葉型面壓力測試技術研究

樊嘉峰，黃明鏡，鐘 敏，唐 磊，吳 晨

(中國燃氣渦輪研究院，四川 江油621703)

1 引言

葉輪機級間存在著非常復雜的氣流流動現象，探索這些現象內部隱含的流動機理，揭示葉輪機內部的流動規律，是目前航空發動機研制領域最具活力的研究方向。

以往國內在進行風扇/壓氣機/渦輪的級間壓力流場研究中，多采用在靜子前緣焊裝穩態受感部來測取壓氣機/渦輪級間總壓，以用于分析級壓比和級效率等性能參數。對于高性能航空發動機來說，詳細測量葉柵槽道內氣流流動的信息(包含速度峰值位置、激波位置、附面層的發展和分離、二次流動等)十分必要。

國外對葉柵槽道內氣流壓力的研究中[1，2]，多通過測量靜葉表面測量沿S1流面的3個或5個截面的葉盆和葉背壓力分布來分析加功量、效率、失速裕度等情況，而這些測量參數又多以沿軸向分布的壓力系數、靜壓升和表面馬赫數表達，然后結合數值模擬程序開展針對葉片槽道三維效應的深入研究。

國內在相關葉柵槽道領域的研究中[3]，開展了一些基于平面葉柵內葉尖間隙泄漏渦和通道渦的測量，但相關測試技術還略顯單一，表現在僅僅為基元級測量，并且測量參數也僅為穩態量，測量區域范圍小(僅限于相鄰兩個葉片)等。對于發動機型號研制，壓氣機/渦輪設計軟件缺乏系統的試驗驗證，為此，利用更多的測試技術進行詳細的試驗測量，驗證設計軟件和技術，已成當務之急。

針對上述情況，本課題組開展了一些具有創新性和前瞻性的測試技術研究，內容涉及根據葉型面測試技術展開的包括小型化探針的技術應用、結構設計、可行性加工方法及相關技術驗證，以期通過這些基礎研究工作的深入開展，實現槽道葉型面壓力測試技術的應用性研究。

2 小型化測試技術

之前利用級間總溫/總壓葉型探針成功實現了壓氣機各級轉子出口穩態性能參數的詳細測量，為深入了解壓氣機內部流場以及級間匹配關系提供了重要的試驗數據支持，也校核了相關設計軟件。但目前測試采用的葉型探針，都會對多級壓氣機的總體性能產生一定的負面影響。文獻[4]采用數值模擬方法就葉型探針對軸流壓氣機性能的影響進行了研究，在如何有效預估和減小現有葉型探針對性能造成的測量誤差方面取得了一定的成效，但還不夠充分，測試受感部的小型化設計是必然的選擇。

2.1 管腔材料和布置

減小對流場的影響，不影響氣流的流動特性，需要測試系統小型化。而小型化設計受測試元件的截面大小、形狀、長度和安裝位置影響，特別是管腔材料直徑的影響。隨著材料工藝水平的提高，一些小型化管材成為可使用的元件，其管徑分別為φ0.3 mm，φ0.4 mm，φ0.5 mm，相比以往使用的φ1.0 mm的管徑有了很大的減小。選用這些管徑材料的管腔有三個方面的好處：第一，更小的結構，對氣動性能的影響更小；第二，由于管腔需焊在開孔的葉片上，更小的靜壓孔對葉片的強度影響更加有限；第三，針對壓氣機可調靜子葉片，管腔須從軸頸內穿出，在有限的空間內管腔愈小可布置的測點就越多。

對于型面上測點的布置，針對風扇/壓氣機葉片較薄的特點，采用在葉片上打靜壓孔，管線焊接在葉型面上，形成一面測量、另一面走線引出的結構形式，以此通過在相鄰兩個葉片不同側型面布點的方法實現對吸力面和壓力面的測量。這樣設計的好處在于測點不會對氣動型面造成干擾，而管腔走線引出的一側因小型化設計對流場的擾動有限。同時，對于小管腔材料，往往存在壓力衰減和響應時間慢、強度低的情況，對這些情況的綜合分析，通常采用強度校核來驗證。

2.2 強度校核

強度校核是保證葉型靜壓探針在試驗時正常使用的前提，一般由理論計算、有限元ANSYS結構分析和強度振動試驗共同完成。由于葉片上有打孔、開槽、鋪設管路和密封等要求，會影響葉片本身的固有頻率。課題組對設計的葉型靜壓探針利用理論計算和有限元方法進行分析，并通過振動試驗加以驗證。其中振動試驗在SAI60-H560BAC/A振動試驗系統上進行，測試系統主要包括K8734A500加速度傳感器、OR38動態信號分析儀和動態電阻應變儀。試驗內容包括確定樣件的一、二、三階自振頻率，各階振型下的節線位置；分別在一階自振頻率下施加6g和10g激振力測量葉身的應力分布情況。

