系轉(zhuǎn)換到靜止參考系[7]。圖6為普渡大學(xué)3.5級(jí)軸流壓氣機(jī)的機(jī)匣設(shè)計(jì)[16]，包含葉頂間隙靜壓孔、動(dòng)葉上游的非定常失速測(cè)量孔和非嵌入式應(yīng)力測(cè)量孔、葉片排間的耙孔和靜壓孔以及位于動(dòng)葉排的觀察窗口。與常規(guī)的測(cè)量孔周向均勻布置的方式不同，該機(jī)匣的測(cè)量孔大都緊挨排布。

圖4 動(dòng)葉下游和靜葉下游五孔探針的測(cè)點(diǎn)布置[26]Fig.4 Distributions of five-hole probe measuring points for downstream of rotor and the stator[26]

圖5 表面動(dòng)態(tài)壓力傳感器Fig.5 Surface dynamic dynamic pressure sensors

圖6 機(jī)匣探針孔布置[16]Fig.6 Distributions of casing probe holes[16]

2.2 非接觸式測(cè)量技術(shù)

非接觸式測(cè)量技術(shù)主要利用光學(xué)進(jìn)行測(cè)量，有粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry，PIV）、激光多普勒測(cè)速（Laser Doppler Velocimetry，LDV）、壓 敏 涂 層（Pressure Sensitive Paint，PSP）和 溫 敏 涂 層（Temperature Sensitive Paint，TSP）等。與接觸式測(cè)量相比，非接觸式測(cè)量對(duì)流場(chǎng)的干擾小，且能獲得高的空間分辨率[31]，是一類很有前途的高精度流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。在軸流壓氣機(jī)中，速度和壓力是最重要的兩個(gè)基本參數(shù)，本文主要介紹測(cè)量速度的PIV技術(shù)和測(cè)量壓力的PSP技術(shù)。

最初，PIV 的發(fā)展受到流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)空氣和水流動(dòng)研究需求的推動(dòng)，隨后逐漸應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，并衍生出許多特殊的PIV技術(shù)，如測(cè)量微米尺度流場(chǎng)的微流體粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Micro-PIV[32]）；高時(shí)間分辨率（圖像采集的幀速率）的時(shí)間分辨（Time-Resolved）PIV[33]；同時(shí)測(cè)量一個(gè)以上平面的三維PIV 技術(shù)，包括雙平面（Dual-Plane[34]）、多平面（Multiple-Plane[35]）、層析（Tomographic）[36]、全息（Holographic）[37]等PIV 技術(shù)；低粒子濃度的粒子追蹤測(cè)速技術(shù)（Particle Tracking Velocimetry，PTV）及三維PTV技術(shù)[38]等。PIV 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是全場(chǎng)速度測(cè)量，另一種非接觸式速度測(cè)量技術(shù)LDV，雖然其測(cè)量精度一般比PIV 高，但僅能單點(diǎn)測(cè)速，這限制了LDV 在軸流壓氣機(jī)中的應(yīng)用。上世紀(jì)70 年代，Wisler 等[39]首先將LDV 應(yīng)用于軸流壓氣機(jī)。國(guó)內(nèi)LDV 在軸流壓氣機(jī)中的應(yīng)用起步較晚，90 年代末，蔣浩康、馬宏偉等[40-42]采用LDV 測(cè)量了動(dòng)葉葉尖區(qū)域的三維流場(chǎng)；此后，LDV 在軸流壓氣機(jī)中的應(yīng)用鮮有報(bào)道。關(guān)于軸流壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)速度矢量的非接觸式測(cè)量技術(shù)，本文主要介紹二維二分量（2D-2C）PIV 和二維三分量（2D-3C）PIV，它們也分別被稱為數(shù)字粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Digital Particle Image Velocimetry，DPIV）和體視粒子圖像測(cè)速技術(shù)（Stereoscopic Particle Image Velocimetry，SPIV）。

