基于X型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀的徑流渦輪入口旋流試驗(yàn)研究

周識(shí)略，鄒澤成，楊名洋，丁占銘，黃敏，劉瑩

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300406；3.中船重工第七一一研究所，上海 201108；4.康躍科技(山東)股份有限公司，山東 濰坊 261000)

可調(diào)兩級(jí)增壓具有高增壓、寬流量范圍、強(qiáng)調(diào)節(jié)能力、高效率等優(yōu)勢(shì)[1-3]，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)向低碳清潔、高效節(jié)能、強(qiáng)工況適應(yīng)性的方向發(fā)展[4-5]?？烧{(diào)兩級(jí)增壓管道連結(jié)復(fù)雜，具有彎管、旁通閥等可以發(fā)生流動(dòng)畸變的結(jié)構(gòu)，這會(huì)改變兩級(jí)渦輪的內(nèi)部流動(dòng)，進(jìn)一步影響渦輪增壓系統(tǒng)乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[6]。因此，可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)渦輪入口流場(chǎng)的測(cè)量對(duì)開(kāi)展渦輪氣動(dòng)性能的研究十分關(guān)鍵。

目前，已有部分針對(duì)渦輪增壓系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)量方法的研究。由于壓氣機(jī)和渦輪結(jié)構(gòu)高度緊湊，內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，其流場(chǎng)測(cè)量難度較大，需要采用特定的技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。丁占銘[7]利用四孔探針采集的壓力信號(hào)，得到了徑流式渦輪入口旋流角、總壓等用以衡量旋流強(qiáng)度的參數(shù)，并利用仿真計(jì)算得到內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)信息，探明了進(jìn)口旋流對(duì)徑流式渦輪性能的影響規(guī)律。張愷悅[8]利用一維恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀測(cè)量了穩(wěn)態(tài)和脈動(dòng)背壓下離心壓氣機(jī)入口流場(chǎng)，探明了離心式壓氣機(jī)入口流量呈現(xiàn)包圍穩(wěn)態(tài)曲線的遲滯環(huán)這一變化規(guī)律。ZHANG Zhengyang[9]利用具有鎖相技術(shù)的二維粒子圖像測(cè)速儀(2DPIV)對(duì)渦輪特定位置的進(jìn)氣導(dǎo)葉與動(dòng)葉之間的流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以此探究葉片尾跡對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律。W.Gooding[10]的研究將LDV應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高速離心壓氣機(jī)的非定常流場(chǎng)測(cè)量，提出了測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)題，并據(jù)此提供了解決方案，為利用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)進(jìn)行葉輪機(jī)械流場(chǎng)測(cè)量提供了試驗(yàn)支撐。現(xiàn)有研究中的流場(chǎng)測(cè)量手段主要包括多孔探針、恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀、高速粒子圖像測(cè)速儀(PIV)、激光多普勒測(cè)速儀(LDV)。多孔探針常用于測(cè)量低速、定常不可壓流場(chǎng)，且對(duì)流場(chǎng)具有一定的干擾作用；熱線風(fēng)速儀測(cè)速范圍大，具有高頻瞬時(shí)響應(yīng)性，但僅限單點(diǎn)測(cè)量且熱線絲極易損壞；PIV和LDV獲取流場(chǎng)信息精確直接，但光路布置復(fù)雜，對(duì)儀器擺放位置要求較高。

可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)耦合，渦輪進(jìn)氣具有強(qiáng)瞬變脈沖性[11]。同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，兩級(jí)增壓器級(jí)間管道及高、低壓級(jí)渦輪出入口均存在不同形式的流動(dòng)畸變[12]，目前基于多孔探針和光學(xué)測(cè)量的技術(shù)難以滿足該條件下的流場(chǎng)測(cè)量需求。二維恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀響應(yīng)頻率、測(cè)量精度較高，測(cè)速范圍大，對(duì)所測(cè)流場(chǎng)干擾較小，且易于通過(guò)自動(dòng)步進(jìn)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，因而適用于緊湊空間內(nèi)高頻變化的強(qiáng)非定常三維流場(chǎng)[13]。因此，本研究利用二維恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀，并結(jié)合自主研制全自動(dòng)步進(jìn)流場(chǎng)測(cè)量裝置，展開(kāi)穩(wěn)態(tài)條件下渦輪入口旋流流場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量研究。

