跨聲速風(fēng)扇轉(zhuǎn)子內(nèi)流場三維PIV測量

萬釬君，石小江，劉志剛，肖華菊，熊 兵，2，幸曉龍

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

1 引言

葉輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，為持續(xù)改進(jìn)其性能需充分了解內(nèi)部的流動現(xiàn)象[1]。粒子圖像測速(PIV)技術(shù)克服了以往流場測試中單點(diǎn)測量的局限性，可瞬時(shí)無接觸測量流場中多點(diǎn)速度矢量，是一種非常有發(fā)展前景的無擾動流場測量技術(shù)[2]。上世紀(jì)末國內(nèi)外已將PIV技術(shù)成功應(yīng)用于葉輪機(jī)流場測試，對葉輪機(jī)內(nèi)流做了大量研究[1-16]。但國內(nèi)外公開發(fā)表研究報(bào)告中，鮮有針對跨聲速旋轉(zhuǎn)件三維PIV技術(shù)的介紹。

本文以三維PIV技術(shù)在跨聲速旋轉(zhuǎn)件內(nèi)流場測試領(lǐng)域的應(yīng)用為目的，在某壓氣機(jī)試驗(yàn)器上進(jìn)行了跨聲速壓氣機(jī)內(nèi)流場三維PIV測試關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、數(shù)據(jù)分析方法研究及試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，獲得了某小型跨聲速風(fēng)扇15 000 r/min和21 006 r/min轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)工況下的轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場特性，并與壓敏漆(PSP)測量結(jié)果進(jìn)行了對比，以期為跨聲壓氣機(jī)內(nèi)三維復(fù)雜流動研究提供先進(jìn)的測量手段，為數(shù)值模擬和湍流模型提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)及驗(yàn)證方法，為壓氣機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

試驗(yàn)在單多級壓氣機(jī)試驗(yàn)器上進(jìn)行。該試驗(yàn)器為敞開節(jié)流式軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)器，主體主要由流量管、擴(kuò)散段、進(jìn)氣節(jié)氣門、穩(wěn)壓箱、高速齒輪箱、排氣系統(tǒng)、齒輪增速器、測扭器、同步電機(jī)等組成。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)件由一臺同步電動機(jī)驅(qū)動，變頻無級調(diào)速，通過齒輪增速器使試驗(yàn)件達(dá)到所需轉(zhuǎn)速。

試驗(yàn)件是機(jī)匣內(nèi)徑為?309.2mm的小型航空發(fā)動機(jī)用單級軸流風(fēng)扇。該風(fēng)扇由進(jìn)口支板、轉(zhuǎn)子及靜子組成。從試驗(yàn)件進(jìn)口看，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。PIV測量截面為轉(zhuǎn)子75%葉高的擬S1流面。

3 PIV設(shè)備及主要技術(shù)方案

利用現(xiàn)有的PIV測試系統(tǒng)，搭建了一套適用于葉輪機(jī)試驗(yàn)的三維PIV測試系統(tǒng)，并對光路布局、粒子播放、三維標(biāo)定等技術(shù)進(jìn)行了研究。

3.1 三維PIV測試系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)由脈沖激光器、固定支架、光學(xué)透鏡組、兩臺CCD相機(jī)、高精度時(shí)序控制器、主控計(jì)算機(jī)等組成。脈沖激光器產(chǎn)生規(guī)定時(shí)間間隔的脈沖激光光束。固定支架由不同規(guī)格的支架及連接套件現(xiàn)場組裝而成，用于光路及三維CCD相機(jī)空間布局的搭建。不同功能的光學(xué)透鏡由支架固定在空間不同位置形成一組完整的光路，將激光器產(chǎn)生的脈沖光束導(dǎo)入機(jī)匣內(nèi)并轉(zhuǎn)換成PIV光學(xué)測量所需的片光源。利用兩臺解析度均為1 600×1 200像素的跨幀CCD相機(jī)進(jìn)行三維布局。主控計(jì)算機(jī)用于圖像采集、數(shù)據(jù)處理及時(shí)序指令改寫。周向定位采取窗口觸發(fā)模式，試驗(yàn)件每轉(zhuǎn)一周，安裝在試驗(yàn)件上的光電傳感器輸出一個(gè)外觸發(fā)鎖相信號，此鎖相信號經(jīng)時(shí)序控制器傳入主控計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)采集到外觸發(fā)信號頻率，并計(jì)算出外觸發(fā)信號頻率倍數(shù)、滿足要求的激光頻率、相機(jī)重復(fù)頻率。為適應(yīng)旋轉(zhuǎn)件非周期轉(zhuǎn)動，在計(jì)算的重復(fù)頻率基礎(chǔ)上，疊加外觸發(fā)信號相關(guān)的時(shí)間窗口。圖像采集時(shí)，激光Q開關(guān)在CCD相機(jī)準(zhǔn)備好采集下一張圖片且收到外觸發(fā)信號時(shí)，由時(shí)序控制器輸出序列控制激光器和CCD相機(jī)同步工作。