在軸流壓氣機(jī)領(lǐng)域，壓氣機(jī)葉頂間隙的尺寸非常小，其流場(chǎng)無法采用探針測(cè)量，而PIV作為一種非接觸式測(cè)量方法，非常適合此類測(cè)量。Voges等[43]在達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)的1.5 級(jí)跨音速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上采用DPIV 技術(shù)測(cè)量了機(jī)匣處理葉尖區(qū)域的流動(dòng)，測(cè)量平面垂直于徑向。如圖7所示，試驗(yàn)中用到了兩個(gè)內(nèi)窺鏡用于投影片光。內(nèi)窺鏡1位于進(jìn)口導(dǎo)葉出口并與測(cè)量區(qū)域錯(cuò)開，用于將片光投影到87.5%和95%動(dòng)葉葉高的位置。內(nèi)窺鏡2位于靜葉下游，所投影的片光穿過靜葉葉道到達(dá)99%動(dòng)葉葉高的位置（葉頂間隙內(nèi)）。內(nèi)窺鏡1 和內(nèi)窺鏡2 的外徑分別為20mm和12mm，所投影的片光發(fā)散角分別為10°和7°，片光厚度都為1mm。相機(jī)的拍攝角度垂直于片光平面。粒子發(fā)生器安裝于進(jìn)氣喇叭口上游的沉降室內(nèi)，粒子平均直徑為0.5μm。為了降低來自葉片表面的激光反射，將整個(gè)轉(zhuǎn)子涂成黑色。圖8 為100%轉(zhuǎn)速下測(cè)得的零相位時(shí)三個(gè)葉高平面上的速度分布。

圖7 激光內(nèi)窺鏡布置[43]Fig.7 Layout of laser periscope[43]

圖8 DPIV測(cè)量結(jié)果[43]，1，2，4表示激波Fig.8 Measuring results of DPIV[43],1,2,4 indicate shock waves

需要指出的是，上述實(shí)驗(yàn)只測(cè)量了平面內(nèi)的兩個(gè)速度分量。為了得到平面外的第三個(gè)速度分量，Voges等[44]設(shè)計(jì)了如圖9所示的相機(jī)布置，除了DPIV中一臺(tái)垂直于片光平面的相機(jī)之外，另外布置了兩臺(tái)相機(jī)。其中，相機(jī)3通過一塊反射鏡來拍攝待測(cè)平面。因此，雖然相機(jī)2 和相機(jī)3 在同一側(cè)，但是它們關(guān)于相機(jī)1是對(duì)稱的。圖10為測(cè)量到的三維速度場(chǎng)，可以看出左側(cè)區(qū)域平面外的速度分量占主導(dǎo)地位，這顯然是不合理的。實(shí)際上，相機(jī)3以后向散射方式觀察流場(chǎng)，片光照亮的靠近機(jī)匣的平面邊緣處出現(xiàn)了強(qiáng)烈的激光反射，在該區(qū)域第三個(gè)速度分量重構(gòu)的殘差在15～20px左右，表明三維重構(gòu)存在問題。在排除因校準(zhǔn)不足而帶來的誤差后，為了更精確地識(shí)別誤差來源，作者采用Raffel 等[31]提出的最小二乘法進(jìn)行手動(dòng)三維速度場(chǎng)重構(gòu)，發(fā)現(xiàn)平面外過大的速度分量與由激光反射引起的錯(cuò)誤的X方向速度分量直接相關(guān)。通過對(duì)相機(jī)1中未受激光反射干擾的平面內(nèi)二維位移的交叉檢驗(yàn)，考慮到手動(dòng)三維重建結(jié)果以及相機(jī)1 和相機(jī)2、相機(jī)3 組合時(shí)不確定性增加，因此只有基于相機(jī)2和相機(jī)3的三維成像結(jié)果才能進(jìn)行合理可靠的三維速度場(chǎng)計(jì)算。以上研究揭示了在進(jìn)行SPIV實(shí)驗(yàn)時(shí)相機(jī)的合理布置，即兩臺(tái)關(guān)于測(cè)量區(qū)域片光平面成對(duì)稱的相機(jī)組合。

圖9 SPIV相機(jī)布置[44]Fig.9 Layout of SPIV cameras[44]

圖10 SPIV測(cè)量結(jié)果[44]Fig.10 Measuring result of SPIV[44]

