單點總壓探針安裝位置對壓氣機進口級出口流場及測量結(jié)果的影響

胡金鑫, 鄭光華, 孟玉航, 魏邦, 余柯鋒

(1.西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院, 陜西 西安 710129;2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所 測試技術(shù)部, 湖南 株洲 412002)

在小型發(fā)動機的整機測試中，傳感器的大量布置會在一定程度上影響整機流場，測試結(jié)果也會受到流場的影響，進而將影響發(fā)動機的性能與調(diào)整[1]。探針作為一種接觸式測量手段，引起的堵塞效應(yīng)不可避免地對流場產(chǎn)生干擾，使性能下降甚至引起失速。圍繞探針上下游尾跡國內(nèi)外做過不少研究[2]。

Jan[3]采用實驗的方法研究了壓氣機轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)探針引起的堵塞效應(yīng)，結(jié)果表明探針會降低葉柵通道中軸向流速。

Simon等[4]研究發(fā)現(xiàn)探針置于靜子葉片附近造成的堵塞效應(yīng)導(dǎo)致葉片和探頭之間的區(qū)域中壓力增加和速度降低并形成較大區(qū)域的尾跡，從而導(dǎo)致停滯點的偏移和相鄰探頭壓力端口的錯誤讀數(shù)。

余柯鋒[5]研究了整流套對葉型探針測量結(jié)果的影響。結(jié)果表明在葉型總壓探針前端增加整流套，可有效增加探針的不敏感角以及高馬赫數(shù)的測量準確度。

魏崇等[6]研究發(fā)現(xiàn)隨著馬赫數(shù)增加，探針對下游流場的影響程度越大，對下游流場流向的影響距離最大可達50倍探針支桿直徑，對周向的影響距離最大可達15°。

高杰等[7]研究分析了不同結(jié)構(gòu)的探針支桿對壓氣機葉柵性能的影響，發(fā)現(xiàn)總壓探針支桿會增加葉柵和對應(yīng)葉片的總壓損失，當(dāng)探針安裝在葉柵通道中部時，支桿對下游流場的影響最小。

付少林等[8]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)探針位于近壁面時，渦輪測試效率具有較高的精度，當(dāng)探針距離輪轂5%～10%葉高及距離機匣90%～95%葉高時，渦輪測試效率精度較高；探針位于渦輪出口下游3倍轉(zhuǎn)子弦長以上時，在不同的工況下，渦輪修正效率與數(shù)值計算效率的誤差小于0.3%。

朱高平等[9]對比分析不同周向分布位置的探針耙對葉柵性能參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)總壓探針耙會增加下游的流速，探針尾緣形成的激波與相鄰葉片尾緣的激波相互干涉，造成上游葉柵通道堵塞以及葉片的載荷分布不相同。

王肖等[10]研究發(fā)現(xiàn)總壓探針的插入使得被測流場流量減小，堵塞效應(yīng)受探針結(jié)構(gòu)的影響較小。

鄭光華等[11]基于數(shù)值計算研究發(fā)現(xiàn)相對近壁距離越小，總壓探針測量誤差越大，且當(dāng)近壁距離大于3倍探針直徑時，臨壁效應(yīng)消失。

本文采用數(shù)值模擬的方法，研究總壓探針在壓氣機進口級出口流道中的測量結(jié)果以及探針對流場的影響。針對探針的測量精度，分析探針測量誤差隨發(fā)動機工作狀態(tài)(巡航、最大連續(xù)、起飛)而變化的情況，重點分析不同安裝位置下，探針測量結(jié)果的變化趨勢，分析葉盆、葉背附近的壓力場與速度場；針對總壓損失系數(shù)，分析不同安裝位置下，流向曲線上總壓損失系數(shù)的變化情況；分析不同下游距離截面的速度均勻度。

1 數(shù)值模型

1.1 計算模型

計算域選取某渦軸發(fā)動機壓氣機進口級出口流道，如圖1所示，流道中流體做向心運動，帶有預(yù)旋進入葉柵通道，平行中心軸線方向流出。入口截面為圓柱面，圓柱直徑為452 mm，入口截面寬度11 mm，出口截面為圓環(huán)截面，內(nèi)徑為44 mm，外徑為128 mm，整個流域在軸向上長59 mm，在流域內(nèi)周向均勻分布20處葉片。軸向沿流向為x軸正方向，中心軸線到進口截面方向為徑向方向，對應(yīng)z軸正方向，另一方向切向，即為y軸。

