小型探針在小尺寸壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中的應(yīng)用

吳森林，胡駿，向宏輝，唐磊，任銘林

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇南京210016；2.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

小型探針在小尺寸壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中的應(yīng)用

吳森林1，2，胡駿1，向宏輝2，唐磊2，任銘林2

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇南京210016；2.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

根據(jù)某小尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)測試的需要，先后研制了兩種(1#、2#探針)結(jié)構(gòu)形式的總壓、總溫復(fù)合探針。分別介紹了兩種探針的優(yōu)缺點(diǎn)和校準(zhǔn)結(jié)果，并對探針進(jìn)行了數(shù)值模擬和出口流場測量，對比分析了兩種探針測取的總壓、總溫及總性能間的差異。結(jié)果表明：兩種探針均能滿足小尺寸壓氣機(jī)出口流道堵塞比要求，有效地測取出口流場參數(shù)。

探針；壓氣機(jī)；流場；性能；應(yīng)用

1 引言

測試設(shè)備及測試技術(shù)是整個試驗(yàn)技術(shù)的核心，試驗(yàn)測試技術(shù)已發(fā)展成一種多學(xué)科相互滲透的綜合應(yīng)用技術(shù)。隨著發(fā)動機(jī)測試技術(shù)日新月異的變化，及時(shí)采用最新測試技術(shù)全面準(zhǔn)確地測取各種數(shù)據(jù)，系發(fā)動機(jī)試驗(yàn)技術(shù)先進(jìn)的重要標(biāo)志。發(fā)動機(jī)試驗(yàn)測量的特點(diǎn)是：試驗(yàn)過程短，被測介質(zhì)速度大、溫度高、流動狀態(tài)復(fù)雜，所測數(shù)據(jù)量大，各測量參數(shù)之間的同步性要求高。為適應(yīng)這些要求，測量系統(tǒng)必須具有精度高、工作可靠、測量速度快、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

用于測量壓氣機(jī)出口總壓、總溫的傳統(tǒng)探針采用多點(diǎn)帶導(dǎo)流套梳狀凸嘴型復(fù)合探針。為提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，探針支桿采用了條形孔形式的導(dǎo)管(用于埋置空氣管和溫度偶絲)，壁厚約為1 mm，支桿迎風(fēng)面寬度為6 mm。由于這種帶套梳狀凸嘴型總壓管結(jié)構(gòu)對氣流干擾大，且受某小尺寸壓氣機(jī)出口流道尺寸小的限制，傳統(tǒng)的總壓、總溫復(fù)合梳狀探針不能滿足多測點(diǎn)徑向分布的要求，并且堵塞比約為5.32%，大于規(guī)范要求的5%[1](一般將堵塞比控制在3%左右)。如果測試探針設(shè)計(jì)成移動耙的形式，則試驗(yàn)耗時(shí)，大大增加試驗(yàn)成本，同時(shí)又不能保證徑向測點(diǎn)的同步性。為此，先后研制了兩種總壓、總溫復(fù)合梳狀探針，并利用其準(zhǔn)確測取了壓氣機(jī)出口流場參數(shù)，滿足了某小尺寸壓氣機(jī)出口參數(shù)測量的要求[2]。

2 測試探針

2.1 探針特點(diǎn)

1#探針如圖1所示。該探針中的鎧裝熱電偶從空氣管(起壓力測量和電偶穿裝的作用)內(nèi)穿過[3]，空氣管尾端通過一個三通轉(zhuǎn)接座實(shí)現(xiàn)壓力與電偶引線的分離。測點(diǎn)所需的三根空氣管從安裝座伸出后直接前后并排貼焊、彎曲成型，省去了傳統(tǒng)的支桿。由空氣管前后并排組成的支桿迎風(fēng)面窄(寬度為空氣管道直徑)，對氣流通道的堵塞非常小(周向按6點(diǎn)布局的堵塞比約為2.0%)。同時(shí)，該探針的整個結(jié)構(gòu)十分簡單，容易制造。但缺點(diǎn)是：空氣管頭部伸出的一小段鎧裝熱電偶很容易受外物碰擊而損壞，安裝時(shí)要特別注意；同時(shí)，該熱電偶無法固定，受氣流影響可能會晃動，從而影響壓力測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對1#探針的缺點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了2#探針(如圖2所示)。該探針每個測點(diǎn)由兩根空氣管并排組成，其中一根用于測量壓力，另一根用于穿裝鎧裝熱電偶；同時(shí)還增設(shè)了整流罩，該整流罩除具有整流作用外，還起到保護(hù)鎧裝熱電偶的作用；在堵塞比方面，周向按6點(diǎn)布局的堵塞比約為2.4%。

