多級低速壓氣機(jī)靜子通道內(nèi)流場測量

林顯巧，胡 駿，王佳宇，李 駿

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

0 引言

由于固有的強(qiáng)逆壓力梯度、強(qiáng)非定常、高度3維性等特點(diǎn)，多級高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)很困難。要想進(jìn)一步提高高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)水平，則需要對其內(nèi)部的詳細(xì)流場結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)確的認(rèn)知。然而高壓壓氣機(jī)后面級處于高壓高溫的環(huán)境中且具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)，開展其內(nèi)部流場的詳細(xì)測量難度大，周期長，成本高[1]，因此通常采用低速模擬試驗(yàn)的方法來模擬高壓壓氣機(jī)被模擬級的主要流動特征。

針對高壓壓氣機(jī)的低速模擬，美英等國家做了大量工作，技術(shù)較為成熟。GE公司的Wisler[2-3]對E3高壓壓氣機(jī)出口級進(jìn)行低速模擬，推動了E3高壓壓氣機(jī)的發(fā)展；英國的Lyes等[4-6]對5級高壓壓氣機(jī)C147的第4級開展了低速模擬試驗(yàn)，證實(shí)了試驗(yàn)的可靠性。在國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)提出用于高壓壓氣機(jī)低速模擬的“模擬準(zhǔn)則”[7-8]，并通過多輪低速模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了該“模擬準(zhǔn)則”的正確性[9-11]。低速模擬試驗(yàn)是揭示高壓壓氣機(jī)內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)和總壓損失機(jī)理，檢驗(yàn)高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而低速壓氣機(jī)內(nèi)部流場的測量技術(shù)與測量水平又是決定低速模擬試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵因素，因此發(fā)展能夠準(zhǔn)確獲得低速軸流壓氣機(jī)模擬級的性能參數(shù)，深入了解壓氣機(jī)內(nèi)部流場細(xì)節(jié)及主要損失機(jī)制的測量方法尤為重要。4、5孔探針等氣動探針結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，能夠得到測量點(diǎn)總壓、靜壓、速度矢量等多個流場參數(shù)，在現(xiàn)階段葉輪機(jī)械3維流場測量中被廣泛采用。Gilarranz J L[12]使用1根5孔探針對1臺多級離心壓縮機(jī)的級間流場進(jìn)行測量，并與CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較；Lakshminarayana B[13]使用1根微型5孔探針對3級軸流壓氣機(jī)的第2級靜子出口進(jìn)行流場測量，得到出口處速度、壓力等參數(shù)的分布；閆久坤[14]建立了1個5孔探針測量系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于壓氣機(jī)級間參數(shù)測量；張曉東[15]利用5孔探針對渦輪導(dǎo)向器出口流場進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)端區(qū)流場存在較強(qiáng)的旋渦結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)階段氣動探針多用于葉輪機(jī)械葉片進(jìn)、出口截面的流場測量，而關(guān)于氣動探針在葉片通道內(nèi)流場測量上的應(yīng)用鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。多級低速壓氣機(jī)靜子葉片尺寸較大，允許具有較長尺寸探頭的L型5孔探針在通道內(nèi)移動，本文發(fā)展了1種能夠深入了解低速壓氣機(jī)靜子通道內(nèi)的流場細(xì)節(jié)及主要損失機(jī)制的測量方法（即使用1根4孔探針和1根L型5孔探針同時對靜子進(jìn)口截面和通道內(nèi)某個軸向截面進(jìn)行測量），并完成了某4級低速軸流壓氣機(jī)的第3級靜子進(jìn)、出口及通道內(nèi)截面的3維流場測量。

1 試驗(yàn)對象及測量設(shè)備

1.1 低速壓氣機(jī)試驗(yàn)臺

試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)4級低速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)臺（如圖1所示）由進(jìn)口喇叭口、進(jìn)氣管道、整流罩、壓氣機(jī)試驗(yàn)件、蝸殼、電機(jī)、電動閥門、排氣管道、支撐小車等部件組成。試驗(yàn)所用壓氣機(jī)為帶進(jìn)口導(dǎo)向葉片的4級重復(fù)級低速壓氣機(jī)，模擬級為壓氣機(jī)的第3級，進(jìn)口導(dǎo)向葉片、轉(zhuǎn)子、靜子的葉片數(shù)分別為60、64、84。該壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為900 r/min，轉(zhuǎn)速的控制精度為±1 r/min。

圖1 低速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺

1.2 位移機(jī)構(gòu)