3 管腔的動態標定

葉輪機內需要對各種非定常參數(動態參數)進行測量。鑒于動態測量范圍的廣泛性和結構形式的多樣性，這里僅對用于葉型面動態測量的方法進行闡述。

基于對槽道葉型面動態壓力的測量，采用“齊平安裝”的結構形式雖然能夠測量固有頻率高達20 kHz的動態信號，但存在結構尺寸大、安裝方式受限、耐溫能力差的特點。因此，另外一種稱之為“外置安裝”的結構形式在國外的動態壓力測量中被廣泛采用[5，6]。該測量中被測點的壓力脈動通過一定長度的小直徑管腔系統傳輸到壓力傳感器上，這樣可減小測點尺寸(迎風面積)和隔熱；但這種結構在測壓點和傳感器之間的管腔會存在壓力測量中的管腔效應。而管腔效應會造成動態系統的頻域特性呈現不同的動態規律，如動態系統工作頻率的降低，幅值比的下降和相位差的產生。這些動態壓力規律需要用試驗方法標定出來，為后續的工程化技術應用提供技術支撐。

3.1 測試系統簡介

模擬工程實際應用狀態，在DP-SPG系列正弦壓力校準裝置上對管腔系統的頻域特性進行標定。并通過設計的幾套管路系統對每種結構形式分別進行接和不接半無限長管結構形式的測試，管腔測試系統如圖1所示；壓力傳感器采用ICP通用型石英壓力傳感器M111A21型，采集系統包括交流供電信號適調儀和Genesis數據采集/瞬態記錄儀。工作原理是將標準傳感器和裝有被檢傳感器的管路系統安裝在正弦壓力校準臺上，通過工控機控制正弦壓力校準臺使其產生一定壓力和一定頻率的正弦壓力信號，對比標準傳感器和被檢傳感器的輸出值，工作原理框圖見圖2。

圖1 管腔測試系統Fig.1 Tube cavity test system

圖2 工作原理圖Fig.2 Function diagram

3.2 試驗結果

按測試內容對數據進行處理，主要對幾種結構形式的管腔系統進行了測試。其中根據圖1中第一種結構形式(從上向下看，管腔直徑為φ1.1 mm)的測試數據繪制的特性曲線如圖3和圖4所示。

圖3 不接半無限長管頻域特性圖Fig.3 Frequency domain performance without half-infinity tube

圖4 接半無限長管頻域特性圖Fig.4 Frequency domain performance with half-infinity tube

3.3 數據參考公式

管腔測試系統固有頻率f0和阻尼比ζ的估算公式[7]為：

3.4 數據分析

從圖3中可以看出，在60～1 800 Hz頻率范圍，幅值比從量值接近于1上升到最大值9，而后下降到最小值，相位差從量值接近于0上升到接近于π的位置。由此可以看出，管腔中形成了二階系統的壓力共振現象，該特性曲線符合二階系統的動態特性。確定該曲線形狀的是影響二階系統的固有頻率和阻尼比，按頻率響應法得到該小型化管腔系統的固有頻率為670 Hz，阻尼比為0.10。通過估算公式(1)和(2)，可得出該系統的固有頻率為680 Hz，阻尼比為0.08。不難看出，固有頻率和阻尼比的試驗值與估算值比較接近。

從圖4中可以看出，在20～1 800 Hz頻率范圍，幅值比在一均值范圍上下波動，相位差在0和-π范圍內上下波動。由此可以看出，接半無限長管的管腔系統使壓力波在經過一段相當長的距離后在管腔中無反射地傳播，由于介質阻尼作用而最終消失，管腔中不會形成駐波，即不會形成壓力共振現象，改善了管腔的頻率特性，因此可將該結構確定為小型化動態壓力測試系統的形式。

4 特種加工工藝

測試系統不僅需具備采集能力，同時還應滿足測試精度的要求，但測試數據往往因加工工藝的限制，導致其與真實試驗數據出現偏差，這是因為常規加工手段很難滿足設計的要求。對于不斷深入的技術研究，需要運用特種加工工藝完成對復雜型面的精密加工。