3.2 試驗(yàn)件改造及光路布局

為實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)內(nèi)部流場可測，重新加工了試驗(yàn)件機(jī)匣并對其進(jìn)行了機(jī)匣視窗、視窗安裝邊及激光內(nèi)窺鏡固定套件的設(shè)計(jì)加工。視窗玻璃的可觀察范圍，軸向大于轉(zhuǎn)子葉片在軸向上的投影，周向大于1.5倍葉片槽道。測量截面需要激光片光照亮，這就要求將激光器產(chǎn)生的激光光束引入到試驗(yàn)件內(nèi)，并轉(zhuǎn)換為片光。激光器產(chǎn)生的激光光束通過一組反射透鏡傳遞至一組縮束透鏡前，縮束透鏡組將光束收縮并傳遞到激光內(nèi)窺鏡前，收縮后的光束經(jīng)激光內(nèi)窺鏡的透鏡組及鋼管進(jìn)一步收縮并傳遞至末端的側(cè)面適配器，再經(jīng)側(cè)面適配器的光學(xué)鏡片轉(zhuǎn)換為2 mm左右的片光照射至轉(zhuǎn)子內(nèi)測量截面。激光內(nèi)窺鏡從轉(zhuǎn)子上游插入，通過固定裝置固定在試驗(yàn)件機(jī)匣上?？赏ㄟ^調(diào)整激光內(nèi)窺鏡伸入流道的深度調(diào)節(jié)片光照射的葉高位置。

CCD相機(jī)采用立體攝影布局，兩臺相機(jī)位于激光片光同側(cè)，采用透鏡傾斜法，透鏡、像面和觀測物面均不平行，傾斜而相交于一點(diǎn)，滿足Scheimpflug條件；兩相機(jī)均有一共同觀測物面，透鏡和像面盡管不平行，但透鏡的中心軸線接近通過像面的中心附近[17]。為避免試驗(yàn)件輔助支撐遮擋相機(jī)拍攝，兩臺相機(jī)安裝在豎直支架上。圖1給出了三維PIV系統(tǒng)現(xiàn)場布局。

圖1 三維PIV系統(tǒng)現(xiàn)場布局圖Fig.1 3D PIV configuration

3.3 粒子播放

粒子播放裝置如圖2所示。自制的固態(tài)粒子播放器位于試驗(yàn)件上游，流量管下方，防塵網(wǎng)內(nèi)。空氣壓縮機(jī)運(yùn)行使粒子播放器中的固態(tài)粒子與高壓氣體混合后從粒子播放孔中噴出，并在流量管前方與空氣充分摻混。這種播放方式有利于粒子的充分摻混，并且產(chǎn)生的粒子流與空氣一起吸入流量管內(nèi)，無多余的氣流引入。