與Voges 等[44]將三臺(tái)相機(jī)水平對(duì)稱布置不同，Wernet等[45]在NASA Glenn研究中心4.5級(jí)低速大尺寸試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行SPIV 實(shí)驗(yàn)時(shí)，將兩臺(tái)相機(jī)豎直非對(duì)稱布置。如圖11 所示，上方相機(jī)在水平線上20°，下方相機(jī)在水平線下10°以減少葉片吸力面的反光。為了進(jìn)一步減少葉片的反光，將測(cè)量區(qū)域的鋁制動(dòng)葉刷成黑色，并且在測(cè)量時(shí)鎖相于鋁制葉片。如圖12 所示，內(nèi)窺鏡位于進(jìn)口導(dǎo)葉出口，片光沒有照到葉片壓力面。盡管內(nèi)窺鏡直接安裝在測(cè)量區(qū)域的上游，但進(jìn)口導(dǎo)葉使流動(dòng)朝轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)，從而使內(nèi)窺鏡的尾跡沿片光上邊緣移動(dòng)，最終離開了相機(jī)視野。圖13為DPIV和CFD結(jié)果的比較。

圖11 SPIV相機(jī)布置[45]Fig.11 Layout of SPIV cameras[45]

圖12 激光內(nèi)窺鏡布置[45]Fig.12 Layout of laser periscope[45]

圖13 DPIV測(cè)量結(jié)果（上）與CFD結(jié)果（下）比較[45]Fig.13 Measuring results of DPIV(up)and CFD(down)[45]

在以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中，片光平面都垂直于徑向，Zhu等[46]在一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)上對(duì)靠近機(jī)匣的三個(gè)不同相位的子午平面區(qū)域進(jìn)行了DPIV測(cè)量。如圖14和圖15所示，該測(cè)量區(qū)域部分在動(dòng)葉道內(nèi)，片光探頭和相機(jī)都位于機(jī)匣外部，且相機(jī)拍攝角度和片光平面相互垂直。能夠采取這種布置是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)對(duì)象是軸流風(fēng)機(jī)，葉片的稠度小、安裝角大，不會(huì)遮擋測(cè)量區(qū)域的光路。實(shí)際上，在軸流壓氣機(jī)中很難采取這種布置，因?yàn)閴簹鈾C(jī)稠度大且葉片扭曲，嚴(yán)重遮擋了光路。于賢君等[47]在北京航空航天大學(xué)的單級(jí)低速大尺寸軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上采用SPIV技術(shù)結(jié)合鎖相技術(shù)測(cè)量了動(dòng)葉道內(nèi)的流動(dòng)。如圖16所示，片光探頭和相機(jī)同樣都位于機(jī)匣外部。實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)CCD 相機(jī)位于片光平面的兩側(cè)，片光厚度為1.5mm。為了使相機(jī)能夠無遮擋地拍攝到片光平面，片光平面與葉尖弦長(zhǎng)相垂直，因而基本上垂直于流向。但是，軸流壓氣機(jī)中的許多流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)和二次流的結(jié)構(gòu)，主要是沿著流向的，因而沿著流向的信息是最有價(jià)值的，該布置只能作為沿流向平面PIV測(cè)量的補(bǔ)充。圖17為設(shè)計(jì)工況下垂直于測(cè)量平面的無量綱速度分量和渦量的分布。

圖14 三個(gè)測(cè)量平面[46]Fig.14 Three measuring planes[46]

圖15 DPIV布置[46]Fig.15 Schematic Layout of DPIV[46]

圖16 片光和相機(jī)布置[47]Fig.16 Layout of light sheet and cameras[47]

圖17 SPIV測(cè)量得到的流向速度和渦量的分布[47]Fig.17 Distributions of SPIV measured streamwise velocity and vorticity[47]

實(shí)際上，PIV測(cè)量的是示蹤粒子的速度，因而示蹤粒子與PIV 的測(cè)量精度直接相關(guān)。示蹤粒子應(yīng)滿足良好跟隨性、待測(cè)區(qū)域示蹤粒子的濃度適中且分布均勻等要求。大多數(shù)軸流壓氣機(jī)PIV 實(shí)驗(yàn)中，粒子直徑小于10μm[43,45-47]。示蹤粒子的投放位置主要有進(jìn)氣喇叭口上游的大空間[44,47]和壓氣機(jī)上游一定距離處的管道內(nèi)[45]。為了更均勻地投放示蹤粒子，投放裝置可以做成由一系列小管道組成的格柵狀投放器[31,47]。

