模擬板全尺寸吹風試驗技術

張 鑫，高 超，馬慶巖，張寶華，劉德權，王靖宇，楊 闖

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015；2.中國人民解放軍31434部隊，沈陽 110034）

0 引言

進氣畸變研究是航空發動機研制過程中一項重要工作，用于評定整個推進系統的工作穩定性[1]。為了降低進氣道/發動機聯合試驗所需成本，各類進氣畸變模擬技術如模擬網技術、紊流發生器、空氣噴流畸變模擬器、插板模擬技術、模擬板技術等相繼出現。在中國，王如根等[2]開展了進氣道插板試驗，通過對試驗測量數據的分析發現測壓探頭的安裝位置對脈動強度有顯著影響，而測量時間對氣流脈動強度計算值影響很小；程邦勤等[3]利用一種可移動插板式畸變發生器對某渦扇發動機開展了進氣總壓畸變的試驗研究，平面紊流度和反應流場穩態總壓畸變的周向不均勻度隨著插板深度和換算轉速的增大而增大；葉巍[4]開展了畸變模擬板的設計與試驗研究，提出了一種半經驗、半數學的模擬方法。在國外，Bion[5]、Roger等[6]、Mccarthy[7]均對進氣畸變模擬技術進行了研究，并開展了一系列的數值計算與試驗驗證。其中，模擬板技術不僅可以模擬進氣道出口流場畸變圖譜，還可以較為精確地模擬穩態、動態畸變流場。英國最先應用了模擬板技術，在進/發匹配試驗中采用不同形狀、尺寸的模擬板模擬了動態和穩態的流場畸變。為了降低試驗成本，模擬板的研制程序一般分為3步[8]：（1）在工程基礎研究階段，主要進行外廓直徑Φ=150 mm的模擬板縮尺模型研究；（2）在工程研制階段，對Φ=600 mm的模擬板縮尺模型開展進一步的研究；（3）在工程驗證階段，采用全尺寸Φ=905 mm的模擬板進行吹風試驗研究。

模擬板吹風試驗研究在國外起步較早，英美等國在20世紀七八十年代就使用模擬板進行了進/發匹配的相容性試驗研究[9]；而中國相關方面的研究起步較晚，但歷經多年發展，開展了大量的模擬板試驗研究[10-12]，也取得了一些成果。其中，Φ=150、600 mm的模擬板縮尺模型試驗占絕大多數。由于受到試驗條件的限制，中國開展的模擬板全尺寸吹風試驗相比于模擬板縮尺模型吹風試驗要少很多，模擬板全尺寸吹風試驗相關的試驗技術參考也屈指可數。

本文利用某試驗設備對模擬板全尺寸吹風試驗相關技術進行了研究和探討。

1 模擬板全尺寸吹風試驗

1.1 試驗狀態模擬準則

在進行模擬板全尺寸吹風試驗時，通過控制模擬板前后馬赫數來保證試驗狀態。模擬板的流量為

式中：W0為進氣物理流量；P0為進氣總壓；T0為進氣總溫；K為常數，K=0.0404；A為模擬板的流通面積；Ma為模擬板前/后氣流的馬赫數；i=0代表板前，i=1代表板后。

根據式（1）可以通過調節W0、P0以及T0來實現對模擬板前后馬赫數的控制。在試驗時，為了達到狀態要求的模擬板前后馬赫數，在氣源能力有限的條件下，可以利用設備引射器，通過降低進氣總壓的方式來降低模擬板進氣物理流量。將模擬板主流進氣的物理流量W0折合成常溫、標準大氣壓下的換算流量W'0

式中：P'0=101.325 kPa；T'0=288.15 K。

在試驗時，利用換算流量來保證試驗狀態的一致性。

1.2 試驗方案

采用進氣與引射相結合的方式使模擬板前后馬赫數達到試驗狀態。試驗裝置原理如圖1所示。從圖中可見，氣源的空氣進入試驗管道后分為3股：第1股氣流為多余空氣，直接通過排氣閥門進入排氣塔中；第2股氣流為引射氣流，通過引射閥門進入引射器，利用拉瓦爾噴管的引射作用使試驗倉內形成低壓環境；第3股氣流為主流氣流，通過流量孔板后進入試驗倉，所測得的流量即為模擬板物理流量W0。試驗倉內安裝有前測量段、模擬板、后測量段以及排氣段。