3.4 轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部三維標(biāo)定

圖2 粒子播放示意圖Fig.2 Particle seeding method

葉輪機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)流三維PIV精確測量，需對轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部測量截面進(jìn)行準(zhǔn)確的三維標(biāo)定，修正由于片光源傾斜、兩臺相機(jī)間光學(xué)系統(tǒng)差異及弧形機(jī)匣視窗產(chǎn)生的光學(xué)畸變引起的圖像變形。參照多個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片形狀，設(shè)計(jì)并加工了能裝入轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部且點(diǎn)陣布置合理的三維標(biāo)定板組件，以滿足不同壓氣機(jī)的需要[18]。圖3為三維標(biāo)定板安裝在葉片通道內(nèi)部的照片。轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部三維標(biāo)定方法為：在欲測流場區(qū)域給出一束激光片光，調(diào)節(jié)三維標(biāo)定板凸面至轉(zhuǎn)子通道內(nèi)欲測截面，保證片光平面與標(biāo)定板凸面重合；安裝機(jī)匣視窗玻璃，以三維標(biāo)定板為參照，調(diào)節(jié)兩CCD相機(jī)所拍攝圖片基本為同一位置，調(diào)節(jié)Scheimpflug角，使兩臺相機(jī)照片上標(biāo)定點(diǎn)的圖像清晰，并拍下照片；數(shù)據(jù)處理時(shí)，使用多項(xiàng)式算法對視場進(jìn)行幾何校正，模仿雙目測距原理，根據(jù)成像幾何關(guān)系，計(jì)算粒子的空間坐標(biāo)，進(jìn)而算出三維速度[19]。

圖3 轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部三維光學(xué)標(biāo)定Fig.3 3D optical calibration in rotor passage

4 測量結(jié)果及分析

圖像采集過程中，通過相位調(diào)節(jié)對幾個(gè)不同相位圖像進(jìn)行了采集。數(shù)據(jù)處理過程中，對原始圖像進(jìn)行了去背景噪聲處理，并對同一相位質(zhì)量較好的圖片進(jìn)行了等相位平均及坐標(biāo)變換。選取15 000 r/min和21 006 r/min轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)工況下較好的等相位平均結(jié)果進(jìn)行分析。氣流偏轉(zhuǎn)角α=atan(Vy/Vx)，方向定義為順氣流看沿壓氣機(jī)軸線為零度，逆時(shí)針方向?yàn)檎?；三維速度幅值別為三維速度矢量在軸向、切向、徑向上的分量。相對坐標(biāo)系下的三維速度幅值及三維速度矢量在坐標(biāo)上的分量定義與絕對坐標(biāo)系下的定義一致。

圖4 15 000 r/min轉(zhuǎn)速下工作點(diǎn)流場Fig.4 Flowfield at working point condition of 15 000 r/min

圖4為15 000 r/min轉(zhuǎn)速下工作點(diǎn)的三維流場測量結(jié)果。從圖4(a)中可看到，在絕對坐標(biāo)系下氣流軸向進(jìn)氣，進(jìn)入葉片通道后流動向葉片轉(zhuǎn)動方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，隨著流道的深入三維速度幅值增大。由圖4(b)可看出，沿葉片額線方向氣流偏轉(zhuǎn)角變化明顯，從壓力面到吸力面氣流偏轉(zhuǎn)角由順時(shí)針逐漸向逆時(shí)針轉(zhuǎn)換。結(jié)合圖4(a)中額線上速度幅值出現(xiàn)的較大變化，說明在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)口處氣流的方向和大小都存在較大差異。隨著氣流深入轉(zhuǎn)子流道，由于葉片輪緣功的加入，氣流偏轉(zhuǎn)角朝順時(shí)針方向(葉片轉(zhuǎn)動方向)偏轉(zhuǎn)增大。相對坐標(biāo)系下三維速度矢量分布見圖4(c)?？梢娫谙鄬ψ鴺?biāo)系下，氣流流動均勻，幾乎沿著流道流動；轉(zhuǎn)子通道內(nèi)吸力面的速度大于壓力面的速度，且隨著流道的深入相對速度逐漸減小，符合壓氣機(jī)減速增壓原理；靠近葉片葉背處相對氣流很小，這是由于此試驗(yàn)件進(jìn)口無可調(diào)導(dǎo)葉，在低轉(zhuǎn)速時(shí)攻角較大，氣流在葉背出現(xiàn)分離，相對速度較低。從圖4(d)中徑向速度分布可更直觀地觀察三維流動，圖中的矢量是相對二維速度，背景色表示徑向速度幅值大小?？梢钥吹浇咏~片吸力面有較大的朝向葉尖的徑向速度幅值，這可能是低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下靠近葉片吸力面形成了從葉根至葉尖的徑向潛流；通道后半部分呈現(xiàn)較大的朝向葉根的徑向速度幅值，原因可能是轉(zhuǎn)子前緣葉高大于轉(zhuǎn)子后緣葉高，試驗(yàn)件流道收縮，導(dǎo)致流道后半部形成較大的徑向速度。

