高 倩,張一弛,姚崢嶸,馬宏偉,郭君德

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002;2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院,北京 100191)

離心壓氣機是航空渦輪軸發(fā)動機的關(guān)鍵部件,其特性直接影響著整個發(fā)動機的性能。目前,國內(nèi)外許多學者通過測試或數(shù)值試驗對離心壓氣機內(nèi)部流動進行了大量的研究。李書奇等[1]開展了跨聲速離心壓氣機級間靜壓測試研究,為流動控制方法的研究奠定了基礎(chǔ)。馬宏偉等[2]用三維激光多普勒測速系統(tǒng)測量了某離心壓氣機轉(zhuǎn)子近端壁區(qū)三維紊流流場,揭示了葉片通道端壁區(qū)的旋渦流動結(jié)構(gòu)。譚大治等[3]對Krain離心葉輪設(shè)計工況下的內(nèi)部流場進行了詳細的數(shù)值模擬研究,研究結(jié)果為離心機械內(nèi)復雜的三維湍流現(xiàn)象研究奠定了基礎(chǔ)。杜娟等[4]對某跨聲速軸流壓氣機轉(zhuǎn)子葉頂泄漏流進行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)非定常波動現(xiàn)象主要是由葉頂泄漏流自激非定常性引起的。賀象等[5]利用動態(tài)壓力傳感器和高頻壓力探針測量了不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子葉頂動態(tài)靜壓分布和級間流場,研究了多級壓氣機轉(zhuǎn)/靜干擾作用。文獻[6]～文獻[9]針對高速單級軸流、離心和多級軸流壓氣機在級間周向密布動態(tài)壓力傳感器這一現(xiàn)狀,對周向測量的轉(zhuǎn)/靜間非定常壓力信號進行了模態(tài)分析。

國內(nèi)對離心壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖的動態(tài)壓力測量以及泄漏流、前緣溢流等流場特征的測量分析研究較少。目前對壓氣機內(nèi)流動現(xiàn)象的研究方法大致分為3種,即理論模型方法、數(shù)值模擬方法和試驗測試方法。理論模型方法由于假設(shè)了許多理想條件,導致在應(yīng)用中存在大量的限制。數(shù)值模擬方法存在以下缺點:① 設(shè)計點工況數(shù)值模擬較準確,非設(shè)計點工況數(shù)值模擬精度較差;② 單級模擬較準確,多級模擬精度較差;③ 主流區(qū)數(shù)值模擬精度較好,端壁區(qū)、尾跡和漩渦區(qū)數(shù)值模擬精度較差。因此,采用數(shù)值模擬方法還需通過試驗數(shù)據(jù)進行驗證。試驗測試方法是分析流動現(xiàn)象、研究流動機理的主要手段,也是最直接且可靠的研究方法。由于轉(zhuǎn)子葉尖流動通常是三維非定常流動,為了獲取轉(zhuǎn)子葉尖的流動信息,本文開展了動態(tài)壓力傳感器陣列測試技術(shù)研究,通過對傳感器選型、陣列測試方案設(shè)計、傳感器精度校核、數(shù)據(jù)處理方法等進行研究,在某離心壓氣機試驗件上進行了試驗驗證,并采用可視化分析技術(shù)實現(xiàn)了動態(tài)流場測量數(shù)據(jù)的可視化處理和分析,相關(guān)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以為壓氣機性能驗證和數(shù)值模擬方法的修正提供有力的技術(shù)支撐。

1 試驗件及試驗設(shè)備

某離心壓氣機試驗件(結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示)由單級離心壓氣機組成,軸向進氣。試驗件的旋轉(zhuǎn)方向是順氣流方向看逆時針旋轉(zhuǎn)。葉輪子午流道長度L1為140 mm,分葉片前緣長度L2為37 mm,2個主流葉片前緣之間的間距為46.88 mm,2個主流葉片尾緣之間的間距為76.97 mm。為了解離心葉輪葉頂處的動態(tài)靜壓分布,捕捉離心葉輪主流葉片頂部泄漏流、前緣溢流以及主葉頂泄漏流和分流葉片前緣相互作用等,需要進行離心壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖的動態(tài)流場測量。

圖1 某離心壓氣機試驗件結(jié)構(gòu)示意圖

某離心壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖流場動態(tài)測試是在某壓氣機試驗臺上開展的。某壓氣機試驗臺主要用于錄取壓氣機總性能和級性能,試驗臺主要由動力系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、軸向力平衡系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成。