圖1 計算模型

圖2為單點總壓探針模型。總壓探針感壓管總長度為3 mm，壁厚為0.2 mm，外徑為1.6 mm，內(nèi)徑為1.2 mm。感壓管進口處有45°的倒角，轉(zhuǎn)彎處的半徑為2 mm。

圖2 總壓探針模型

總壓探針置于葉柵通道出口，每個葉柵通道寬18°，葉片厚度為2.3°，因此葉柵通道的實際寬度為15.7°。再結(jié)合葉片尾緣與軸線的距離可知，葉柵通道實際寬度為15.7d(d為感壓管外徑)。如圖3所示，本文通過改變感壓管軸線與葉盆之間的距離D，研究不同安裝位置下，探針的測量準確度以及探針對流場的影響。D的取值分別為1.5d,2.5d,3.5d,4.5d,5.5d,6.5d,7.5d,8.5d,9.5d,10.5d,12.5d,14.5d。

圖3 總壓探針在葉柵通道中的位置

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM對計算模型進行進一步處理并劃分網(wǎng)格，整體采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在探針附近進行局部加密后設(shè)置1.2的增長比，探針近壁面及計算域壁面處采用邊界層網(wǎng)格，保證近壁面y+為1左右，并且在近壁區(qū)內(nèi)設(shè)定10層邊界層網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量達到450萬以后，進出口總壓比基本穩(wěn)定，可認為此時網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響可忽略，將數(shù)量大于500萬范圍的網(wǎng)格作為本文計算網(wǎng)格。數(shù)值計算的全部殘差曲線收斂至1×10-5以下。圖4表示網(wǎng)格劃分及邊界層處理。

圖4 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件

數(shù)值計算采用Fluent18.0軟件完成，所有算例皆基于壓力求解器進行穩(wěn)態(tài)流動求解，計算域中流體選用理想氣體。入口選擇壓力入口，設(shè)定入口的總溫、總壓，流動的方向；出口選擇壓力出口，流動方向垂直于出口邊界，其余邊界皆設(shè)置為絕熱無滑移壁面。通過改變無探針時出口的背壓來實現(xiàn)有無探針時的進口邊界條件一致。

表1 發(fā)動機不同工作狀態(tài)氣動參數(shù)表

表2 不同工作狀態(tài)進口流量

1.4 參數(shù)定義

對于總壓探針，有總壓相對測量誤差w，表示同一位置，未放探針和放探針之后總壓值的對比，計算公式如下所示

(1)

除了對探針測量誤差的評價，本文還研究探針的放置對流場造成的影響，評價參數(shù)如下：

總壓損失系數(shù)

(2)

式中：pt,in表示進口截面總壓；pt,i表示截面i的總壓平均值；ρ表示氣體密度；v表示氣流速度。

速度均勻度

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同安裝位置對探針測量結(jié)果的影響

本節(jié)具體分析不同質(zhì)量流量、不同安裝位置的探針對測量結(jié)果的影響。取感壓管彎管之前的1 mm直線上的總壓值平均作為總壓探針的測量值。取值線在感壓管的相對位置如圖5所示。

圖5 測量值取值線

圖6為總壓相對測量誤差隨安裝位置改變而變化的趨勢。圖中3條曲線分別為巡航、最大連續(xù)、起飛3個工作狀態(tài)下，探針總壓相對測量誤差隨安裝位置的變化規(guī)律。

圖6 不同安裝位置探針的總壓相對測量誤差

從圖中可以看出，當(dāng)D/d為6.5時，探針的總壓相對測量誤差最小。同時，比較不同工作狀態(tài)下，探針的總壓相對測量誤差，可以發(fā)現(xiàn)，隨著進口流量增加，總壓相對測量誤差逐漸增加。這是因為隨著流量增加，來流流速逐漸增加，探針對流場的擾動相應(yīng)增加，在探針處的速度梯度逐漸增加，因此總壓相對測量誤差逐漸增加。當(dāng)D/d為6.5時，在巡航工作狀態(tài)下，總壓相對誤差為0.047%，轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲筮B續(xù)工作狀態(tài)后，進口流量相對增加14.6%，總壓相對測量誤差相對增加53%，流量進一步增加，轉(zhuǎn)變?yōu)槠痫w工作狀態(tài)時，進口流量相對增加4.6%，總壓相對測量誤差相對增加8.3%。分析總壓相對測量隨安裝位置變化而變化的規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)D/d較小時，即總壓探針位于葉盆尾緣附近，探針的總壓相對測量誤差非常大，隨著D/d逐漸增加，總壓相對測量誤差逐漸減小，直至D/d為6.5時，總壓相對測量誤差降到最低。當(dāng)安裝位置逐漸靠近葉背，可以發(fā)現(xiàn)總壓相對測量誤差又逐漸增加。

