試驗和測試技術在風扇/壓氣機氣動設計中的作用

常鴻雯，劉太秋

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

多年來，風扇/壓氣機氣動設計師們已經有能力設計出氣動性能優(yōu)異的多級風扇/壓氣機。同時，建立在試驗基礎上的各種設計工具、經驗數據庫在設計中起到了決定性的作用。但目前還沒有1種方法可對流量、壓比、效率和喘振裕度等重要設計參數進行精確地定量計算，從而確保1臺新風扇/壓氣機設計指標無風險的全部達到[1]，致使在設計中還必須依靠經驗來做許多主觀判斷，這必然對風扇/壓氣機的設計全過程產生不利的影響。多級軸流風扇/壓氣機流場十分復雜，是非定常、3維、強粘性作用、帶有邊界層分離的流場，為了模擬這樣的流場特征，用于設計的模型工具不得不做出許多簡化，這導致了設計用模型遺漏掉部分對風扇/壓氣機氣動性能有不可預見影響的技術元素，如旋轉葉片上附面層的穩(wěn)定性預測、非設計點的氣流性能、跨音速流動、非失速葉片顫振和旋轉失速等。

正是以上的這些現實情況，高效的組織相關性能試驗并且充分利用試驗結果指導氣動設計和優(yōu)化成為了設計氣動性能優(yōu)異的多級風扇/壓氣機所必須面對的課題。為實現這個目標迫切需要制定工作規(guī)范指導如何開展風扇/壓氣機設計及試驗并利用試驗結果與氣動設計進行迭代，工作規(guī)范應包括試驗的項目、內容、時機；測試的目標和水平以及同氣動設計迭代的過程的具體要求。

1 風扇/壓氣機氣動設計現狀

風扇/壓氣機設計流程如圖1所示。從圖中可見，目前風扇/壓氣機設計一般分為1維方案設計、S2流場設計、葉片造型設計、全3維流場數值模擬校核等幾個階段，各階段多依賴于各個單位以數據庫形式存在的已有知識。

進入21世紀以來，在大量試驗驗證數據的支持下，風扇/壓氣機設計、分析軟件得到了校核和印證，其準確性和有效性提升到了新的高度，特別是全3維數值模擬軟件得到了廣泛應用，取得了巨大的進展。

目前風扇/壓氣機氣動性能主要參數預測的精度見表1，從表中可知，其主要指標參數的預測精度以及影響因素。

表1 目前風扇/壓氣機氣動性能主要參數預測的精度

1.1 S2流場設計

在1維初步設計方案基礎上，應用2維（流向和徑向）S2通流程序，開展針對風扇/壓氣機的S2流場設計。由于計算和預估全部流場特征的方法過于復雜，對流場中主要的和最重要的流動特征保留，對其他流動特征做些假設，引入經驗關系來考慮。在S2流場設計過程中，目前很大程度上依賴于設計師的工程經驗，此階段已建立風扇/壓氣機的徑向匹配關系，但對端壁區(qū)認識還不夠準確[2-8]。

在流場設計和造型設計中，參數選擇是設計的核心，1個氣動設計師的經驗和水平主要體現在對設計參數的選擇和調整能力，這些參數構成了風扇/壓氣機所要達到的設計目標，這也是實現風扇/壓氣機內的流動的“框架”，程序只是實現這個框架的工具。例如，通過引入環(huán)壁堵塞和附加損失來考慮環(huán)壁附面層的影響，但由于其是半經驗的輸入數據，在多級風扇/壓氣機的后面級典型的環(huán)壁堵塞可達到10%的通道面積。如果該值不準確，會使全臺風扇/壓氣機在設計點工作時，某些級的工作點偏離設計工況，導致風扇/壓氣機效率和喘振裕度的下降，多級風扇/壓氣機的級間匹配如圖2所示。

但明確的是：在S2通流模型中，加入徑向的摻混模型對得到更精確的總溫和總壓沿程分布是十分重要的。1臺低速壓氣機轉子下游軸向速度和相對氣流角的計算結果和試驗結果的對比分別圖3、4所示[1]。從圖中可見，考慮各種實際影響因素后計算結果與試驗結果吻合的很好。這個例子表明：高精度模型可以有效提高氣動設計準確性，但模型的建立需要大量有效試驗數據的支持。

1.2 葉型設計

葉型設計的目的是實現S2通流設計的流場。在2維葉型設計中，主要任務是完成各個基元葉型截面的攻角、落后角和葉型附面層參數的計算。同樣，本階段設計很大程度上還要依賴于設計師的工程經驗，造型設計結果直接影響各級間的匹配。