2 測試方案設(shè)計

2.1 動態(tài)壓力傳感器陣列布置方案

根據(jù)某型離心壓氣機離心葉輪95%葉高處的馬赫數(shù)云圖數(shù)值計算結(jié)果,結(jié)合該型離心壓氣機的結(jié)構(gòu)特點,對該離心壓氣機試驗件上動態(tài)壓力傳感器的陣列布置方案進行了研究。在一個葉柵通道內(nèi)布置傳感器,其中:在主流葉片前緣上下游附近適當加密測點,沿周向2個葉片之間均勻布置5個傳感器;在分流葉片前緣適當加密,沿周向2個葉片之間均勻布置6個傳感器;在分流葉片下游,沿周向2個葉片之間均勻布置5個傳感器;葉片尾緣適當加密,沿周向2個葉片之間均布6個傳感器。共計布置67個動態(tài)壓力傳感器,具體如圖2所示。圖2中藍色圓點代表傳感器位置。動態(tài)壓力傳感器陣列安裝實物圖如圖3所示。

圖2 動態(tài)壓力傳感器陣列布置示意圖

圖3 動態(tài)壓力傳感器陣列安裝實物圖

動態(tài)壓力傳感器的周向布置示意圖如圖4所示,周向共布置了12個傳感器,位置分布如下:① Pitch1周向位置,在0°、90°、190°和300°位置布置4個傳感器;② Pitch4周向位置,在0°、90°、190°和300°位置布置4個傳感器;③ Pitch14周向位置,在0°、90°、190°和300°位置布置4個傳感器。綜上所述,共計布置79個動態(tài)壓力傳感器。

2.2 動態(tài)測試系統(tǒng)搭建

葉尖流動是三維的、非定常的,并且具有強烈的周期性,這種周期性的脈動是以葉片通過頻率來表征的。理論上要求取樣脈沖必須大于信號頻譜中最高頻率的2倍,實際應(yīng)用中取樣頻率大于5倍信號頻譜中的最高頻率有最好的效果。離心壓氣機轉(zhuǎn)子葉片通過頻率為11.8 kHz,要求測試系統(tǒng)的總頻響不小于60 kHz才能滿足測試要求。某離心壓氣機試驗件離心葉輪外罩壁厚為5～6 mm,葉輪外罩附近溫度約為177 ℃。根據(jù)上述工況和壁面靜壓孔開孔尺寸,選用Kulite公司的KTEL-1-90C-50G動態(tài)壓力傳感器進行動態(tài)靜壓測量,該傳感器尺寸小(傳感器最大處直徑為2.5 mm)、頻響優(yōu)于80 kHz、動態(tài)特性好、綜合精度優(yōu)于±0.5%F.S.、最高工作溫度可達273 ℃,可以滿足動態(tài)測試要求。

動態(tài)測試系統(tǒng)主要由動態(tài)壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、鎖相同步發(fā)生器、自制同步觸發(fā)器和3臺高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。動態(tài)測試系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。試驗中采用3臺高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行動態(tài)壓力數(shù)據(jù)采集,每臺高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均有32個測量通道,采樣率≥1 MHz,綜合測試精度優(yōu)于±0.4%F.S.,所有通道數(shù)據(jù)完全同步采集并實時存儲,可以根據(jù)試驗要求設(shè)置采樣頻率。

圖5 動態(tài)測試系統(tǒng)組成框圖

3 動態(tài)流場測試及結(jié)果分析

某離心壓氣機試驗件在0.5、0.8和1.0共3個折合轉(zhuǎn)速下開展試驗,分別錄取了壓氣機堵點至喘點的特性線。整個試驗過程主要關(guān)注壓氣機堵點、設(shè)計點、近喘點、喘點4個工作狀態(tài)下的靜壓分布情況。為了進行動態(tài)靜壓數(shù)據(jù)分析,需要對3臺高速動態(tài)記錄儀進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)時間同步處理,主要是以某個轉(zhuǎn)速突變點為同步點,通過調(diào)整使3臺高速動態(tài)記錄儀的系統(tǒng)時間同步。數(shù)據(jù)處理過程中,為了獲得較為理想的時域平均結(jié)果,采用了鎖相技術(shù)實現(xiàn)時域相位上的鎖定。數(shù)據(jù)處理時,采用MATLAB軟件將整個壓力脈動進行分段處理,并將每一段之間的采樣點進行線性數(shù)據(jù)插值,使每一圈的壓力數(shù)據(jù)的數(shù)量相同;然后將提取出來的數(shù)據(jù)進行平均處理,得到相對穩(wěn)定的壓力信號;其次對線性數(shù)據(jù)插值的點數(shù)進行設(shè)置,根據(jù)實際情況,將線性插值點數(shù)設(shè)置為1 000;最后完成鎖相平均處理。

