毫米級(jí)平面葉柵的PSP測(cè)量

曹傳軍,黃國(guó)平,

(南京航空航天大學(xué)微型發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,南京 210016)

0 引 言

微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(MTE)是一種新興的動(dòng)力裝置,具有廣闊的軍民用前景。微葉輪作為核心部件,其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著MT E的性能。目前對(duì)微葉輪的研究還處于探索階段,且由于微葉輪的特征尺寸在厘米甚至毫米級(jí)[1-2],按照常規(guī)葉輪設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的微葉輪效率較低。而改進(jìn)設(shè)計(jì)所必需的實(shí)驗(yàn)測(cè)量環(huán)節(jié)在采用傳統(tǒng)測(cè)壓技術(shù)時(shí)遇到了尺度限制,在毫米級(jí)的尺度上加工足夠數(shù)量的靜壓孔或預(yù)埋壓力傳感器相當(dāng)困難,且改變了微葉輪表面形貌,對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響,無(wú)法藉此獲得詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)微葉輪的設(shè)計(jì),對(duì)MTE的性能提高產(chǎn)生了很大的阻礙。

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)壓技術(shù)的不足,上世紀(jì)90年代以來(lái),一種非接觸式壓力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint,PSP)測(cè)壓技術(shù)越來(lái)越受到世界各國(guó)航空航天界的重視[3-6]。它與傳統(tǒng)的壓力測(cè)量技術(shù)相比,具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：第一,獲得的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)豐富,可以獲得整個(gè)模型表面的壓力;第二,涂層較薄,對(duì)流場(chǎng)特性的影響較小;第三,空間分辨率高,可以應(yīng)用于微小模型表面壓力的測(cè)量;第四,涂料的響應(yīng)時(shí)間較短,可以測(cè)量一定頻率范圍內(nèi)的非定常流壓力變化。國(guó)外對(duì)PSP測(cè)壓技術(shù)進(jìn)行了大量研究和改進(jìn),已成功將其應(yīng)用在高超聲速、低溫、低速流場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)機(jī)械中,得到了常規(guī)測(cè)壓手段無(wú)法獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)起步較晚,技術(shù)相對(duì)不成熟,中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院在這方面做了一些嘗試,測(cè)量了L-8全機(jī)模型的表面壓力[7]。但是目前國(guó)內(nèi)外還未看到PSP測(cè)壓技術(shù)在毫米級(jí)葉片表面測(cè)量應(yīng)用的報(bào)道。

PSP測(cè)壓技術(shù)具有的空間分辨率(0.1mm量級(jí))和壓力分辨率(30～100Pa)足夠滿足毫米級(jí)葉片表面的壓力測(cè)量需求,作者研究將PSP技術(shù)應(yīng)用在毫米尺度渦輪平面葉柵壓力測(cè)量領(lǐng)域,設(shè)計(jì)了一套可拆卸式毫米級(jí)平面葉柵實(shí)驗(yàn)段,利用PSP技術(shù)測(cè)量了有/無(wú)葉尖間隙和不同來(lái)流速度條件下葉背表面的壓力分布,開(kāi)拓了PSP新的應(yīng)用領(lǐng)域,同時(shí)為設(shè)計(jì)高效率的微葉輪提供了一種很有潛力的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

1 PSP測(cè)壓技術(shù)

PSP測(cè)壓是基于氧猝滅效應(yīng)的原理,用適當(dāng)波長(zhǎng)的激勵(lì)光照射PSP中熒光分子時(shí),熒光分子吸收能量后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),處于激發(fā)態(tài)的分子會(huì)自發(fā)從激發(fā)態(tài)衰減到基態(tài),發(fā)出比激勵(lì)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光,當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的熒光分子與處于基態(tài)的氧分子相遇時(shí),氧分子會(huì)奪取處于激發(fā)態(tài)涂料分子的能量并使其返回基態(tài)而不發(fā)出光子。通過(guò)標(biāo)定將壓力與涂料物質(zhì)的光強(qiáng)關(guān)系準(zhǔn)確的測(cè)量下來(lái),就可以根據(jù)測(cè)得的某處光強(qiáng)得到該處的壓力。