以落后角為例，作為造型設計的1個重要的設計參數，又稱脫軌角，即氣流流過葉片時，出口氣流方向偏離了葉片中弧線，使氣流轉折角減小。落后角形成主要是氣流的慣性、葉片表面的附面層、葉片壓力面和吸力面壓力分布、以及在葉片尾緣為滿足Kutta條件等原因引起的。葉型截面的落后角通常根據卡特公式計算得到，見式（1），也可以根據S1程序計算得到（由于二次流的原因，在端壁區(qū)實際的落后角和這里討論的落后角不一樣），根據各個公司經驗，給出不同基元葉型落后角是修正量。

落后角主要是葉型的彎折角、稠度、葉型等參數的函數，當來流攻角變化時，只要葉片無分離，落后角變化不大。

式中：Δθ為葉型彎折角；m為安裝角的函數，m與安裝角的關系如圖5所示[2]。

隨著風扇/壓氣機氣動負荷和葉片氣流折轉角的逐步提高，現有的落后角經驗公式（如：卡特爾公式等）已不能滿足高負荷、大彎角多級風扇/壓氣機的設計需求。為此，必須開發(fā)較為準確的新經驗公式或修正關系，來替代現有經驗公式。所采取的技術措施為利用平面葉柵、環(huán)形葉柵吹風試驗，甚至是低速或高速的單級試驗，開發(fā)并建立葉柵試驗數據庫，校核S1流面計算軟件并積累使用經驗。

1.3 全3維數值模擬

隨著計算機性能的日益改進，進入21世紀以來，在多級風扇/壓氣機設計中全3維CFD方法已普遍應用，多級風扇/壓氣機全3維計算的難題已成為過去，新的挑戰(zhàn)是在考慮影響計算精度的各種因素條件下對全3維流場的準確分析和評估。

在設計中引入3維CFD計算帶來了2方面的益處：（1）3維CFD可以考慮真實幾何對流場的影響，如葉尖徑向間隙、小圓半徑、引氣、內環(huán)泄漏、軸向間距以及其他的由結構設計引起的泄漏流的影響，并可顯現局部流動細節(jié)；（2）為3維葉片設計提供了可能。

目前使用經驗表明：受網格劃分質量、紊流模型及摻混面模型選取的影響，多級軸流風扇/壓氣機的全3維數值模擬結果仍然處于設計變化方向可信而對預估的量值不可信的狀態(tài)，特別是多級壓氣機失穩(wěn)邊界的預估和多級風扇/壓氣機的級間匹配。當然，3維CFD技術的應用，成功降低了設計成本和縮短了設計周期，設計方案也更趨于合理。

2 試驗在風扇/壓氣機部件設計中的作用

2.1 風扇/壓氣機部件試驗的目的

為降低燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)動機研制風險，在發(fā)動機裝配之前，對各個部件需要分別進行試驗，使之滿足發(fā)動機要求達到的性能指標和可靠性。多級風扇/壓氣機部件或模型試驗件作為其中之一，在裝機前就要進行錄取特性、確定穩(wěn)定工作邊界、流動損失、可靠性等一系列試驗驗證，以確定風扇/壓氣機特性與發(fā)動機要求的符合性及檢驗為提高特性所采用措施的有效性。

多級軸流風扇/壓氣機是由一系列形狀相似的擴壓葉柵組成，風扇/壓氣機葉身的橫截面隨半徑的變化是與速度三角形的徑向變化相適應的，通常認為這種葉片的任意1個指定基元截面的特性是與具有相同幾何形狀的靜止的2維葉柵性能相同。根據這個相似原理，通過在成本很低的靜子葉柵上進行試驗，已成功設計了多款性能優(yōu)異的風扇和壓氣機。但隨著氣動性能需求的不斷提高，多級風扇/壓氣機內的3維流動日趨復雜，使得旋轉葉片排的基元性能很大程度上取決于葉片排的3維性質，特別是葉片排的端區(qū)流動。

當前，風扇/壓氣機設計通常是按照經驗數據設計的，由于工程實踐中不同復雜程度的模型適用范圍不同，導致存在能否達到氣動性能的風險。例如上面介紹的準3維設計方法，所采用的各種模型的適用性對設計指標的達到程度有著直接的影響，例如葉身附面層的分離是估算性能的最小值時，其擴散程度就達到最大，而絕大部分的隱患都與這種最大的擴散程度有關，這意味著風扇/壓氣機所達到的最大穩(wěn)定壓比需要試驗驗證。