圖1 試驗裝置原理

吹風試驗選取A、B 2塊模擬板，模擬板試驗件如圖2所示。在模擬板下方120°扇形區域開孔，使得2塊模擬板后流場目標圖譜的高低壓區域比例大致為2∶1。模擬板A低壓區開孔較大，阻塞比較小，流通面積與阻塞面積比為2.33；模擬板B低壓區開孔較小，阻塞比較大，流通面積與阻塞面積比為2.16。圖上的低壓區開孔僅為示意，并不是實際開孔位置及大小。

圖2 模擬板試驗件

1.3 測量方法

全尺寸吹風試驗所用模擬板內徑D=905 mm，測點布置位置如圖3所示。從圖中可見，在前測量段上的0-0截面布置模擬板前測點，軸向距離為2D；在后測量段上的1-1截面布置模擬板后壁面靜壓測點和脈動壓力測點，軸向距離為1D；在后測量段上的氣動截 面（Aerodynamic Interface Plane，AIP）布置模擬板后穩態總壓測點，軸向距離為1.1D。其中，AIP的軸向位置與整機試驗保持一致。

圖3 測點布置位置

在試驗前，在0-0測試截面布置總壓、靜壓以及總溫測點，對模擬板進口參數進行測量；在1-1測試截面布置靜壓測點，對模擬板出口穩態靜壓進行測量；在AIP布置總壓測點，對模擬板出口穩態總壓進行測量。溫度測點采用K型熱電偶通過EX1000ATC溫度測量儀進行測量；壓力測點通過壓力掃描閥進行測量。

1.4 數據處理方法

模擬板吹風試驗需得到的畸變參數主要有：綜合壓力畸變指數W、穩態周向畸變指數面平均紊流度εav、總壓恢復系數σav。

AIP上單個測點總壓恢復系數為

式中：Pt2為板后測量截面氣體總壓；Pt0為板前氣體平均總壓。

周向θ位置的徑向平均總壓恢復系數為

低壓區內平均總壓恢復系數為

面平均總壓恢復系數為

穩態周向畸變指數為

脈動總壓時均值為

脈動總壓均方根值為

周向θ位置紊流度為

面平均紊流度為

綜合壓力畸變指數為

2 試驗結果及討論

2.1 模擬板后馬赫數計算

2.1.1 流量法模擬板后馬赫數的流量法計算公式為

式中：PAIPav為AIP平均總壓。

該算法與進氣物理流量、AIP平均總壓以及進氣平均總溫有關，與1-1截面平均靜壓無關。

2.1.2 總靜壓法

模擬板后馬赫數的總靜壓法計算公式為

式中：P1-1Sav為1-1截面平均靜壓。

該算法與AIP平均總壓以及1-1截面平均靜壓有關，與進氣物理流量、進氣平均總溫無關。

模擬板后馬赫數是確定模擬板修型方案的重要參數，采用流量法和總靜壓法分別對相同狀態下原始流場（不安裝模擬板時）馬赫數進行了計算，2種計算方法得到的結果對比如圖4所示。

圖4 原始流場模擬板后馬赫數2種計算結果對比

從圖中可見，在Ma=0.35~0.54時，采用總靜壓法計算所得的模擬板后馬赫數比采用流量法計算得到的略高。其原因是：由于流量孔板布置在進氣管道上游，考慮從流量孔板到試驗件的管路存在微量滲氣（負壓狀態），實際進入模擬板的空氣流量要比流量孔板測量的進氣物理流量略大，則計算得到的模擬板后馬赫數比實際值略低；而采用總靜壓法時，由于該算法中進氣物理流量不參與計算，后測量段上的總壓和靜壓測點可以直接反映模擬板后參數狀態，相比于流量法，剔除了進氣物理流量測量結果偏小的影響，計算得到的模擬板后馬赫數會更接近實際值（回流區內除外）。因此，本次試驗模擬板后馬赫數采用總靜壓法進行計算。