PSP測(cè)量精度受溫度影響較大,隨著溫度的升高,涂料分子受激后從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)時(shí)可能不發(fā)出光子,發(fā)生溫度猝滅效應(yīng),使得測(cè)得的光強(qiáng)值偏低;另外溫度也影響著氧氣分子在基底涂層內(nèi)的擴(kuò)散能力。其他影響PSP測(cè)量精度的因素有：圖像采集設(shè)備的噪音、模型的變形和移位、標(biāo)定的偏差和光源不穩(wěn)定性等[8]。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

2.1 壓敏涂料測(cè)壓系統(tǒng)

壓敏涂料測(cè)壓系統(tǒng)主要包括：激勵(lì)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、濾光系統(tǒng)、壓力敏感涂料及后處理軟件(如圖1)。激勵(lì)系統(tǒng)采用陣列LED光源,輸出光波長(zhǎng)405nm;圖像采集系統(tǒng)為美國(guó)Cooke公司的PCO.1600型高敏感相機(jī)及配套采集軟件;濾光系統(tǒng)包含三種波長(zhǎng),可以通過(guò)550nm、610nm和645nm光;壓敏涂料是購(gòu)自美國(guó)ISSI公司的UF405型涂料,此涂料在405nm波長(zhǎng)光激勵(lì)下輻射出610nm波長(zhǎng)光,涂料的壓力敏感度高且溫度影響較小。涂料的壓力分辨率為30～100Pa,空間分辨率與涂層厚度有關(guān),約是涂層厚度的3～4倍,此涂料涂層厚度在0.015～0.02mm,所以空間分辨率在0.08mm量級(jí),因此作者采用的壓敏涂料測(cè)壓系統(tǒng)能夠滿足毫米級(jí)葉柵表面壓力的測(cè)量需求。實(shí)驗(yàn)前首先進(jìn)行涂料的標(biāo)定,得到光強(qiáng)比和壓力比的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)圖像采集系統(tǒng)采集參考?jí)毫η闆r下(通常為1×105Pa)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)時(shí)模型表面的光強(qiáng)值,將標(biāo)定結(jié)果帶入到后處理軟件中,從而根據(jù)采集到的模型表面光強(qiáng)比得到模型表面二維壓力值,最后建立三維模型,通過(guò)插值的方法將二維壓力值轉(zhuǎn)換為模型三維表面壓力值。

圖1 PSP測(cè)壓系統(tǒng)組成圖Fig.1 PSP pressure measurement system

建立壓敏涂料測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)量毫米級(jí)葉柵葉背表面壓力時(shí),解決了幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：(1)激勵(lì)光源問(wèn)題。在使用單個(gè)光源對(duì)葉柵葉背表面進(jìn)行激勵(lì)時(shí),靠近端壁角落的地方可能無(wú)法被激勵(lì)或者激勵(lì)不完全,影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。針對(duì)這一問(wèn)題,自主開(kāi)發(fā)了多個(gè)陣列LED光源,每個(gè)光源由144個(gè)發(fā)光二極管組成,功率15W,采用多個(gè)激勵(lì)光源進(jìn)行照射,端壁角落區(qū)域可以被激勵(lì)到,增加了葉背表面的被激勵(lì)面積;(2)圖像采集系統(tǒng)分辨率問(wèn)題。圖像采集系統(tǒng)硬件的像素有限,在測(cè)量毫米尺度表面時(shí)分辨率不夠,因此在圖像采集系統(tǒng)前加裝了GL-99型高性能連續(xù)變倍體視顯微鏡,放大倍數(shù)6.5～90,有效地提高了圖像采集系統(tǒng)的分辨率(如圖2);(3)微小葉片表面噴涂方法的研究。葉片表面涂層質(zhì)量影響測(cè)壓系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,特別是尺寸微小化之后。為了使葉背表面噴涂均勻,專門(mén)設(shè)計(jì)了一套轉(zhuǎn)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu),噴涂過(guò)程中保持噴槍位置不變,均勻轉(zhuǎn)動(dòng)夾持機(jī)構(gòu),使得葉片表面能夠噴涂均勻(如圖3)。噴涂過(guò)程中,涂料的霧化效果直接決定著噴涂的質(zhì)量,在實(shí)際噴涂涂料之前,使用乙醇進(jìn)行了多次的試噴涂,發(fā)現(xiàn)噴槍內(nèi)壓力1.4×105Pa,距離模型表面15～20cm時(shí),霧化效果較好,涂料利用率較高。

