基于X型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀的徑流渦輪入口旋流試驗研究

周識略，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.中國北方發(fā)動機研究所柴油機增壓技術(shù)重點實驗室，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)兩級增壓具有高增壓、寬流量范圍、強調(diào)節(jié)能力、高效率等優(yōu)勢[1-3]，有利于發(fā)動機向低碳清潔、高效節(jié)能、強工況適應(yīng)性的方向發(fā)展[4-5]。可調(diào)兩級增壓管道連結(jié)復(fù)雜，具有彎管、旁通閥等可以發(fā)生流動畸變的結(jié)構(gòu)，這會改變兩級渦輪的內(nèi)部流動，進一步影響渦輪增壓系統(tǒng)乃至發(fā)動機的性能[6]。因此，可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)渦輪入口流場的測量對開展渦輪氣動性能的研究十分關(guān)鍵。

目前，已有部分針對渦輪增壓系統(tǒng)內(nèi)部流場測量方法的研究。由于壓氣機和渦輪結(jié)構(gòu)高度緊湊，內(nèi)部流動復(fù)雜，其流場測量難度較大，需要采用特定的技術(shù)進行測量。丁占銘[7]利用四孔探針采集的壓力信號，得到了徑流式渦輪入口旋流角、總壓等用以衡量旋流強度的參數(shù)，并利用仿真計算得到內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)信息，探明了進口旋流對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)速儀測量了穩(wěn)態(tài)和脈動背壓下離心壓氣機入口流場，探明了離心式壓氣機入口流量呈現(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)的二維粒子圖像測速儀(2DPIV)對渦輪特定位置的進氣導(dǎo)葉與動葉之間的流場進行了試驗研究，以此探究葉片尾跡對流場的影響規(guī)律。W.Gooding[10]的研究將LDV應(yīng)用于航空發(fā)動機用高速離心壓氣機的非定常流場測量，提出了測量過程中出現(xiàn)的常見問題，并據(jù)此提供了解決方案，為利用激光多普勒測速儀(LDV)進行葉輪機械流場測量提供了試驗支撐。現(xiàn)有研究中的流場測量手段主要包括多孔探針、恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀、高速粒子圖像測速儀(PIV)、激光多普勒測速儀(LDV)。多孔探針常用于測量低速、定常不可壓流場，且對流場具有一定的干擾作用；熱線風(fēng)速儀測速范圍大，具有高頻瞬時響應(yīng)性，但僅限單點測量且熱線絲極易損壞；PIV和LDV獲取流場信息精確直接，但光路布置復(fù)雜，對儀器擺放位置要求較高。

可調(diào)兩級增壓系統(tǒng)與內(nèi)燃機排氣系統(tǒng)耦合，渦輪進氣具有強瞬變脈沖性[11]。同時，由于結(jié)構(gòu)上的特點，兩級增壓器級間管道及高、低壓級渦輪出入口均存在不同形式的流動畸變[12]，目前基于多孔探針和光學(xué)測量的技術(shù)難以滿足該條件下的流場測量需求。二維恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀響應(yīng)頻率、測量精度較高，測速范圍大，對所測流場干擾較小，且易于通過自動步進實現(xiàn)多點測量，因而適用于緊湊空間內(nèi)高頻變化的強非定常三維流場[13]。因此，本研究利用二維恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀，并結(jié)合自主研制全自動步進流場測量裝置，展開穩(wěn)態(tài)條件下渦輪入口旋流流場試驗測量研究。

1 渦輪入口旋流流場測量方法

1.1 流場測量技術(shù)

本研究需要對渦輪的入口旋流進行試驗測量。旋流是二次流的一種，其速度具有方向性。與均勻來流不同，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。測量旋流時需要同時測量速度的大小和方向，因此需要選取具有方向特性的測速儀器對旋流進行測量。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速度分量。一方面，熱絲通過電流加熱和氣流對流換熱之間的熱平衡關(guān)系對速度大小進行測量；另一方面，利用兩根熱線絲相互垂直的方向特性，可以將所測速度分解到沿軸向和沿切向兩個方向上，從而實現(xiàn)對旋流速度方向及旋流軸向偏轉(zhuǎn)角度的測量。

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

利用Dantec 二維熱線標定系統(tǒng)進行標定。標定過程中，流體與探針間的對流換熱導(dǎo)致熱線溫度降低，通過系統(tǒng)內(nèi)部的惠斯通電橋?qū)﹄妷哼M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)。對角度進行標定時，需要將熱絲以合適的高度和角度放置在出風(fēng)口處，并保證氣流吹過熱絲的方向與實際測量的一致性。為了實現(xiàn)這一目的，保證旋流角度測量的精確性，自主設(shè)計加工了垂直偏轉(zhuǎn)裝置，并配合系統(tǒng)自帶的角度標定儀對熱線角度進行標定(見圖1)。

圖1 X型熱線風(fēng)速儀及其標定示意

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

圖2 熱線探針標定結(jié)果示意

1.2 流場測量裝置

熱線風(fēng)速儀是一種接觸式流速測量傳感器，當(dāng)其固定在管道的某一位置后，僅能測量該固定位置上某一點的流速，無法滿足管道截面多點連續(xù)測量的要求。因此，本研究針對這一局限性自主設(shè)計并加工了二維全自動步進裝置(見圖3)。該裝置分為徑向步進模塊和周向步進模塊，每個步進模塊上安置一個高精度步進電機，驅(qū)動熱線探針徑向步進和測量管道周向旋轉(zhuǎn)，徑向和周向均布有高瞬時響應(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，并且確保每次試驗測點分布的一致性。該裝置搭配“自動鎖相”技術(shù)，確保周期性脈沖波動流場的測點處于同一脈沖相位。利用該裝置與熱線測量技術(shù)集成的測量方法，可以對可調(diào)多級渦輪增壓系統(tǒng)管內(nèi)流場進行精確測量，從而基于試驗測量結(jié)果展開增壓系統(tǒng)的強耦合作用的研究，進一步探究在氣動耦合作用下的渦輪性能變化規(guī)律。