3.1 折合轉(zhuǎn)速為0.5時測量結(jié)果可視化分析

對離心壓氣機折合轉(zhuǎn)速為0.5時堵點下、設(shè)計點下、近喘點下的動態(tài)靜壓測量數(shù)據(jù)進行處理,采用Tecplot軟件繪制了不同狀態(tài)下的靜壓分布三維云圖,分別如圖6～圖8所示。圖6～圖8中,鎖相的數(shù)據(jù)為對應(yīng)狀態(tài)點的5圈靜壓數(shù)據(jù)的鎖相平均處理結(jié)果,壓力數(shù)據(jù)點的三維坐標與動態(tài)壓力傳感器在離心葉輪外罩上的實際位置保持一致,下文中靜壓分布三維云圖的靜壓處理方法與此處相同。壓力標度色帶上的壓力最大值為4.5 psi(1 psi=6 894.757 Pa),最小值為-0.5 psi。從圖6～圖8中可以看出,從離心葉輪前緣到尾緣,靜壓逐漸升高,符合壓氣機的壓升規(guī)律,同時可以看出明顯的壓力梯度。從堵點工況到近喘點工況,靜壓整體呈增大趨勢,周向靜壓分布趨于均勻,同時能夠看出主流葉片與分流葉片之間的分界線。

圖6 折合轉(zhuǎn)速為0.5時堵點下靜壓分布云圖

圖7 折合轉(zhuǎn)速為0.5時設(shè)計點下靜壓分布云圖

圖8 折合轉(zhuǎn)速為0.5時近喘點下靜壓分布云圖

3.2 折合轉(zhuǎn)速為0.8時測量結(jié)果可視化分析

離心壓氣機折合轉(zhuǎn)速0.8時堵點下、設(shè)計點下、近喘點下的靜壓分布三維云圖分別如圖9～圖11所示。從圖9～圖11中可以看出,從離心葉輪前緣到尾緣,壁面靜壓逐漸升高,符合壓氣機的壓升規(guī)律。相較于折合轉(zhuǎn)速0.5時的測量數(shù)據(jù),壁面靜壓整體呈上升趨勢,壓力標度色帶上的壓力最大值由4.5 psi上升至10 psi。

圖9 折合轉(zhuǎn)速為0.8時堵點下靜壓分布云圖

圖10 折合轉(zhuǎn)速為0.8時設(shè)計點下靜壓分布云圖

圖11 折合轉(zhuǎn)速為0.8時近喘點下靜壓分布云圖

從堵點工況到近喘點工況,靜壓整體呈增大趨勢,周向靜壓分布趨于均勻,同時可以看出主流葉片與分流葉片之間的分界線。相較于折合轉(zhuǎn)速為0.5時的靜壓分布三維云圖,折合轉(zhuǎn)速為0.8時,各個工況下均能看到離心葉輪前緣存在明顯的低壓區(qū)。

3.3 折合轉(zhuǎn)速為1.0時測量結(jié)果可視化分析

離心壓氣機折合轉(zhuǎn)速為1.0時堵點下、設(shè)計點下、近喘點下的靜壓分布三維云圖分別如圖12～圖14所示。

圖12 折合轉(zhuǎn)速為1.0時堵點下靜壓分布云圖

圖13 折合轉(zhuǎn)速為1.0時設(shè)計點下靜壓分布云圖

圖14 折合轉(zhuǎn)速為1.0時近喘點下靜壓分布云圖

從圖12～圖14中可以看出,從離心葉輪前緣到尾緣,壁面靜壓逐漸升高,符合壓氣機的壓升規(guī)律。隨著流量減小,壓力面非定常波動強度增大,最強的位置向前緣移動,這是由于隨流量減小,葉頂壓力面與吸力面的壓差增大造成泄漏流強度增強,從而引發(fā)葉頂流場波動增強[4]。同時,葉片壓力面受泄漏流影響產(chǎn)生的低壓區(qū)向前緣移動,導致壓力面主要波動區(qū)前移。從堵點工況到近喘點工況,靜壓整體呈增大趨勢,同時能夠看出主流葉片與分流葉片之間的明顯分界線。