為了測量各截面不同位置處的流場參數(shù)，需要通過1個位移機(jī)構(gòu)來帶動測量探針。位移機(jī)構(gòu)具有3個自由度，既可以帶動探針上下或者左右移動，也可以帶動探針繞自身軸線轉(zhuǎn)動。其上下、左右的行程均為150 mm，重復(fù)定位精度為±0.1 mm，旋轉(zhuǎn)角度為360°，精度為0.1°。該位移機(jī)構(gòu)如圖2所示。在壓氣機(jī)機(jī)匣上每個葉排的出口都有1個位移機(jī)構(gòu)安裝座，測量時把位移機(jī)構(gòu)安裝在安裝座上，然后控制位移機(jī)構(gòu)帶動探針移動，此次試驗(yàn)僅使用第3級轉(zhuǎn)子和靜子后的位移機(jī)構(gòu)安裝座。

圖2 位移機(jī)構(gòu)及安裝座

1.3 測量探針及壓力采集裝置

為了測量靜子進(jìn)、出口截面及通道內(nèi)不同軸向截面的氣動參數(shù)，依據(jù)靜子的軸向弦長和位移機(jī)構(gòu)安裝座與靜子尾緣之間距離，設(shè)計(jì)了2根相同結(jié)構(gòu)的4孔探針和6根含有不同長度探頭的L型5孔探針，具體結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

圖3 4孔探針結(jié)構(gòu)

圖4 5孔探針結(jié)構(gòu)

由于5孔探針錐形探頭的直徑d=3 mm，其橫截面積只占葉片通道面積的0.47%，因此5孔探針對靜子通道的堵塞可以忽略，滿足測量要求。

4、5孔探針的標(biāo)定均在南京航空航天大學(xué)的平面葉柵風(fēng)洞上進(jìn)行，具體的標(biāo)定流程及方法見文獻(xiàn)[11]，探針角度的測量精度約為±1°，壓力的測量精度約為±0.2%。

在試驗(yàn)過程中，各測量孔的壓力由DTCnet差壓式壓力掃描閥系統(tǒng)采集，該系統(tǒng)尺寸小，響應(yīng)快，可靠性好，壓力測量精度為量程的±0.05%，即±3.5 Pa。

2 試驗(yàn)測量方案

2.1 靜子進(jìn)、出口截面測量

由于相鄰葉排之間軸向間隙小，考慮到采用5孔探針對模擬級靜子進(jìn)口（模擬級轉(zhuǎn)子出口）進(jìn)行測量容易產(chǎn)生安全隱患，故靜子進(jìn)、出口截面的流場測量統(tǒng)一使用位移機(jī)構(gòu)帶動4孔探針來完成。

靜子出口截面周向布置19個測點(diǎn)，徑向布置18個測點(diǎn)，總測點(diǎn)數(shù)為342個，如圖5所示。由于端壁區(qū)域的流場變化較劇烈，為了獲取端壁處的流場細(xì)節(jié)，對上下端壁附近的測點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密。考慮到安全因素，探針需與轉(zhuǎn)軸留有一定間隙，因此徑向測點(diǎn)分布為 6.7%～98.9%葉高，周向測量范圍為1個靜子葉片柵距。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的結(jié)論，下游靜子的勢擾動可能引起轉(zhuǎn)子出口穩(wěn)態(tài)測量值的周向不均勻，在測量轉(zhuǎn)子出口（靜子進(jìn)口）的流場時，不只是測量1條徑向線，也按照圖5的測點(diǎn)分布進(jìn)行測量。

由于探針的偏航角和俯仰角標(biāo)定范圍皆為±30°，且偏航角和俯仰角在±12°的范圍內(nèi)，探針的精度更高[11]，為了減小探針與氣流之間的夾角，獲取更準(zhǔn)確的測量值，探針在安裝時需要給定預(yù)偏角。通過2維通流設(shè)計(jì)結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)點(diǎn)時，轉(zhuǎn)子出口的絕對氣流角沿徑向的分布值均在55°附近，因此給定探針的預(yù)偏角為55°。同理，在測量靜子出口截面時，給定探針的預(yù)偏角為25°。

圖5 靜子進(jìn)出口截面測點(diǎn)分布

2.2 靜子通道內(nèi)不同截面的流場測量

與靜子進(jìn)、出口截面測量類似，靜子通道內(nèi)的測量通過位移機(jī)構(gòu)帶動5孔探針進(jìn)行。對于每個軸向測量截面，分布342個測點(diǎn)（19×18），上下端壁測點(diǎn)區(qū)域也進(jìn)行加密。由于靜子通道兩側(cè)靜子葉片的限制及L型5孔探針的探頭具有3mm的直徑，靜子通道內(nèi)各軸向截面的測量范圍會比進(jìn)口截面的測量范圍小。靜子通道內(nèi)各測量截面的相對軸向弦長位置見表1，各測量截面在靜子通道內(nèi)的分布如圖6所示。從圖中可見，靜子通道內(nèi)的測量區(qū)域占據(jù)靜子通道的70%。