圖3 二維全自動步進裝置三維圖

1.3 流場測量試驗平臺

研究對象為某單級渦輪增壓系統(tǒng)，增壓器由柴油機高增壓國家重點實驗室研制。為順利實現(xiàn)X型熱線風(fēng)速儀對渦輪入口處旋流的測量，將旋流發(fā)生器、二維全自動步進測量裝置與單級渦輪增壓系統(tǒng)進行耦合，整體結(jié)構(gòu)見圖4。旋流發(fā)生器的一端與管道連接，另外一端通過法蘭與步進測量裝置的旋轉(zhuǎn)管連接，旋轉(zhuǎn)管的另一端通過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。氣體通過電加熱器進行加熱，測試管段進行隔熱棉包覆，以減小傳熱導(dǎo)致的測量誤差，步進測量裝置通過墊圈、密封膠等進行密封處理，保證測量管段的氣密性。在實現(xiàn)步進測量裝置與試驗平臺的集成過程中，先調(diào)整好熱線風(fēng)速儀的位置，并將其固定在步進裝置的徑向步進平臺上，再調(diào)整步進裝置的豎直高度，保證旋轉(zhuǎn)管與兩邊管道軸線平齊連接。

圖4 旋流測量試驗平臺

1.4 流場測量方法

本研究將二維熱線風(fēng)速儀安裝在步進測量裝置上并固定，再將其整體與試驗平臺進行耦合，從而實現(xiàn)對渦輪入口旋流流場的測量。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)展后進行測量，以保證測量的準確性，同時也可以避免熱線探針固定支架距離旋流發(fā)生器過近而對流場產(chǎn)生干擾，造成不必要的測量誤差。熱線在測量管道內(nèi)的擺放位置見圖5a。試驗平臺被測管道直徑為100 mm，為了保證管道截面上流場測點的分辨率，根據(jù)熱線探針測量位置對測量截面進行測點劃分(見圖5b)。周向每隔30°劃分一條過圓心的周向測量線，每條周向測量線上設(shè)置10個徑向測點，每個測點間隔10 mm，首尾兩個測點距管壁5 mm，共60個測點。在測量過程中，步進機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)管初始位置隨機，運行后旋轉(zhuǎn)管往周向180°運動，同時升降平臺向下運動，待觸發(fā)周向及徑向限位器后反向運動并復(fù)位，復(fù)位完畢后從0°周向測量線開始測量，待流場穩(wěn)定后熱線探針采集第一個測點的信號，并向下一個徑向測點步進，等待流場穩(wěn)定后開始第二個測點的流場信號采集，直至最后一個徑向測點測量完畢后進行徑向復(fù)位。隨后周向旋轉(zhuǎn)30°，開始第二輪徑向測量，直至周向測量完畢。

圖5 測點分布示意

試驗采用NI cDAQmax-9178控制機箱及C系列控制模塊、C系列采集模塊等硬件設(shè)備對整個測量裝置進行控制(見圖6)。基于NI-Labview編制采集控制程序，實現(xiàn)對步進測量裝置的高精度控制和對熱線電壓的瞬時采集。

圖6 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

2 結(jié)果分析

試驗選取35°旋流發(fā)生器進行穩(wěn)態(tài)工況下的渦輪進口旋流流場測量，渦輪轉(zhuǎn)速為35 000 r/min并保持恒定。入口流體經(jīng)過電加熱器加熱至恒溫60 ℃，氣流先通過旋流發(fā)生器產(chǎn)生旋流，再吹過熱線探針實現(xiàn)測量。渦輪入口前的旋流強度可以用旋流角[7]來衡量。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(見式(2))。

(2)

熱線探針在實際測量過程中根據(jù)氣流速度的變化生成電壓信號，記錄所測的電壓值，通過標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)特點和測量原理，將分速度合成為主流速度后再進一步分解為切向速度和軸向速度，計算得到旋流角的大小，以便進行旋流強度的比較。圖7示出熱絲速度合成和分解示意。其中，Uw1和Uw2分別表示兩個熱絲上的分速度，Uflow為主流速度，三者之間的關(guān)系見式(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。縱坐標表示以管道中心軸線為基準的半徑變化，在-45～45 mm的半徑范圍內(nèi)，每隔5 mm設(shè)置一個徑向測點，橫坐標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)測量位置由管壁向管道中心靠近時，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，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，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，會在管截面圓周上產(chǎn)生切向速度，流體微團具有切向速度后會產(chǎn)生垂直圓周切線向外的離心力，使流體具有遠離圓心向外運動的趨勢。當(dāng)流體質(zhì)點處于平衡態(tài)后，流體內(nèi)部必然產(chǎn)生指向圓心的壓差來平衡由于切向速度產(chǎn)生的離心力，流體質(zhì)點受力分析見圖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)(見圖8b)。

圖9 旋流發(fā)生器后流體微團受力分析

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，旋流的切向速度與軸向速度的變化趨勢一致，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)旋流的切向速度會產(chǎn)生作用于流體質(zhì)點的離心力，該作用力使流體質(zhì)點有沿管軸線不斷向遠離軸心方向運動的趨勢，因而處于平衡態(tài)的流體會產(chǎn)生指向圓心的壓差以平衡離心力的作用，此時，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)。