在進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)待測(cè)平面進(jìn)行校準(zhǔn)。于賢君等[47]用一塊尺寸為200×150×2mm的黑板作為標(biāo)定靶，上面有間距為5mm、直徑為1mm 的透明點(diǎn)狀網(wǎng)格，點(diǎn)與點(diǎn)的中心用直線相連，并且其一條邊是彎曲的，以貼合觀察窗口的內(nèi)表面。校準(zhǔn)時(shí)，對(duì)于每個(gè)待測(cè)平面，通過精確控制的位移機(jī)構(gòu)控制標(biāo)定靶位移，每隔0.2mm 校準(zhǔn)一次，共校準(zhǔn)11 個(gè)平面位置。Tan 等[3]采用Wieneke[48]提出的SPIV 校準(zhǔn)方法，即先用標(biāo)定靶進(jìn)行粗校準(zhǔn)，再用記錄的粒子圖像進(jìn)行精細(xì)校準(zhǔn)。另外，在機(jī)匣窗口比較薄的情況下，也可以不進(jìn)行校準(zhǔn)[49]。

20 世紀(jì)80 年代以來，PSP 被廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)測(cè)壓孔和內(nèi)嵌式壓力傳感器相比，PSP 具有空間分辨率高、不受模型幾何限制等優(yōu)點(diǎn)。PSP測(cè)量系統(tǒng)主要包括PSP涂料、激發(fā)光源和相機(jī)三部分[50]，測(cè)量過程主要分為涂料校準(zhǔn)和表面壓力測(cè)量?jī)刹糠諿51]。由于軸流壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，PSP實(shí)驗(yàn)難度大，而在應(yīng)用于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片時(shí)問題更多。1997 年，普渡大學(xué)Liu等[52]首先在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上開展PSP實(shí)驗(yàn)。本世紀(jì)初開始，西北工業(yè)大學(xué)對(duì)PSP技術(shù)及其在軸流壓氣機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究：高麗敏等以國(guó)產(chǎn)PSP涂料和自建的涂料校準(zhǔn)裝置研究了激發(fā)光強(qiáng)度、CCD相機(jī)光圈對(duì)涂料校準(zhǔn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明需要足夠的激發(fā)光強(qiáng)度以使光敏分子能級(jí)躍遷，相機(jī)光圈值卻大采集圖像信噪比越高[53]；在基礎(chǔ)上測(cè)得了某葉柵二維壓力圖譜，并進(jìn)行了三維重構(gòu)，得到了三維葉片表面壓力分布[54]，發(fā)展了自主PSP 圖像三維重構(gòu)程序[51]；在完成靜子葉片表面PSP 壓力測(cè)量后，將PSP技術(shù)擴(kuò)展到低速轉(zhuǎn)子葉片，提出了基于CCD的短曝光圖像增強(qiáng)采集方法以解決轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)帶來的圖像模糊問題[55]。而在高速轉(zhuǎn)子葉片PSP 實(shí)驗(yàn)中，圖像模糊問題更加嚴(yán)重，同時(shí)還存在溫度誤差、PSP 涂料高溫失效等問題[56]。上海交通大學(xué)彭迪等[56]在高速離心葉輪兩個(gè)葉片上噴涂PSP 用于壓力測(cè)量，并在另一個(gè)葉片上噴涂TSP 測(cè)量溫度分布以修正PSP 結(jié)果。在公開文獻(xiàn)中，還未見PSP 技術(shù)在高速軸流壓氣機(jī)中的應(yīng)用。

3 總結(jié)與展望

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外軸流壓氣機(jī)研究型臺(tái)位的現(xiàn)狀，總結(jié)了進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及常用的流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。面向不斷挑戰(zhàn)極限的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展需求，軸流壓氣機(jī)研究型臺(tái)位將朝著更高負(fù)荷、更大流量方向發(fā)展，此外，軸流壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)是接觸式和非接觸是測(cè)量技術(shù)的結(jié)合，如何更好解決“測(cè)得到”、“測(cè)得準(zhǔn)”、“測(cè)得起”的問題，是軸流壓氣機(jī)流場(chǎng)測(cè)量始終面臨的關(guān)鍵問題所在。