1 渦輪入口旋流流場(chǎng)測(cè)量方法

1.1 流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

本研究需要對(duì)渦輪的入口旋流進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。旋流是二次流的一種，其速度具有方向性。與均勻來(lái)流不同，旋流除了具有軸向分速度之外，還具有切向分速度，二者的合速度方向即為旋流的速度方向，該方向與軸向存在一定的偏轉(zhuǎn)角度。測(cè)量旋流時(shí)需要同時(shí)測(cè)量速度的大小和方向，因此需要選取具有方向特性的測(cè)速儀器對(duì)旋流進(jìn)行測(cè)量。X型熱線風(fēng)速儀是一種二維熱線風(fēng)速儀，它的熱線探頭上具有兩根相互垂直放置的熱線絲，每一根熱線絲上的速度代表了主流速度在該熱線絲上的一個(gè)速度分量。一方面，熱絲通過(guò)電流加熱和氣流對(duì)流換熱之間的熱平衡關(guān)系對(duì)速度大小進(jìn)行測(cè)量；另一方面，利用兩根熱線絲相互垂直的方向特性，可以將所測(cè)速度分解到沿軸向和沿切向兩個(gè)方向上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旋流速度方向及旋流軸向偏轉(zhuǎn)角度的測(cè)量。

本研究采用Dantec X型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀對(duì)徑流式渦輪入口旋流進(jìn)行測(cè)量。熱線測(cè)量的輸出端為電壓信號(hào)，并且輸出信號(hào)會(huì)受環(huán)境溫度和壓力等因素的影響；此外，旋流方向的測(cè)量對(duì)熱線絲在氣流中的位置要求嚴(yán)格[14]，因此，在進(jìn)行旋流試驗(yàn)測(cè)量之前要對(duì)熱線進(jìn)行標(biāo)定，包括速度標(biāo)定和角度標(biāo)定。

利用Dantec 二維熱線標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程中，流體與探針間的對(duì)流換熱導(dǎo)致熱線溫度降低，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的惠斯通電橋?qū)﹄妷哼M(jìn)行調(diào)節(jié)，改變探針產(chǎn)熱量，保持探針處于恒定溫度[15]。根據(jù)電流產(chǎn)熱與流體傳熱之間的熱平衡，可獲得熱線電壓與流速的關(guān)系，即金氏定律：

E2=A+B(ρu)2。

(1)

式中：E為熱線電壓；u為流速；A，B，ρ為與熱線幾何、流體物性相關(guān)的系數(shù)。對(duì)角度進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需要將熱絲以合適的高度和角度放置在出風(fēng)口處，并保證氣流吹過(guò)熱絲的方向與實(shí)際測(cè)量的一致性。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，保證旋流角度測(cè)量的精確性，自主設(shè)計(jì)加工了垂直偏轉(zhuǎn)裝置，并配合系統(tǒng)自帶的角度標(biāo)定儀對(duì)熱線角度進(jìn)行標(biāo)定(見(jiàn)圖1)。

圖1 X型熱線風(fēng)速儀及其標(biāo)定示意

通過(guò)Dantec熱線風(fēng)速儀標(biāo)定系統(tǒng)的連續(xù)標(biāo)定法對(duì)X型熱線風(fēng)速儀進(jìn)行標(biāo)定，得到流速與電壓之間的擬合曲線(見(jiàn)圖2)。根據(jù)四次函數(shù)擬合可將采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為流速大小，平均標(biāo)定誤差在0.5%以內(nèi)。

圖2 熱線探針標(biāo)定結(jié)果示意

1.2 流場(chǎng)測(cè)量裝置

熱線風(fēng)速儀是一種接觸式流速測(cè)量傳感器，當(dāng)其固定在管道的某一位置后，僅能測(cè)量該固定位置上某一點(diǎn)的流速，無(wú)法滿足管道截面多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量的要求。因此，本研究針對(duì)這一局限性自主設(shè)計(jì)并加工了二維全自動(dòng)步進(jìn)裝置(見(jiàn)圖3)。該裝置分為徑向步進(jìn)模塊和周向步進(jìn)模塊，每個(gè)步進(jìn)模塊上安置一個(gè)高精度步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)熱線探針徑向步進(jìn)和測(cè)量管道周向旋轉(zhuǎn)，徑向和周向均布有高瞬時(shí)響應(yīng)限位器，用以固定旋轉(zhuǎn)角度和探針距離，避免探針碰撞管壁發(fā)生損壞，并且確保每次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布的一致性。該裝置搭配“自動(dòng)鎖相”技術(shù)，確保周期性脈沖波動(dòng)流場(chǎng)的測(cè)點(diǎn)處于同一脈沖相位。利用該裝置與熱線測(cè)量技術(shù)集成的測(cè)量方法，可以對(duì)可調(diào)多級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行精確測(cè)量，從而基于試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果展開(kāi)增壓系統(tǒng)的強(qiáng)耦合作用的研究，進(jìn)一步探究在氣動(dòng)耦合作用下的渦輪性能變化規(guī)律。

圖3 二維全自動(dòng)步進(jìn)裝置三維圖

1.3 流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)