圖2 具有光學(xué)放大功能的壓敏涂料測(cè)壓系統(tǒng)Fig.2 PSP pressure measurement system with optical magnification function

圖3 微小葉片葉背表面噴涂Fig.3 Painting of suction surface of micro blade

2.2 壓敏涂料的標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)時(shí)圖像采集系統(tǒng)采集到模型表面光強(qiáng)數(shù)據(jù)后,需要預(yù)先知道光強(qiáng)比值和壓力比值的對(duì)應(yīng)關(guān)系才能將模型表面光強(qiáng)值轉(zhuǎn)換成壓力值,因此需要對(duì)所用的壓力敏感涂料進(jìn)行標(biāo)定,得到壓敏涂料在不同溫度下的光強(qiáng)比和壓力比關(guān)系。設(shè)計(jì)并搭建了一套標(biāo)定系統(tǒng)(如圖4),采用日本SMC公司的IR2010型精密減壓閥和美國(guó)PSI公司9816型智能壓力掃描器精確控制和測(cè)量標(biāo)定腔內(nèi)壓力,通過(guò)一個(gè)小型電爐對(duì)標(biāo)定腔加熱改變腔內(nèi)溫度,利用熱電偶測(cè)量溫度。標(biāo)定時(shí),選擇3個(gè)溫度分別是28.2、33.8和37.8℃,每個(gè)溫度下壓力變化從1.0～2.0×105Pa,每間隔0.1×105Pa采集一次數(shù)據(jù)。以溫度28.2℃,壓力1×105Pa時(shí)采集到的光強(qiáng)值為參考,其它壓力和溫度下的光強(qiáng)值均與其相比,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后即得到不同溫度和壓力下涂料的光強(qiáng)比與壓力比的關(guān)系。

圖5為UF405涂料標(biāo)定結(jié)果,由圖中可以看出涂料特性曲線平直光滑,線性度較好,在溫度變高時(shí),同一壓力下光強(qiáng)減弱,但曲線斜率并沒(méi)有明顯的變化。

圖4 標(biāo)定系統(tǒng)搭建Fig.4 Establishment of calibration system

圖5 UF405涂料標(biāo)定結(jié)果Fig.5 Calibration result of paint UF405

2.3 微小葉柵實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案

(1)微小葉柵實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)