通過柵格排列將傳感器陣列所采集的實時壓力點轉(zhuǎn)換為壓力分布云圖,反映靜壓在離心葉輪大小葉片間的變化情況,獲取了一個葉柵通道內(nèi)的靜壓分布云圖。與壓氣機性能部門提供的數(shù)值計算壓力分布云圖(如圖15所示)相比,圖12中主流葉片和分流葉片之間壓力梯度分布與實際情況基本一致,級間干擾相對較弱;分流葉片葉尖處泄漏渦形成的低壓區(qū)比較明顯,主流葉片和分流葉片前緣均可以看見明顯的低壓區(qū)。該試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果為壓氣機性能分析及數(shù)值仿真計算結(jié)果的驗證提供了重要的支持。

圖15 折合轉(zhuǎn)速1.0時堵點下數(shù)值模擬靜壓云圖

在折合轉(zhuǎn)速1.0時,取喘點附近1 s內(nèi)測量數(shù)據(jù)進行分析,該時段包含了喘振和退喘的整個過程。取三維云圖的俯視圖進行對比分析,俯視圖便于觀察一整圈云圖的變化情況。從中取18幀云圖(每一幀的時間為2.97 ms)進行數(shù)據(jù)處理和可視化分析,如圖16和圖17所示,從2幅圖中可以清晰地看出喘振和退喘的整個變化過程。

圖16 喘振過程壓力變化云圖

圖17 退喘過程壓力變化云圖

3.4 沿程靜壓分布測量結(jié)果分析

離心壓氣機折合轉(zhuǎn)速為0.8和1.0時,堵點下主流葉片和分流葉片之間的沿程靜壓測點布置圖如圖18所示,沿程靜壓分布測量曲線分別如圖19和圖20所示。由圖19和圖20可以看出,從葉片前緣到葉片尾緣,靜壓呈逐漸增大的趨勢(從-3.3 psi增大至19.6 psi);主流葉片和分流葉片間(第2列)靠近葉片尾緣處,靜壓呈先下降后上升的趨勢。

圖18 主流葉片和分流葉片間沿程靜壓測點布置圖

圖19 折合轉(zhuǎn)速0.8時葉片間的沿程靜壓分布曲線

圖20 折合轉(zhuǎn)速1.0時葉片間的沿程靜壓分布曲線

4 結(jié)束語

本文針對某離心壓氣機試驗件,采用動態(tài)壓力傳感器陣列測試方法對離心壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖的動態(tài)流場進行了詳細測試,并且對動態(tài)測量數(shù)據(jù)進行了可視化分析,通過柵格排列將傳感器陣列所采集的實時壓力轉(zhuǎn)換為壓力分布云圖,從三維云圖中可以看出轉(zhuǎn)子葉尖的三維流動過程,同時還可以看出壓氣機喘振和退喘的演化過程。陣列測試得到的離心壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖三維云圖與數(shù)值仿真計算得到的壓力分布云圖變化規(guī)律一致,葉片間壓力梯度變化規(guī)律一致,級間干擾相對較弱。分流葉片葉頂處的激波結(jié)構(gòu)和泄漏渦形成的低壓區(qū)十分明顯。

本文試驗中采用的測試技術(shù)為動態(tài)壓力傳感器陣列測試技術(shù),共布置了近80個動態(tài)壓力傳感器,壓力傳感器陣列的穩(wěn)態(tài)測試精度可達0.2%,動態(tài)頻響可達20 kHz,該流場測試技術(shù)可以為離心壓氣機流場分析和改進設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。所采用的可視化分析方法可以直觀反映離心壓氣機轉(zhuǎn)子葉片尖區(qū)的壓力流動情況,為離心壓氣機性能分析和數(shù)值仿真計算結(jié)果的試驗驗證提供重要的技術(shù)支撐。此外,動態(tài)壓力傳感器陣列測試技術(shù)可以進一步推廣應(yīng)用于軸流壓氣機、渦輪等轉(zhuǎn)子葉尖的動態(tài)流場測量,拓展了轉(zhuǎn)子葉片尖區(qū)流場的測量手段,有助于更深層次地揭示各種流動控制方法的作用機理。