圖1 1#復(fù)合探針結(jié)構(gòu)Fig.1 1#multiple probe structure

圖2 2#復(fù)合探針結(jié)構(gòu)Fig.2 2#multiple probe structure

2.2 探針校準(zhǔn)結(jié)果

圖3給出了兩種探針的角度特性校準(zhǔn)結(jié)果。從圖中可以看出，2#探針在-25°～25°攻角內(nèi)的相對誤差最大為0.02%，且在所給攻角范圍內(nèi)的誤差變化不大；1#探針僅在-6°～6°攻角內(nèi)的相對誤差最小為0.07%，且隨著攻角絕對值的增大，誤差呈增大趨勢。在0.3%誤差下，1#探針總壓測量的不敏感角為± 15°，2#探針可達(dá)±25°。由此可以說明，2#探針的應(yīng)用范圍(氣流角)更廣。

圖3 探針校準(zhǔn)結(jié)果Fig.3 Probe calibration results

2.3 探針模擬

為了更準(zhǔn)確地說明1#、2#探針的區(qū)別，在同一流道中采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對兩種探針進(jìn)行了數(shù)值模擬。如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)22.1萬，壁面附近采用邊界層網(wǎng)格遞進(jìn)加密；并將探針引起的流道堵塞比與壓氣機(jī)試驗(yàn)時(shí)保持一致，控制在2%；進(jìn)出口邊界與真實(shí)的試驗(yàn)工況一致，進(jìn)口總壓取230 kPa，出口靜壓取186 kPa；湍流模型采用工程應(yīng)用最廣泛的k-ε兩方程模型[4]。

圖4網(wǎng)格示意圖Fig.4 The sketch of grids

圖5 、圖6給出了兩種探針的空間速度矢量分布。從圖5可以看出，由于電偶的影響，空氣管端口處出現(xiàn)了回流，降低了動壓頭，從而影響到總壓的測量。圖6給出的2#探針，由于帶了整流罩，且空氣管前端與電偶齊平，所以測壓管端口處無回流現(xiàn)象，從而保證了壓力測量的精度。數(shù)值模擬得到的1#、2#探針空氣管內(nèi)總壓分別是228 kPa和230 kPa，與來流總壓230 kPa相比，2#探針測取的壓力更能表達(dá)流場壓力。在溫度測量方面，1#、2#探針的電偶均正對來流，測量結(jié)果一致。

圖5 1#探針空間速度矢量圖Fig.5 The vector distribution of 1#probe

3 數(shù)據(jù)處理方法

(1)壓氣機(jī)流量系數(shù)-Wc為：

(2)壓氣機(jī)壓比系數(shù)πc為：

(3)壓氣機(jī)效率系數(shù)ηc為：

式中：Ca為空氣流量系數(shù)；A為測量截面面積；Pt0、Ps0、Tt0分別為流量測量截面總壓，靜壓和總溫；Pt,in、Tt,in分別為壓氣機(jī)進(jìn)口總壓和總溫；Pt,ex、Tt,ex分別為出口總壓和總溫；Wd、πd、ηd分別為設(shè)計(jì)點(diǎn)流量，壓比和效率；γ為氣體導(dǎo)熱系數(shù)。

4 探針的應(yīng)用與結(jié)果

為保證1#、2#探針在測點(diǎn)位置和應(yīng)用環(huán)境上的一致性，兩種探針的測點(diǎn)布局在周向和徑向分布上完全相同，試驗(yàn)時(shí)壓氣機(jī)級間不引氣，導(dǎo)葉調(diào)至設(shè)計(jì)角度，同時(shí)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥保持不變。先后采用1#和2#探針分別錄取60%、70%、75%、80%等轉(zhuǎn)速特性線的壓氣機(jī)出口流場參數(shù)。