綜上所述，進行與多級風扇/壓氣機研究相關的各種試驗和測試，無論在擴大設計軟件實踐經驗范圍、設計軟件模型改進、指導研究和設計工作方面，還是在鑒定風扇/壓氣機設計技術的有效性、獲得風扇/壓氣機中需要改進部分的信息和風扇/壓氣機設計指標達到方面都是必要的。

2.2 試驗數據對風扇/壓氣機性能調試的作用

通常情況下，壓力、溫度等參數的測量精度要求一般按HB 7115-1994壓氣機氣動試驗標準進行，例如大氣壓力±0.05%；進口溫度±0.5 K；其他穩(wěn)態(tài)壓力±0.2%；氣流方向角±1°等。風扇/壓氣機的氣動指標包括流量、壓比、不同轉速的喘振裕度、效率、抗進口畸變能力等方面。

其中位于風扇/壓氣機進出口平面上的測量儀表可以確定這些指標，但其對了解風扇/壓氣機如何達到或者沒有達到設計指標這一問題幫助很少，在機匣環(huán)形通道的外壁測量各級葉片排進、出口平面上的靜壓就可以有效回答這個問題。與風扇/壓氣機進出口平面上的測量參數相結合，這些靜壓值經過轉換可以繪制每個葉片排的壓比與流量的特性曲線，并確定這些特性線上的工作點。在多數情況下，這些信息能夠迅速表明哪排葉片工作不好，并確定在多大范圍內調整葉片排來提高其總性能。這樣就能很大程度上改善多級風扇/壓氣機的軸向不匹配，而不必追究產生這些問題的基本原因。參考文獻[3]給出了1臺3級風扇調試的實例。靜子葉片角度優(yōu)化前設計轉速總性能特性如圖6所示，隨著反壓提高，在流量尚未拐頭、效率尚無下降趨勢時即進入喘振。這表明級匹配出現問題，即某1級在其他級尚處在較好狀態(tài)時提早偏離設計工況進入不穩(wěn)定狀態(tài),導致喘振提前發(fā)生[5-7]。

第1階段試驗各級壁面靜壓比分布如圖7所示。在橫坐標中流量由高到低的過程為試驗狀態(tài)從堵點到喘點的過程。3排轉子級特性表明：1、2級轉子負荷幾乎相近，明顯高于3級轉子，但2級負荷偏重；從各級轉子近喘點壓比變化可見，1級轉子近喘點時壓比依然上升，3級轉子持平，唯有2級轉子壓比在近喘點前突然下降。初步判定2級轉子因負荷太重增壓能力已達極限，喘振的誘因就在這級，而4個靜子葉片排的性能未見異常。

根據級間流場診斷結果，對試驗件第1、2級靜子進行相應調整，將第1級靜子安裝角在原基礎上減小6°，第2級靜子安裝角在原基礎上減小3°，在增加第1級轉子負荷、降低2、3級轉子負荷的條件下進行了氣動性能優(yōu)化試驗。試驗驗證表明，第1級負荷明顯增大，在進喘前靜壓比有下降趨勢，也表明該級增壓潛力得到了充分挖掘。第2、3級負荷減小，進喘前靜壓比無下降現象，達到了優(yōu)化性能的目的，優(yōu)化后氣動性能參如圖8所示，優(yōu)化后各級壁面靜壓比分布如圖9所示。

多年的風扇/壓氣機氣動性能試驗調試表明，這是1種快速有效的氣動性能改進的試驗測試方法。但通常情況下，壁面靜壓只能指出多級軸流風扇/壓氣機某一葉片排平均氣動性能不好，或者葉片排的有效工作范圍太窄等問題。對于診斷由某葉片排哪個具體徑向高度上葉型設計的誤差而導致的特定葉片的性能惡化就無能為力了。鑒別這些問題則需要特定葉片排所有半徑上的基元級性能數據，這些數據可以由移動式測量頭測得，也可以是由布置在幾個半徑位置上的固定式儀表測出的幾個輪廓點上的數據。二者的各自優(yōu)點是：固定式（靜子葉片前緣滯止室）測量耗時少，數據整理分析簡單；移動式測量對流場造成擾動的持續(xù)時間短。