圖7是D/d為6.5時，探針感壓管速度云圖和流線圖。從圖7可知，在葉盆尾緣附近，存在一個速度梯度較大的區(qū)域，速度梯度對探針測量準確度影響非常大，因此，當(dāng)總壓探針距離葉盆較近時，總壓相對測量誤差較大(圖6中D/d較小時)，隨著探針遠離葉盆附近的高壓力梯度區(qū)域，總壓相對誤差逐漸減小。若總壓探針與葉盆的距離進一步增加，靠近葉背尾緣，則總壓探針將處于葉片尾跡中，因此總壓相對測量誤差同樣將逐漸增加，隨著總壓探針與葉盆距離再增加，探針則脫離葉片尾跡，因此總壓相對測量誤差減小(圖6中D/d較大時)。

圖7 D/d=6.5時探針周圍速度分布(起飛狀態(tài))

圖8 不同安裝位置探針感壓管下游壓力分布(起飛狀態(tài))

圖8為起飛工作狀態(tài)下，當(dāng)D/d為2.5,6.5,14.5時，探針感壓管周圍總壓分布云圖。當(dāng)D/d為14.5時，如圖8a)所示，探針的感壓管正好在葉片的尾跡中，因此當(dāng)探針位于葉背下游時，相對測量誤差明顯比其他安裝位置探針的總壓測量誤差大；圖8b)表明，當(dāng)D/d為6.5時，總壓探針位于葉柵通道中間部位，葉柵通道中間部位壓力分布相對均勻，且速度同樣相對均勻，總壓探針沒有受到葉片尾跡的影響，此外，在感壓管外壁面附近壓力較低，氣流經(jīng)過感壓管之后，總壓損失也會相對較大；如圖8c)所示，當(dāng)D/d為2.5時，探針處于葉盆的出口的附近，相較于葉柵通道中間部位流場，此處氣流速度相對較小，但是感壓管距離葉片尾跡較近，因此總壓相對測量誤差也較大。

2.2 不同安裝位置的探針對流場的影響

為了研究探針下游流場的變化情況，在探針所在截面取一條沿流向的曲線，分析該曲線上總壓損失系數(shù)沿流向的變化趨勢。并在探針下游取了6個截面，分別距探針后壁面5,8,16,24,32 mm以及流域出口截面，同時考慮到探針對流場的影響有限，6個截面的周向角度覆蓋了探針安裝的葉柵通道(整體角度范圍為16°)，將這6個截面分別命名為y1～y6，如圖9所示。