圖7～圖9分別給出了1#探針和2#探針在80%轉(zhuǎn)速時(shí)測取的流場參數(shù)對比(▲為1#探針、◆為2#探針)，兩支探針?biāo)〉膲罕赛c(diǎn)相差0.009，1#探針測取的壓比略高。從圖7可以看出，兩支探針測取的總溫重合性較好，對應(yīng)點(diǎn)的偏差在±0.28%之間。從圖8可以看出，兩支探針測取的總壓重合性略差，對應(yīng)點(diǎn)的偏差在±0.80%之間；2#探針測取的總壓更能表現(xiàn)一個物理柵距內(nèi)的壓力分布趨勢，而1#探針略差，主要表現(xiàn)在第1測點(diǎn)稍低，第2測點(diǎn)稍高。這是由于1#探針中的熱電偶導(dǎo)致空氣管端口處發(fā)生了回流(如圖5所示)，且受壓氣機(jī)末排靜葉尾跡區(qū)氣流的影響，電偶產(chǎn)生了小幅晃動，從而使進(jìn)入空氣管的氣流偏角不斷變化，導(dǎo)致測取的總壓誤差較大；2#探針帶有整流罩，空氣管前端的氣流比較均勻，端口處無回流(如圖6所示)，因此1#、2#探針測取壓力的重合性稍差。從圖9給出的總壓、總溫沿徑向分布可以看出，1#、2#探針測量結(jié)果重合性較好，對應(yīng)半徑的總壓、總溫偏差均在±0.1%之間，所以可以認(rèn)為兩種探針的測試結(jié)果一致[3]。

圖7 出口溫度周向分布Fig.7 Outlet total temperature distribution along circumferential direction

圖8 出口壓力周向分布Fig.8 Outlet total pressure distribution along circumferential direction

圖9 出口總壓、出口總溫徑向分布Fig.9 Outlet total pressure and temperature distribution along radial direction

對1#、2#探針測取的出口參數(shù)進(jìn)行了總性能計(jì)算，圖10、圖11分別給出了流量-壓比曲線和流量-效率曲線(空心為1#探針、粗線為2#探針)。從圖中可以看出，1#探針測取的狀態(tài)點(diǎn)均在2#探針測取的特性線上，且兩支探針測取的最高效率點(diǎn)也比較接近，在80%轉(zhuǎn)速時(shí)，最高效率點(diǎn)的偏差為0.8%(2#探針測取的效率略高)。另外，還對溫升效率誤差進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果為1.18%，兩支探針測取的效率偏差均在誤差范圍內(nèi)[5]，這說明該效率比較接近真實(shí)值，同時(shí)也說明1#、2#探針的結(jié)構(gòu)差異對壓氣機(jī)總性能的影響較小。

5 結(jié)束語

圖10 流量-壓比曲線Fig.10 Mass flow versus pressure ratio curve

圖11 流量-效率曲線Fig.11 Mass flow versus efficiency curve

新研制的兩種小型探針在保證小尺寸壓氣機(jī)出口流道堵塞比的同時(shí)，也有效地測取了流場參數(shù)。與1#探針相比，2#探針使用更方便可靠，穩(wěn)定性更好。所以今后在小尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)中建議采用2#探針的結(jié)構(gòu)形式。

[1]劉大響，葉培梁，胡駿，等.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與評定技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[2]吳岳庚.國內(nèi)外壓氣機(jī)試驗(yàn)與測試技術(shù)[R].貴州：貴州航空發(fā)動機(jī)研究所，1993.

[3]呂崇德.熱工參數(shù)測量與處理[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[4]溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[5]HB 7115-1994，壓氣機(jī)氣動性能試驗(yàn)[S].

Application of New Structure Probes to Performance Test of a Small Scale Compressor

WU Sen-lin1，2，HU Jun1，XIANG Hong-hui2，TANG Lei2，REN Ming-lin2
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Two types of total pressure and temperature multiple probes(No.1 and 2)were developed accord?ing to measuring requirements of a small scale compressor experiment.The numerical simulation and outlet flowfiled measurements of the probes were presented.In addition,the differences between the two types of probes in measuring total pressure,total temperature and overall performance were compared.The results show that both two types of the probes can meet the demand of the blockage ratio of the compressor outlet flow path and measure successfully the outlet flowfield parameters.

probe；compressor；flow field；performance；application

V241.06

A

1672-2620(2011)04-0040-04

2010-11-09；

2011-09-09

吳森林(1979-)，男，四川鄰水人，工程師，主要從事壓氣機(jī)試驗(yàn)研究。