研究對(duì)象為某單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)，增壓器由柴油機(jī)高增壓國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制。為順利實(shí)現(xiàn)X型熱線風(fēng)速儀對(duì)渦輪入口處旋流的測(cè)量，將旋流發(fā)生器、二維全自動(dòng)步進(jìn)測(cè)量裝置與單級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)進(jìn)行耦合，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。旋流發(fā)生器的一端與管道連接，另外一端通過(guò)法蘭與步進(jìn)測(cè)量裝置的旋轉(zhuǎn)管連接，旋轉(zhuǎn)管的另一端通過(guò)軟管與渦輪入口管道連接，以保證旋轉(zhuǎn)管周向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)。氣體通過(guò)電加熱器進(jìn)行加熱，測(cè)試管段進(jìn)行隔熱棉包覆，以減小傳熱導(dǎo)致的測(cè)量誤差，步進(jìn)測(cè)量裝置通過(guò)墊圈、密封膠等進(jìn)行密封處理，保證測(cè)量管段的氣密性。在實(shí)現(xiàn)步進(jìn)測(cè)量裝置與試驗(yàn)平臺(tái)的集成過(guò)程中，先調(diào)整好熱線風(fēng)速儀的位置，并將其固定在步進(jìn)裝置的徑向步進(jìn)平臺(tái)上，再調(diào)整步進(jìn)裝置的豎直高度，保證旋轉(zhuǎn)管與兩邊管道軸線平齊連接。

圖4 旋流測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)

1.4 流場(chǎng)測(cè)量方法

本研究將二維熱線風(fēng)速儀安裝在步進(jìn)測(cè)量裝置上并固定，再將其整體與試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行耦合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪入口旋流流場(chǎng)的測(cè)量。熱線風(fēng)速儀放在旋流發(fā)生器后約400 mm位置處，便于旋流發(fā)生器產(chǎn)生的旋流充分發(fā)展后進(jìn)行測(cè)量，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可以避免熱線探針固定支架距離旋流發(fā)生器過(guò)近而對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，造成不必要的測(cè)量誤差。熱線在測(cè)量管道內(nèi)的擺放位置見(jiàn)圖5a。試驗(yàn)平臺(tái)被測(cè)管道直徑為100 mm，為了保證管道截面上流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的分辨率，根據(jù)熱線探針測(cè)量位置對(duì)測(cè)量截面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)劃分(見(jiàn)圖5b)。周向每隔30°劃分一條過(guò)圓心的周向測(cè)量線，每條周向測(cè)量線上設(shè)置10個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔10 mm，首尾兩個(gè)測(cè)點(diǎn)距管壁5 mm，共60個(gè)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)量過(guò)程中，步進(jìn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)管初始位置隨機(jī)，運(yùn)行后旋轉(zhuǎn)管往周向180°運(yùn)動(dòng)，同時(shí)升降平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)，待觸發(fā)周向及徑向限位器后反向運(yùn)動(dòng)并復(fù)位，復(fù)位完畢后從0°周向測(cè)量線開(kāi)始測(cè)量，待流場(chǎng)穩(wěn)定后熱線探針采集第一個(gè)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)，并向下一個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)步進(jìn)，等待流場(chǎng)穩(wěn)定后開(kāi)始第二個(gè)測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)信號(hào)采集，直至最后一個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)測(cè)量完畢后進(jìn)行徑向復(fù)位。隨后周向旋轉(zhuǎn)30°，開(kāi)始第二輪徑向測(cè)量，直至周向測(cè)量完畢。

圖5 測(cè)點(diǎn)分布示意

試驗(yàn)采用NI cDAQmax-9178控制機(jī)箱及C系列控制模塊、C系列采集模塊等硬件設(shè)備對(duì)整個(gè)測(cè)量裝置進(jìn)行控制(見(jiàn)圖6)。基于NI-Labview編制采集控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)測(cè)量裝置的高精度控制和對(duì)熱線電壓的瞬時(shí)采集。

圖6 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

2 結(jié)果分析

試驗(yàn)選取35°旋流發(fā)生器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況下的渦輪進(jìn)口旋流流場(chǎng)測(cè)量，渦輪轉(zhuǎn)速為35 000 r/min并保持恒定。入口流體經(jīng)過(guò)電加熱器加熱至恒溫60 ℃，氣流先通過(guò)旋流發(fā)生器產(chǎn)生旋流，再吹過(guò)熱線探針實(shí)現(xiàn)測(cè)量。渦輪入口前的旋流強(qiáng)度可以用旋流角[7]來(lái)衡量。旋流角定義為主流速度在管道截面上面的切向分量與軸向分量之比(見(jiàn)式(2))。

(2)