圖5為21 006 r/min轉(zhuǎn)速下工作點(diǎn)的三維流場測量結(jié)果。此工況下，葉尖切線速度達(dá)340 m/s，轉(zhuǎn)子通道內(nèi)相對速度達(dá)跨聲速狀態(tài)。由圖5(a)及圖5(c)可看到，跨聲速狀態(tài)下轉(zhuǎn)子前緣附近產(chǎn)生了一道正激波，并在葉片通道后半部分存在局部超聲速區(qū)，產(chǎn)生了不明顯的通道內(nèi)斜激波。圖5(b)直觀顯示了轉(zhuǎn)子前緣氣流遇到激波發(fā)生氣流角度偏轉(zhuǎn)時(shí)的現(xiàn)象，能更明顯地觀察到激波結(jié)構(gòu)。由圖5(c)及圖5(d)可看出，高轉(zhuǎn)速下靠近葉片吸力面的徑向潛流與低轉(zhuǎn)速下的有所不同，潛流的方向從葉尖至葉根。

利用PSP對同一試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子進(jìn)行測量，觀測轉(zhuǎn)子葉背表面壓力分布及激波情況。圖6為上述兩個(gè)相同工況下的PSP測量結(jié)果。隨著轉(zhuǎn)速的增高，轉(zhuǎn)子較大葉高位置靠近尾緣部分逐漸形成一個(gè)三角高壓區(qū)。推斷其原因是，由于轉(zhuǎn)速上升，尖區(qū)部分葉型在最大厚度附近氣流加速至最大速度，形成局部超聲速區(qū)，產(chǎn)生了不完整(未貫穿通道)的斜激波，局部氣流經(jīng)激波增壓在后半部分葉型處形成局部高壓區(qū)。可見PIV結(jié)果與PSP結(jié)果較為一致。

圖5 21 006 r/min轉(zhuǎn)速下工作點(diǎn)流場Fig.5 Flowfield at working point condition of 21 006 r/min

圖6 15 000 r/min和21 006 r/min轉(zhuǎn)速下PSP測量結(jié)果Fig.6 Results of PSP measurement at 15 000 r/min and 21 006 r/min

5 結(jié)論

在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)件最高物理轉(zhuǎn)速達(dá)21 006 r/min的高精度周向定位及跨聲速流場三維PIV測量。采用的技術(shù)途徑為后續(xù)壓氣機(jī)內(nèi)流場可視化測量技術(shù)的深入應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。研究所得主要成果表現(xiàn)在：

(1)在空間狹小管路遮擋的試驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了激光光束從激光器導(dǎo)入試驗(yàn)件流道并形成片光及壓氣機(jī)內(nèi)部流場可視化。

(2)為跨聲速壓氣機(jī)內(nèi)流場試驗(yàn)提供的跟隨性好、分布均勻的示蹤粒子流，保證了壓氣機(jī)流道內(nèi)清晰粒子圖像的獲得。

(3)數(shù)據(jù)處理后得到的葉片通道內(nèi)的亞聲速及跨聲速流場結(jié)構(gòu)和激波結(jié)構(gòu)合理，且與PSP的測量結(jié)果相一致。

(4)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的流場結(jié)果與實(shí)際流道尺寸相符，證明經(jīng)三維標(biāo)定消除像差后得到的位移數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性。

(5)文中只對跨聲速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子某一截面的流場進(jìn)行了三維PIV測試，有必要進(jìn)行更全面、范圍更廣的跨聲速壓氣機(jī)內(nèi)流場三維PIV測試；需研制附著性好、抑制漫反射能力強(qiáng)的PIV測量專用涂料，以降低葉片、機(jī)匣、下游靜子葉片、輪轂的漫反射產(chǎn)生的背景噪聲；進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法，得到更準(zhǔn)確、更豐富的流場信息。