圖9 探針下游曲線以及截面示意圖

圖10 總壓損失系數(shù)變化趨勢

圖10a)為最大連續(xù)工作狀態(tài)下，當(dāng)D/d為14.5時，總壓探針下游總壓損失系數(shù)沿流向變化趨勢。如圖10a)所示，總壓損失系數(shù)沿流程的整體變化趨勢：在總壓探針上游，總壓損失系數(shù)沿流程幾乎保持不變，數(shù)值接近0，至探針后壁面(流向156 mm)，總壓損失系數(shù)迅速上升至1.09，隨后，總壓損失系數(shù)沿流向迅速下降，直至探針下游28 mm，總壓損失系數(shù)約為6%，然后保持穩(wěn)定，直至探針下游出口?？倝簱p失系數(shù)保持在6%以下。這是因為總壓探針對上游流場幾乎沒有影響，而對下游流場影響非常大。探針對流場的擾動主要體現(xiàn)在下游，當(dāng)氣流經(jīng)過探針時，會造成局部總壓損失，探針正后方的總壓迅速減小，隨著流向距離逐漸增加，探針兩側(cè)氣流逐漸向探針后方匯集，因此氣流總壓逐漸增加，總壓損失系數(shù)逐漸減小，隨后，探針對流場的擾動消失，總壓損失系數(shù)沿流向幾乎不變。圖10b)為最大連續(xù)工作狀態(tài)下，不同安裝位置的探針下游的總壓損失系數(shù)。由前文分析可知，探針對流場的擾動主要體現(xiàn)在探針下游，因此圖10b)僅選取了探針下游的點，分析這些點的總壓損失系數(shù)變化規(guī)律。如圖10b)所示，在最大連續(xù)工作狀態(tài)下，當(dāng)D/d分別為6.5和2.5時，總壓探針下游總壓損失系數(shù)沿流程的變化曲線幾乎重合，而當(dāng)D/d為14.5時，在總壓探針下游4 mm(沿流程160 mm處)至探針下游28 mm，總壓損失系數(shù)略大于其他2處下游的總壓損失系數(shù)，但是，在探針下游28 mm之后，3個安裝位置探針下游的總壓損失系數(shù)相同，均在6%之下，直至流域出口。根據(jù)前文中葉柵通道速度云圖(見圖7)可知，當(dāng)安裝位置距離葉背很近的時候，探針將處于葉片的尾跡中，同時，此處的氣流速度相對較低，因此探針兩側(cè)氣流向探針后方匯集速度減緩，導(dǎo)致探針下游總壓損失系數(shù)在較長的流向距離內(nèi)依然較大。

圖11為巡航工作狀態(tài)下，3個安裝位置探針下游的速度均勻度沿流向的變化趨勢。從圖中可以看出，不管是安裝探針還是未安裝探針的流場，在y1～y5截面，速度均勻度逐漸增加。這是因為y1截面距離探針后壁面僅有5 mm，在y1截面由于受到葉片尾跡的影響，速度均勻度相對較低，而當(dāng)流向距離進一步增加，葉片尾跡的影響消失，因此速度均勻度迅速增加。同時，在總壓探針下游24 mm之前，原始流場的速度均勻度略大于安裝探針流場相應(yīng)截面的速度均勻度，而在總壓探針下游24 mm之后，3個安裝位置探針下游的速度均勻度與原始流場相應(yīng)截面速度均勻度接近。從上文可知，在探針下游28 mm之前, 探針對流場的擾動相對較大, 因此y1～y3截面的速度均勻度小于原始流場相應(yīng)截面的速度均勻度，在探針下游28 mm之后，探針對流場的影響逐漸消失，這里的現(xiàn)象再次驗證了上文的結(jié)論。比較不同安裝位置探針下游y1截面到y(tǒng)3截面的速度均勻度，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)安裝位置靠近葉柵通道中間位置時，探針下游的速度均勻度最大，當(dāng)安裝位置靠近葉盆，探針下游速度均勻度次之，當(dāng)安裝位置靠近葉背時葉片的尾跡和探針的尾跡疊加，對流場擾動增加，因此探針下游速度均勻度最小。在探針下游5 mm，未放置探針時，流場速度均勻度為92.9%，當(dāng)安裝位置距離葉背6.5d時，速度均勻度減小0.14%，當(dāng)安裝位置在葉盆附近，D/d為2.5時，流場速度均勻度為92.6%，當(dāng)安裝位置在葉背附近，D/d為14.5時，流場速度均勻度減小了0.43%。

圖11 不同安裝位置探針下游速度均勻度

3 結(jié) 論

1) 在進口級壓氣機出口截面，當(dāng)安裝位置距離葉盆5.5d到7.5d之間，探針的總壓相對測量誤差相對較小，且當(dāng)D/d為6.5時總壓相對測量誤差最小；

2) 隨著進口流量增加，總壓探針的總壓相對測量誤差逐漸增加；在D/d為6.5的安裝位置下，探針的測量誤差與進口流量呈線性關(guān)系；

3) 在3個典型的工作狀態(tài)下，總壓探針對流場的影響范圍有限，在探針下游28 mm之后，流場中心的總壓損失系數(shù)下降為6%；

4) 探針安裝位置越靠近葉背，探針下游的總壓損失系數(shù)下降速度越慢，探針在流向上的影響范圍更大。相較于葉柵通道中心的探針，靠近葉背位置的探針在流向上的影響范圍增加了16 mm；

5) 探針安裝位置越靠近葉背，探針下游的速度均勻度越小，相較于葉背位置，當(dāng)探針安裝位置在葉盆附近時，速度均勻度略微增加。