選擇某典型常規(guī)尺度渦輪轉(zhuǎn)子葉型[9]進(jìn)行縮比(表1),根據(jù)供氣系統(tǒng)的供氣量和擬達(dá)到的葉片出口馬赫數(shù),保持進(jìn)氣角、安裝角、稠度和展弦比等相同,縮比后葉片弦長(zhǎng)9.11mm,柵距7.11mm。PSP系統(tǒng)壓力分辨率30～100Pa,空間分辨率在0.08mm量級(jí),縮比后的葉片葉高方向和弦長(zhǎng)方向大約能夠測(cè)量到約70～100個(gè)點(diǎn),因此PSP系統(tǒng)是適合測(cè)量縮比后葉柵表面壓力的。為了減小來(lái)流湍流度,保持進(jìn)口氣流均勻,風(fēng)洞出口和微小葉柵實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口采用維托辛斯基收縮型線連接。微小平面葉柵排設(shè)計(jì)成可更換式,每個(gè)葉柵排由6個(gè)葉片組成,形成5個(gè)通道(如圖6)。保持通道高度不變,通過(guò)改變?nèi)~柵高度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同葉尖間隙與葉高比,無(wú)間隙時(shí)葉柵高度為7.36mm,有間隙時(shí)(葉尖間隙與葉高比為5%)葉柵高度為7.01mm。為了便于PSP測(cè)壓系統(tǒng)對(duì)測(cè)量表面進(jìn)行激勵(lì)和數(shù)據(jù)采集,實(shí)驗(yàn)段上表面和靠近葉背的側(cè)壁面安裝了強(qiáng)度和光學(xué)性能優(yōu)異的石英玻璃。為了方便壓敏涂料的噴涂,保證噴涂質(zhì)量,將葉柵排的中間兩個(gè)葉片設(shè)計(jì)成可拆卸式的(如圖7),噴好涂料后再將葉片安裝到葉片排上。

表1 常規(guī)葉柵和微小葉柵尺寸對(duì)比Table 1 Size comparision of traditional and micro cascade

圖6 微小葉柵排出口Fig.6 Outlet of micro cascade

圖7 可拆卸式葉柵排Fig.7 Removable cascade

實(shí)驗(yàn)對(duì)加工和裝配的精度要求較高,葉片及葉片安裝槽通過(guò)慢走絲線切割加工,精度5μ m,保證葉片形狀精確、統(tǒng)一。采用厚薄尺對(duì)裝配后葉尖間隙的大小進(jìn)行檢驗(yàn)(葉尖間隙0.35mm,如圖8～9)。檢驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)件裝配精度符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖8 0.35mm的厚薄尺Fig.8 Plug gauge of 0.35mm

圖9 用厚薄尺對(duì)間隙進(jìn)行檢驗(yàn)Fig.9 Test of the tip clearance with plug gauge

(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方案

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了有/無(wú)葉尖間隙毫米級(jí)葉柵中間通道處葉背表面壓力,來(lái)流速度34～85m/s。由于毫米級(jí)葉柵排的限制,實(shí)驗(yàn)時(shí)不能一次性采集到葉背整個(gè)表面的壓力分布,本文實(shí)驗(yàn)中首先對(duì)葉背前緣進(jìn)行圖像采集(如圖10),得到不同來(lái)流速度狀態(tài)下有/無(wú)間隙葉背前緣光強(qiáng)數(shù)據(jù),然后改變測(cè)壓系統(tǒng)位置對(duì)葉背后緣進(jìn)行圖像采集(如圖11),保持在采集前緣圖像和后緣圖像時(shí)來(lái)流速度一致,最后將兩次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合,得到整個(gè)葉片表面的壓力分布。

圖10 葉背前緣圖像采集Fig.10 Picture acquisition of leading edge of blade suction side

圖11 葉背后緣圖像采集Fig.11 Picture acquisition of trailing edge of blade suction side

3 微葉柵實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 來(lái)流速度對(duì)葉背表面壓力分布的影響

以無(wú)葉尖間隙情況為例,分析不同來(lái)流速度時(shí)葉背壓力分布特性(如圖12～15,氣流方向從右至左),從圖中可以看出：葉背前段表面壓力隨著來(lái)流速度增大而升高,沿程壓力降低,而葉背后部變化并不明顯。這是因?yàn)槿~背前段處于喉道前,氣流增速減壓,而葉背后部處于喉道之后,表面壓力受出口環(huán)境壓力影響較大。

3.2 間隙對(duì)葉背表面壓力分布的影響

圖12 來(lái)流速度32m/s時(shí)葉背壓力分布Fig.12 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 32m/s