表1 靜子通道內(nèi)測量截面的相對軸向弦長位置

在課題組此前的低速試驗(yàn)過程中，靜子通道內(nèi)截面與靜子進(jìn)口截面的數(shù)據(jù)不是在同一次試驗(yàn)中測得，因而會出現(xiàn)2個測量截面所處狀態(tài)點(diǎn)不完全一致的情況（包括流量系數(shù)和轉(zhuǎn)速等參數(shù)存在微小偏差），在計(jì)算總壓恢復(fù)系數(shù)等需要2個截面數(shù)據(jù)得出的參數(shù)時，需要通過修正方法去修正一些截面的參數(shù)，給結(jié)果帶來誤差。

因此，為了更為準(zhǔn)確地獲取靜子通道內(nèi)各軸向截面的總壓恢復(fù)系數(shù)分布，與文獻(xiàn)[11]不同，在對靜子通道內(nèi)每個軸向截面進(jìn)行測量的同時，也對靜子進(jìn)口截面進(jìn)行測量。在測量過程中，2種探針在不同葉片通道內(nèi)，前后探針之間不會相互干擾。

圖6 第3級靜子通道內(nèi)測量截面分布

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 進(jìn)、出口截面流動參數(shù)徑向分布分析

將4孔探針測得的靜子進(jìn)、出口截面同一徑向位置各測點(diǎn)的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行周向質(zhì)量平均處理，得到各參數(shù)沿徑向的分布。

在設(shè)計(jì)流量系數(shù)下靜子總壓損失系數(shù)沿徑向的分布如圖7所示。圖中紅色線為試驗(yàn)測量值，藍(lán)色線為S2設(shè)計(jì)值。從圖中可見，靜子的損失主要集中在葉尖60%相對葉高以上的區(qū)域，在該區(qū)域試驗(yàn)值均高于設(shè)計(jì)值；而對于60%相對葉高以下的區(qū)域，總壓損失系數(shù)變化平緩，試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值較為貼合。靜子葉尖損失大與一定程度的分離有關(guān)，試驗(yàn)所獲得的擴(kuò)散因子分布如圖8所示。從圖中可見，靜子葉尖的擴(kuò)散因子明顯高于根部，這是造成葉尖損失較大的原因。S2設(shè)計(jì)的擴(kuò)散因子大致呈現(xiàn)“C”型分布，兩端數(shù)值與中徑處較為接近，對比試驗(yàn)結(jié)果，S2設(shè)計(jì)過高估計(jì)了根部的擴(kuò)散因子。

圖7 第3級靜子總壓損失系數(shù)徑向分布

圖8 第3級靜子擴(kuò)散因子徑向分布

在設(shè)計(jì)流量系數(shù)下靜子攻角試驗(yàn)值與S2設(shè)計(jì)值的徑向分布的對比如圖9所示。從圖中可見，S2設(shè)計(jì)時靜子葉尖和葉根采用負(fù)攻角設(shè)計(jì)，而試驗(yàn)測量值只在60%相對葉高以下區(qū)域與設(shè)計(jì)值比較吻合，在60%相對葉高以上由于進(jìn)口存在一定的流動堵塞而使氣流軸向速度有所減小，攻角增大，從而使損失增大。

圖9 第3級靜子攻角徑向分布

3.2 靜子通道內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

馬赫數(shù)在靜子通道內(nèi)不同測量截面的分布及馬赫數(shù)在各測量截面的徑向分布曲線分別如圖10、11所示。從圖中可見，在大部分區(qū)域流體的流動情況都比較好，從進(jìn)口到出口能夠體現(xiàn)靜子減速增壓的作用。從第3個截面（61%相對軸向弦長位置）開始，在靜子葉片吸力面與外機(jī)匣所形成的角區(qū)附近出現(xiàn)了尺度較小的低速區(qū)，且該區(qū)域的馬赫數(shù)變化梯度較大，表明在此位置靜子吸力面的角區(qū)分離已經(jīng)形成。隨著向下游的發(fā)展，低速區(qū)的范圍不斷增大，在出口截面上低速區(qū)的范圍發(fā)展到最大，低速區(qū)的范圍約占葉高的40%。角區(qū)的分離流在離開靜子通道后會與尾跡、主流進(jìn)行摻混，造成更大范圍的低速區(qū)，帶來很大的總壓損失。