熱線探針在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中根據(jù)氣流速度的變化生成電壓信號(hào)，記錄所測(cè)的電壓值，通過(guò)標(biāo)定得到的流速與電壓之間的關(guān)系式，將電壓轉(zhuǎn)化為流速，得到兩根熱絲上的分速度。根據(jù)X型熱線探針的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測(cè)量原理，將分速度合成為主流速度后再進(jìn)一步分解為切向速度和軸向速度，計(jì)算得到旋流角的大小，以便進(jìn)行旋流強(qiáng)度的比較。圖7示出熱絲速度合成和分解示意。其中，Uw1和Uw2分別表示兩個(gè)熱絲上的分速度，Uflow為主流速度，三者之間的關(guān)系見(jiàn)式(3)。

Uflow2=Uw12+Uw22。

(3)

圖7 熱絲速度合成和分解示意

圖8示出不同質(zhì)量流量下，旋流切向速度、軸向速度和旋流角隨半徑的變化。縱坐標(biāo)表示以管道中心軸線為基準(zhǔn)的半徑變化，在-45～45 mm的半徑范圍內(nèi)，每隔5 mm設(shè)置一個(gè)徑向測(cè)點(diǎn)，橫坐標(biāo)為速度或者角度的大小。由圖可知，隨著質(zhì)量流量的減小，旋流速度大小逐漸減小，當(dāng)測(cè)量位置由管壁向管道中心靠近時(shí)，旋流的軸向速度與切向速度逐漸增大，其中在距管道中軸線5 mm處速度達(dá)到最大，并且軸向速度變化范圍更大；旋流角的變化與質(zhì)量流量的改變并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，當(dāng)旋流發(fā)生器的葉片角度固定為35°時(shí)，旋流角也穩(wěn)定在35°～36°范圍內(nèi)，與旋流發(fā)生器的葉片偏轉(zhuǎn)角基本保持一致。由旋流角的定義式可知，當(dāng)角度保持不變時(shí)，旋流的切向速度大小應(yīng)該與軸向速度大小呈正相關(guān)，因而切向速度與軸向速度的變化趨勢(shì)一致，即由管壁向管道中心逐漸增大且在圓心處增加至最大(見(jiàn)圖8a和圖8b)。

圖8 不同質(zhì)量流量下的旋流分布

流體在管道入口處為穩(wěn)態(tài)均勻直流，經(jīng)旋流發(fā)生器葉片作用后發(fā)展為旋流，會(huì)在管截面圓周上產(chǎn)生切向速度，流體微團(tuán)具有切向速度后會(huì)產(chǎn)生垂直圓周切線向外的離心力，使流體具有遠(yuǎn)離圓心向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)處于平衡態(tài)后，流體內(nèi)部必然產(chǎn)生指向圓心的壓差來(lái)平衡由于切向速度產(chǎn)生的離心力，流體質(zhì)點(diǎn)受力分析見(jiàn)圖9。因此，該壓力梯度的存在導(dǎo)致靜壓從管壁向軸心持續(xù)降低，在旋流葉片下游的管截面上形成外高內(nèi)低的靜壓分布形態(tài)。另一方面，管道內(nèi)部的軸向速度主要由沿流向的壓力梯度決定。由于旋流葉片上游來(lái)流壓力分布均勻，因而靠近管軸處流向壓差大，且該壓差沿徑向由內(nèi)而外逐漸降低。因此，靠近管道中心處的軸向流速高，而離管道中心距離越大流速越低，最終形成如圖8a所示的軸向流速分布形態(tài)。此外，由于旋流葉片角度在半徑方向保持不變，因而不同葉高處產(chǎn)生的氣流旋流角趨向于相同，最終形成與軸向氣流速度分布基本一致的切向速度分布形態(tài)(見(jiàn)圖8b)。

圖9 旋流發(fā)生器后流體微團(tuán)受力分析

3 結(jié)論

a)當(dāng)旋流發(fā)生器角度固定后，不同質(zhì)量流量下的旋流角基本保持不變，旋流的旋流角與管內(nèi)流體的質(zhì)量流量并未表現(xiàn)出明顯的關(guān)聯(lián)性，隨著質(zhì)量流量的改變，旋流角穩(wěn)定在35°～36°之間，該角度范圍與35°旋流發(fā)生器的葉片偏轉(zhuǎn)角度基本保持一致，此時(shí)，旋流的切向速度與軸向速度的變化趨勢(shì)一致，即由管壁向管道中心逐漸增大且在圓心處增加至最大，從而保證旋流角恒定;

b)旋流的切向速度會(huì)產(chǎn)生作用于流體質(zhì)點(diǎn)的離心力，該作用力使流體質(zhì)點(diǎn)有沿管軸線不斷向遠(yuǎn)離軸心方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，因而處于平衡態(tài)的流體會(huì)產(chǎn)生指向圓心的壓差以平衡離心力的作用，此時(shí)，管道軸心處流向壓差大，軸向流速高，而離管道軸心距離越大，壓差越小，流速越低，旋流的軸向速度呈現(xiàn)出由管壁向管道中心逐漸增大的分布形態(tài)。