某離心壓氣機轉子葉尖流場測試及可視化分析

高 倩,張一弛,姚崢嶸,馬宏偉,郭君德

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002;2.北京航空航天大學 能源與動力工程學院,北京 100191)

離心壓氣機是航空渦輪軸發(fā)動機的關鍵部件,其特性直接影響著整個發(fā)動機的性能。目前,國內外許多學者通過測試或數值試驗對離心壓氣機內部流動進行了大量的研究。李書奇等[1]開展了跨聲速離心壓氣機級間靜壓測試研究,為流動控制方法的研究奠定了基礎。馬宏偉等[2]用三維激光多普勒測速系統(tǒng)測量了某離心壓氣機轉子近端壁區(qū)三維紊流流場,揭示了葉片通道端壁區(qū)的旋渦流動結構。譚大治等[3]對Krain離心葉輪設計工況下的內部流場進行了詳細的數值模擬研究,研究結果為離心機械內復雜的三維湍流現(xiàn)象研究奠定了基礎。杜娟等[4]對某跨聲速軸流壓氣機轉子葉頂泄漏流進行了數值模擬研究,發(fā)現(xiàn)非定常波動現(xiàn)象主要是由葉頂泄漏流自激非定常性引起的。賀象等[5]利用動態(tài)壓力傳感器和高頻壓力探針測量了不同轉速下轉子葉頂動態(tài)靜壓分布和級間流場,研究了多級壓氣機轉/靜干擾作用。文獻[6]～文獻[9]針對高速單級軸流、離心和多級軸流壓氣機在級間周向密布動態(tài)壓力傳感器這一現(xiàn)狀,對周向測量的轉/靜間非定常壓力信號進行了模態(tài)分析。

國內對離心壓氣機轉子葉尖的動態(tài)壓力測量以及泄漏流、前緣溢流等流場特征的測量分析研究較少。目前對壓氣機內流動現(xiàn)象的研究方法大致分為3種,即理論模型方法、數值模擬方法和試驗測試方法。理論模型方法由于假設了許多理想條件,導致在應用中存在大量的限制。數值模擬方法存在以下缺點:① 設計點工況數值模擬較準確,非設計點工況數值模擬精度較差;② 單級模擬較準確,多級模擬精度較差;③ 主流區(qū)數值模擬精度較好,端壁區(qū)、尾跡和漩渦區(qū)數值模擬精度較差。因此,采用數值模擬方法還需通過試驗數據進行驗證。試驗測試方法是分析流動現(xiàn)象、研究流動機理的主要手段,也是最直接且可靠的研究方法。由于轉子葉尖流動通常是三維非定常流動,為了獲取轉子葉尖的流動信息,本文開展了動態(tài)壓力傳感器陣列測試技術研究,通過對傳感器選型、陣列測試方案設計、傳感器精度校核、數據處理方法等進行研究,在某離心壓氣機試驗件上進行了試驗驗證,并采用可視化分析技術實現(xiàn)了動態(tài)流場測量數據的可視化處理和分析,相關的數據分析結果可以為壓氣機性能驗證和數值模擬方法的修正提供有力的技術支撐。

1 試驗件及試驗設備

某離心壓氣機試驗件(結構示意圖如圖1所示)由單級離心壓氣機組成,軸向進氣。試驗件的旋轉方向是順氣流方向看逆時針旋轉。葉輪子午流道長度L1為140 mm,分葉片前緣長度L2為37 mm,2個主流葉片前緣之間的間距為46.88 mm,2個主流葉片尾緣之間的間距為76.97 mm。為了解離心葉輪葉頂處的動態(tài)靜壓分布,捕捉離心葉輪主流葉片頂部泄漏流、前緣溢流以及主葉頂泄漏流和分流葉片前緣相互作用等,需要進行離心壓氣機轉子葉尖的動態(tài)流場測量。

圖1 某離心壓氣機試驗件結構示意圖

某離心壓氣機轉子葉尖流場動態(tài)測試是在某壓氣機試驗臺上開展的。某壓氣機試驗臺主要用于錄取壓氣機總性能和級性能,試驗臺主要由動力系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、軸向力平衡系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成。