圖10 第3級靜子通道內(nèi)各測量截面的馬赫數(shù)分布

圖11 第3級靜子通道內(nèi)各測量截面馬赫數(shù)徑向分布

定義軸向渦量

式中：Vx、Vy分別為空氣的絕對速度在水平和豎直方向上的分量。

在設(shè)計(jì)流量系數(shù)狀態(tài)下試驗(yàn)測得的低速壓氣機(jī)第3級靜子葉片通道內(nèi)各截面軸向渦量分布如圖12所示。從圖中可見，在測量截面的上方區(qū)域出現(xiàn)1個通道渦，隨著向下游的發(fā)展，該通道渦的影響范圍逐漸增大，渦核緊貼外機(jī)匣。由于靜子葉片吸力面附面層逐漸增厚，同時受到逆壓力梯度影響，從第3個截面開始，吸力面與外機(jī)匣形成的角區(qū)發(fā)生流動分離，形成1個與通道渦旋向相反的角渦。隨著向下游的推進(jìn)，該角渦不斷與主流發(fā)生摻混，尺度隨之增加，并且不斷排擠附近的通道渦，使通道渦向葉中吸力面區(qū)域發(fā)展，增大了通道渦的徑向范圍。在角渦推動通道渦的過程中，由于2個渦的旋向相反，在2個渦的接觸面上會有很強(qiáng)的能量耗散，造成很大的總壓損失。

根據(jù)靜子進(jìn)口截面測量所得到的總壓徑向分布及靜子通道內(nèi)各軸向截面測量得到的總壓，給出設(shè)計(jì)點(diǎn)流量系數(shù)狀態(tài)下靜子通道內(nèi)各截面的總壓恢復(fù)系數(shù)分布，如圖13所示?？倝夯謴?fù)系數(shù)能直接反映流場中的總壓損失，靜子通道內(nèi)的60%相對葉高以下區(qū)域流動狀態(tài)較好，因而呈現(xiàn)很好的總壓恢復(fù)能力。從第1個截面開始，葉尖就出現(xiàn)1個總壓損失區(qū)，隨著向下游發(fā)展，總壓損失區(qū)的徑向范圍越來越大，這與圖12中通道渦的發(fā)展趨勢一致。對于靜子通道內(nèi)每個軸向截面，總壓損失區(qū)的徑向范圍會比高渦量區(qū)的略大，這是因?yàn)樯贤ǖ罍u、上端壁附面層會與主流摻混，增大總壓損失區(qū)的范圍。從第3個截面開始，葉片吸力面與機(jī)匣構(gòu)成的角區(qū)出現(xiàn)了藍(lán)色的高損失區(qū)，其發(fā)展過程與圖10中分離區(qū)域的發(fā)展過程一致，說明葉尖角區(qū)分離的不斷發(fā)展是造成葉尖區(qū)域總壓損失的主要因素。

圖13 第3級靜子通道內(nèi)各測量截面的總壓恢復(fù)系數(shù)分布

圖12 第3級靜子通道內(nèi)各測量截面的軸向渦量分布

從圖10、12、13中可見，從第3個截面開始，葉片吸力面與機(jī)匣構(gòu)成的角區(qū)發(fā)生分離，隨著向下游發(fā)展，角區(qū)分離流與主流之間不斷摻混，造成低速區(qū)、高損失區(qū)的徑向范圍不斷增加；在出口截面上，低速區(qū)和高損失區(qū)的范圍達(dá)到最大，徑向范圍為60%相對葉高以上；在60%相對葉高以下區(qū)域，靜子通道內(nèi)流體流動狀態(tài)良好，沒有低速區(qū)、高渦量區(qū)、高損失區(qū)，這與圖7示出的靜子徑向總壓損失分布一致。

4 結(jié)論

本文使用2根4孔探針和6根L型5孔探針完成了多級低速壓氣機(jī)第3級靜子進(jìn)、出口及通道內(nèi)截面的流場測量，得到如下結(jié)論：

（1）模擬級靜子通道內(nèi)損失主要集中在葉尖區(qū)域，角區(qū)分離的不斷發(fā)展是造成總壓損失增大的最主要因素。

（2）靜子通道內(nèi)截面的測量揭示了流場的結(jié)構(gòu)及渦的發(fā)展過程，證明了本文提出的測量方法在多級低速壓氣機(jī)靜子通道流場測量方面具有工程應(yīng)用價(jià)值。