4.1 激光打孔技術

孔口倒角、圓角及小孔軸線傾斜都會對靜壓測量產生影響，孔口處要求光滑無毛刺，保持銳邊，其軸線應與測量端面垂直。文獻[8]就孔軸方向的傾斜度對靜壓測量的影響給出了實驗性的結論，提出不規范的靜壓孔容易造成3%的測量誤差。對于那些高性能、高負荷的葉片，型面扭曲大，加工靜壓孔時更容易發生靜壓孔軸偏心現象，因此在加工時需特別注意。

在加工高溫合金葉片和渦輪葉片的靜壓孔時，用機械加工的方法加工出直徑為0.4～1.2 mm的孔是不可能的，現越來越多地采用激光打孔方法。該方法無需接觸，保證了加工區的污染達到最小，在進行直徑為0.6 mm的打孔時，打孔的圓柱度位于0.15 mm的公差范圍內，熱力作用區為10～20 μm，沒有微裂紋，因此能夠保證加工時生產效率高，被加工零件的精度和質量較好。五自由度激光打孔機構能夠執行這樣的工作，它可根據設計要求實現任意位置的定位，加工過程不會對葉型表面造成損傷，不會出現熱應力引起的疲勞微裂紋。

4.2 EBM金屬快速成形技術

傳統的以渦輪葉片為載體的葉型面測試系統，是以葉片和測試傳感器為互相獨立的單元，結構形式為在葉片上開槽、鉆孔，將測試傳感器敷埋在槽內或孔內，但這種形式會影響葉型面結構和自身強度。葉型面壓力測試技術嘗試在某些領域開展相關技術研究，通過信息整理和反饋，針對渦輪葉片相對較厚的特點，采用特種加工工藝和場外管腔連接技術，并借鑒先進的特種加工設備，開展了相應的工作。

EBM金屬快速成形技術是以電子束熔融為基礎的智能工程技術，在加工過程中，設計模型從3D、CAD模板輸出，電子束融化金屬粉末后一層層制造零件，對于通孔、盲孔、圓角、平面和任意結構設計都是一次加工完成，目前可使用鈦合金粉末及其它多種粉末生產，成形零件組織致密度達100%，晶粒細小，性能超過鑄件，優于鍛件，并可輕易制造出復雜幾何形狀，生產速度快。其特點是不用模具，快速制造金屬零件。

針對其技術特點，使用鈦合金粉末，設計加工了內部空腔自成形的渦輪葉型面測試試件，如圖5和圖6所示。該試件有三處內部空腔，空腔從前緣沿葉片中弧線延伸到葉尖處，直徑不超過φ1.2 mm，試件未經任意機械加工，各通道具備獨立性、氣密性和通氣性。

圖5 葉片吸力面主視圖Fig.5 Front view of blade suction surface

圖6 X光透視圖Fig.6 Rendering of blade under X-ray

以往平面葉柵和渦輪部件級間性能試驗中采用的常規葉型探針，多是在葉片前緣焊接測壓管或在葉片表面敷埋空氣管來測量穩態壓力，某些處于高溫環境的測試管腔，其相對尺寸往往較大，在有限空間內管腔對氣動性能的擾動很難用數值模擬或修正程序來計算。而應用EBM金屬快速成形技術，省去了測壓管腔及相關的加工步驟，可實現流道內部無測試系統的測量。該技術結合小型化測試技術和管腔動態測試技術，能同時實現流道內葉型面的動態、穩態壓力測量。

5 結論

葉柵槽道內壓力分布情況愈來愈受到關注，以葉型面壓力分布為代表的測試技術是量化這一現象的重要手段。長期以來，相關測試技術在結構形式、測量參數、應用領域還不夠完善，不足以為高性能、高負荷的葉輪機研制提供強有力的技術支撐，同時也限制了數值模擬技術的發展，咎其原因是相關基礎研究工作的匱乏。本文通過所掌握的國內外有關研究領域的信息，開展了大量的基礎研究工作和一系列技術驗證試驗，可得出下列結論：

(1)在減少流道堵塞比和增強葉型面氣動載荷方面，小型化測試技術是一種趨勢，它受管腔直徑、結構布置和數據采集等方面的影響，合理的設計布局和技術驗證是保證這一技術應用的前提。

(2)管腔動態標定表明，直徑為φ1.1 mm的管腔結構具有二階系統特性，為葉型面的動態壓力測試提供了理論依據。

(3)特種加工工藝的實施，優化了葉型面測試技術的工藝流程，與傳統的加工方法相比，提高了測量精度，減少了零件的損傷程度，縮短了加工時間。

[1]Wheeler A P S，Miller R J，Hodson H P.The Effect of Wake Induced Structures on Compressor Boundary-layers[R].ASME GT2006-90892，2006.

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[7]王維賚.動態壓力測量原理及方法[M].北京：中國計量出版社，1986.

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