依據壁面靜壓測量結果，3級風扇氣動性能優(yōu)化后的測量結果分析如圖10、11所示。

從圖中可見，第2級轉子葉尖和中上位置在接近喘點時壓比明顯下降，結合靜壓比變化，判斷第2級轉子中上部位在大攻角狀態(tài)下流動惡化，葉片吸力面很可能發(fā)生較大分離，最終導致整體流動失穩(wěn)。由此確定優(yōu)化的方向應為減小第2級轉子的負荷，特別是中上位置，即通過調整第1級靜子的安裝角，以減小第2級轉子的攻角，實現了近喘點時的流動分離現象的抑制。級間總壓比還表明，第3級轉子中下部壓比在近喘點時也發(fā)生顯著下降的現象，這可能是受上游失穩(wěn)氣流影響所致，但更可能是負荷偏重的表現，故采取同樣調節(jié)方式調節(jié)第2級靜子，適當減小該級負荷[10-12]。

從以上實例分析可以看出，多級風扇/壓氣機氣動性能試驗研究大致分為3個層次：（1）驗證總的氣動性能，確定總性能滿足設計指標的情況；（2）分析壁面靜壓數據，確定導致總性能未達到設計指標的葉片排；（3）對上一級中的葉片排進行詳細考察和診斷，確定需要改進的局部調整或者改進設計方向。

2.3 風扇/壓氣機性能試驗流程和測試的目標

1臺氣動性能良好的多級風扇/壓氣機是設計出來的，是在試驗和測試基礎上設計出來的，試驗和測試技術在多級風扇/壓氣機氣動設計中具有不可缺少的地位和作用。

在試驗方面，目前已經開展了諸如葉片展弦比變化特性研究；輪轂區(qū)間隙流動特性研究；葉尖區(qū)間隙流動特性及機匣處理技術研究；軸向間隙變化影響研究；轉子葉尖徑向間隙變化影響研究；Re數變化影響研究等眾多方面。

在測試方面，目前已經開展了穩(wěn)態(tài)測試技術研究，如截面沿周向進行壁面靜壓測量；沿試驗件軸向進行壁面靜壓測量，特別是在靜子、轉子葉尖通道區(qū)要進行詳細、多點壁面靜壓測量，以確定轉子、靜子通道中超音速激波流場；在軸向測量截面采用3孔或5孔探針進行流場方向測量；在風扇/壓氣機進出口采用移動探針測量壓力和溫度場等。在非穩(wěn)態(tài)測試技術方面，例如在靜子葉片上和轉子葉片上方（葉尖機匣處）安裝半導體壓力傳感器，以測量動態(tài)流場；在試驗件軸向間隙中采用熱絲、熱膜風速儀或動態(tài)壓力傳感器，測量間隙內壓力、方向等動態(tài)、穩(wěn)態(tài)流場；采用電容或其他傳感器，進行轉子葉尖徑向間隙測量；在轉子葉片上進行動應力測量；在軸向間隙中和轉子葉片間間隙3維光學測量等等。

綜上所述，多級風扇/壓氣機氣動設計對試驗和優(yōu)化的主要流程如圖12所示。試驗測試的需求目標可總結為：（1）觀察風扇/壓氣機的特性，確認能安全地用在發(fā)動機上；（2）觀察葉片排的特性，找出問題所在，逐步調試實現風扇/壓氣機氣動性能提高；（3）觀察有問題葉片排的基元特性。可以通過專門的低速或高速試驗臺進行試驗分析，測量分析越具體，對基本原理的理解越透徹。

3 結論和展望

從設計工具來說，目前已經具備了多級風扇/壓氣機的3維設計能力，但目前國際上多級風扇/壓氣機的氣動設計仍然為2維思想和方法所主宰的準3維設計方法，3維設計沒有廣泛應用的原因主要是缺乏對全3維黏性流場的準確分析和認識。

由于數據采集分析技術的快速發(fā)展，為迅速有效地采集和處理大量試驗數據提供了技術手段，也為試驗和測試分析技術的進一步提高提供了可能性，更為多級高性能風扇/壓氣機的設計成功提供了技術支撐。通過大量詳細、準確的試驗和測試研究，可以幫助風扇/壓氣機設計工程師們獲得復雜流場的有用數據和正確的分析結果，從而實現與多級風扇/壓氣機氣動設計相關計算技術和方法校核、完善。由此可以預計，多級風扇/壓氣機的氣動設計發(fā)展方向為無常規(guī)設計參數的全3維氣動設計，在實現提高氣動性能水平同時，也提高其可靠性，但這一切都要基于試驗和測試所獲得的大量經驗的累積。

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