2.2 測點布置方式對畸變指數測量的影響

為了研究AIP受感部布置方式對模擬板畸變度試驗結果的影響，通過AIP的6支受感部均布和8支受感部均布這2種測量方式（如圖5所示），對模擬板A在板后馬赫數為0.546狀態下的畸變度進行了錄取，試驗結果見表1。

圖5 AIP的2種受感部布置方式

表1 AIP不同受感部布置方式試驗結果

從表中可見，模擬板A在板后馬赫數為0.546的狀態下，當AIP的8支受感部均布時，穩態周向畸變指數為9.95%，比AIP的6支受感部均布的試驗結果提高了1.27%；AIP平均總壓為49.37 kPa，比AIP的6支受感部均布的試驗結果提高了近1 kPa。

將2種布置方式下測得的AIP壓力場擬合成壓力分布，如圖6所示。從圖中可見，布置8支受感部比布置6支受感部時測得的低壓區域更大。

圖6 2種布置方式下測得的AIP壓力場擬合的壓力分布

來流空氣經過模擬板時由于受到模擬板開孔形式的影響，其壓力在板后會形成新的分布（流場分布）。模擬板后的流場相對于平均總壓形成高壓區和低壓區2部分，高低壓區下模擬板A板后受感部布置如圖7所示。從圖中可見，設計的模擬板A的板后流場高壓區主要分布在紅色區域（240°），低壓區主要分布在藍色區域（120°）。AIP的6支受感部均布時，高壓區有4支受感部，低壓區有2支受感部，高低壓區測點數量比為2∶1（或5∶2.5）；而AIP的8支受感部均布時，高壓區有5支受感部，低壓區有3支受感部，高低壓區測點數量比為5∶3。換言之，經過比例折算，2種受感部布置方式在相同高壓區測點數量的情況下，前者的低壓區測點要少于后者的；而在高壓區測點數量相同的條件下，低壓區測點數量相對增多會使模擬板穩態周向畸變指數增大，因而8支受感部均布的條件下測得的穩態周向畸變指數會比6支均布的略大。

圖7 高低壓區下模擬板A板后受感部布置

對于AIP的6支受感部均布的方式，其高低壓區測點數量比為2∶1，并且高低壓理論區域面積比也為2∶1，測點數量與高低壓區域相互匹配。因次，相比于AIP的8支受感部均布的方式，AIP的6支受感部均布的方式更適合該模擬板后流場測量。

上述測點數量與高低壓區域相互匹配的結論主要針對測點數量/位置受限的情況，可為具有其它板后高低壓區域占比的模擬板提供參考。今后如果有條件可以使用轉動耙進行多次多角度的測量，在盡可能不增加流阻的前提下變相增加測點，可以更真實地測量出板后流場。

2.3 物理流量對畸變指數測量的影響

為了研究模擬板進氣物理流量對模擬板畸變度試驗結果的影響，在不同進氣物理流量、相同板后馬赫數0.546的狀態下對模擬板A畸變度進行了錄取，試驗結果見表2。

表2 不同進氣物理流量下模擬板A試驗結果

從表中可見，模擬板A在2種不同進氣物理流量、相同板后馬赫數的狀態下，穩態周向畸變指數、面平均紊流度以及綜合壓力畸變指數基本不變，表明進氣物理流量對模擬板畸變度影響很小。

2.4 換算流量對畸變指數測量的影響

在不同換算流量下模擬板A的畸變指數擬合曲線如圖8所示。

圖8 在不同換算流量下模擬板A的畸變指數擬合曲線

從圖中可見，隨著換算流量的增大，模擬板A的穩態周向畸變指數明顯增大，面平均紊流度略有增大，綜合壓力畸變指數逐漸增大。換算流量相當于常溫、標準大氣壓狀態下的通過模擬板的空氣流量，根據式（1），對于同一塊模擬板，其換算流量與馬赫數相互對應，因此換算流量的增大是表象，板后馬赫數的提高才是實質。