圖13 來(lái)流速度50m/s時(shí)葉背壓力分布Fig.13 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 50m/s

圖14 來(lái)流速度66m/s時(shí)葉背壓力分布Fig.14 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 66m/s

以來(lái)流速度V1約為66m/s為例,分析存在葉尖間隙時(shí)葉背壓力分布特性(圖16～17分別為無(wú)間隙和葉尖間隙與葉高比5%時(shí)葉背壓力分布)：

(1)葉片中后段葉尖處壓力比葉根處壓力大很多,這是由于存在葉尖間隙,產(chǎn)生了泄漏,葉盆處高壓氣體通過(guò)間隙泄漏流入葉背,使葉背葉尖處壓力明顯大于葉根處;

(2)與無(wú)葉尖間隙相比,5%葉尖間隙時(shí)泄漏對(duì)葉背表面壓力的影響約占葉高1/3,葉背底端受泄漏的影響較小。

圖15 來(lái)流速度84m/s時(shí)葉背壓力分布Fig.15 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 84m/s

圖16 無(wú)間隙時(shí)葉背壓力分布(V1=66m/s)Fig.16 Pressure distribution of blade suction sucface without tip clearance(V1=66m/s)

圖17 5%間隙時(shí)葉背壓力分布(V1=68m/s)Fig.17 Pressure distribution of blade suction sucface with 5%tip clearance(V1=68m/s)

4 結(jié) 論

筆者首次將PSP技術(shù)應(yīng)用在毫米級(jí)平面葉柵研究領(lǐng)域,設(shè)計(jì)了一套可拆卸式毫米級(jí)平面葉柵實(shí)驗(yàn)段并建立了相應(yīng)的壓敏涂料測(cè)壓系統(tǒng),測(cè)量了葉背表面壓力,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)無(wú)葉尖間隙時(shí),葉背前段表面壓力隨著來(lái)流速度增大而升高,沿程壓力降低,而葉背后部變化并不明顯;

(2)葉片中后段葉尖處壓力比葉根處壓力大很多,這是由于存在葉尖間隙,產(chǎn)生了泄漏,葉盆處高壓氣體通過(guò)間隙泄漏流入葉背,使葉背葉尖處壓力明顯大于葉根處;

(3)與無(wú)葉尖間隙相比,有葉尖間隙時(shí)泄漏對(duì)葉背表面壓力的影響約占葉高1/3,葉背底端受泄漏的影響較小。

[1]GERENDAS M,PFIST ER R.Development of a very small aero-engine[C].ASME,2000-GT-0536.

[2]HARRIS M M,JONES A C,ALEXANDER E J.Miniature turbojet development at hamilton sundstrand The TJ-50,TJ-120 and TJ-30 turbojets[R].AIAA 2003-6568.

[3]KLEIN C.Application of Pressure Sensitive Paint(PSP)for the determination of the instantaneous pressure field of models in a wind tunnel[J].Aerospace of science technology,2000,4：103-109.

[4]SELLERS M E.Application of pressure sensitive paint for determining aerodynamic loads on a scale model of the F-16C[R].AIAA,2000-2528.

[5]LYONNET M,DELEGLISE B.Application of pressure sensitive paint technique in the S1MA wind tunnel[R].AIAA 2002-0744.

[6]MARK E K,CHRISTOPHER A K.Recent improvements in Pressure Sensitive Paint measurement accuracy at Boeing[R].AIAA 2002-2907.

[7]肖亞克,馬洪志,張孝棣,等.光學(xué)壓力敏感涂料的研制[J].傳感器技術(shù),2003,22(4)：29-32.

[8]LIU T,GUILLE M,ULLIVAN J P.Accuracy of pressure sensitive paint[R].AIAA 1999-3785.

[9]LANGSTON L S,NICE M L,HOOPER R M.Threedimensional flow within a turbine cascade passage[J].ASME Journal of Engineering for Power,1977,99：21-28.