2.5 測點小角度偏斜對畸變指數測量的影響

為了研究板后測點相對于模擬板沿周向小角度偏移對畸變指數測量的影響，在錄取了模擬板A安裝角度為0°時不同換算流量下的畸變特性之后（圖7），又開展了安裝角度為6°時不同換算流量下的畸變特性錄取，模擬板A的2種安裝角度如圖9所示。

圖9 模擬板A的2種安裝角度

模擬板A在安裝角度為6°時不同換算流量下的畸變指數擬合曲線如圖10所示。

圖10 在安裝角度為6°時不同換算流量下模擬板A的畸變指數擬合曲線

為了研究模擬板安裝角度對模擬板畸變度的影響，將模擬板A在安裝角度為0°和6°時不同換算流量下的畸變指數進行對比，如圖11所示。

圖11 在安裝角度為0°和6°時不同換算流量下模擬板A的畸變指數對比

從圖中可見，隨著換算流量的增大，模擬板A在2種安裝角度下的穩態周向畸變指數、面平均紊流度以及綜合壓力畸變指數基本重合，說明安裝模擬板時，測點小角度偏斜（6°以內）對畸變指數測量基本無影響，可以忽略。

2.6 測點軸向位置的影響

在進行模擬板B在馬赫數為0.54狀態下的畸變度錄取試驗時，發現板后低壓區個別總壓小于板后低壓區壁面靜壓，由此判斷此時測點位于板后回流區內，認為測點軸向位置對畸變度測量有影響。模擬板后高低壓區域測點布局如圖12所示，其中低壓區的部分測量結果見表3。

圖12 模擬板后高低壓區域測點布局

表3 模擬板后低壓區測量結果

從表中可見，對于模擬板A，在換算流量為114.3 kg/s時，低壓區平均總壓為41.85 kPa，低壓區平均壁面靜壓為39.40 kPa，說明板后1.1D的軸向位置已經避開模擬板A的板后回流區，可以準確地測量板后畸變；而對于模擬板B，在換算流量為90.4 kg/s時，其低壓區平均總壓為57.02 kPa，平均壁面靜壓為57.21 kPa，前者小于后者，說明板后1.1D的軸向位置處于模擬板B的板后回流區內。而實際測量段上的穩態總壓受感部是無法在回流區域中準確測量的，這里得到的低壓區總壓數據只能對測量位置是否在板后回流區進行判斷，并不能準確地反映該區域實際的總壓值。另外，在這種情況下，采用總靜壓法計算的板后馬赫數也不準確。

氣流經過模擬板一段距離后才能形成目標畸變流場，而由于A、B 2塊模擬板低壓區的開孔數量不同，流通面積不同，理論上形成目標畸變流場所需的距離也會有所差異。模擬板A比模擬板B低壓區的開孔大，流通面積大，板后回流區域軸向距離較短，因此板后形成目標畸變流場所需的距離相對短。由于在本文的試驗中模擬板后測量段上的測點軸向位置固定，無法調節，今后在進行類似試驗時，應參考模擬板設計計算的板后流場，合理布置板后測點的軸向距離，既不能太短（要避開回流區），又不能太長（要具有較明顯的高低壓分布）。

3 結論

（1）在非回流區內模擬板后馬赫數采用總靜壓法進行計算的結果更接近真實值；

（2）AIP測點布置方式會對穩態周向畸變指數的測量產生影響，低壓區測點相對增多會使穩態周向畸變指數的測量值增大；

（3）模擬板進氣物理流量對板后畸變指數測量基本無影響；

（4）隨著模擬板進氣換算流量的增大，板后畸變指數逐漸增大；

（5）模擬板后測點周向小角度偏斜（6°以內）對板后畸變指數測量基本無影響；

（6）模擬板后測點軸向位置的布置建議參考模擬板設計計算的板后流場，既不能太短以避開板后回流區，又不能太長以得到較明顯的高低壓分布。