2 測試方案設計

2.1 動態(tài)壓力傳感器陣列布置方案

根據某型離心壓氣機離心葉輪95%葉高處的馬赫數云圖數值計算結果,結合該型離心壓氣機的結構特點,對該離心壓氣機試驗件上動態(tài)壓力傳感器的陣列布置方案進行了研究。在一個葉柵通道內布置傳感器,其中:在主流葉片前緣上下游附近適當加密測點,沿周向2個葉片之間均勻布置5個傳感器;在分流葉片前緣適當加密,沿周向2個葉片之間均勻布置6個傳感器;在分流葉片下游,沿周向2個葉片之間均勻布置5個傳感器;葉片尾緣適當加密,沿周向2個葉片之間均布6個傳感器。共計布置67個動態(tài)壓力傳感器,具體如圖2所示。圖2中藍色圓點代表傳感器位置。動態(tài)壓力傳感器陣列安裝實物圖如圖3所示。

圖2 動態(tài)壓力傳感器陣列布置示意圖

圖3 動態(tài)壓力傳感器陣列安裝實物圖

動態(tài)壓力傳感器的周向布置示意圖如圖4所示,周向共布置了12個傳感器,位置分布如下:① Pitch1周向位置,在0°、90°、190°和300°位置布置4個傳感器;② Pitch4周向位置,在0°、90°、190°和300°位置布置4個傳感器;③ Pitch14周向位置,在0°、90°、190°和300°位置布置4個傳感器。綜上所述,共計布置79個動態(tài)壓力傳感器。

2.2 動態(tài)測試系統(tǒng)搭建

葉尖流動是三維的、非定常的,并且具有強烈的周期性,這種周期性的脈動是以葉片通過頻率來表征的。理論上要求取樣脈沖必須大于信號頻譜中最高頻率的2倍,實際應用中取樣頻率大于5倍信號頻譜中的最高頻率有最好的效果。離心壓氣機轉子葉片通過頻率為11.8 kHz,要求測試系統(tǒng)的總頻響不小于60 kHz才能滿足測試要求。某離心壓氣機試驗件離心葉輪外罩壁厚為5～6 mm,葉輪外罩附近溫度約為177 ℃。根據上述工況和壁面靜壓孔開孔尺寸,選用Kulite公司的KTEL-1-90C-50G動態(tài)壓力傳感器進行動態(tài)靜壓測量,該傳感器尺寸小(傳感器最大處直徑為2.5 mm)、頻響優(yōu)于80 kHz、動態(tài)特性好、綜合精度優(yōu)于±0.5%F.S.、最高工作溫度可達273 ℃,可以滿足動態(tài)測試要求。

動態(tài)測試系統(tǒng)主要由動態(tài)壓力傳感器、轉速傳感器、鎖相同步發(fā)生器、自制同步觸發(fā)器和3臺高速數據采集系統(tǒng)組成。動態(tài)測試系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。試驗中采用3臺高速動態(tài)數據采集系統(tǒng)進行動態(tài)壓力數據采集,每臺高速動態(tài)數據采集系統(tǒng)均有32個測量通道,采樣率≥1 MHz,綜合測試精度優(yōu)于±0.4%F.S.,所有通道數據完全同步采集并實時存儲,可以根據試驗要求設置采樣頻率。

圖5 動態(tài)測試系統(tǒng)組成框圖

3 動態(tài)流場測試及結果分析

某離心壓氣機試驗件在0.5、0.8和1.0共3個折合轉速下開展試驗,分別錄取了壓氣機堵點至喘點的特性線。整個試驗過程主要關注壓氣機堵點、設計點、近喘點、喘點4個工作狀態(tài)下的靜壓分布情況。為了進行動態(tài)靜壓數據分析,需要對3臺高速動態(tài)記錄儀進行系統(tǒng)數據時間同步處理,主要是以某個轉速突變點為同步點,通過調整使3臺高速動態(tài)記錄儀的系統(tǒng)時間同步。數據處理過程中,為了獲得較為理想的時域平均結果,采用了鎖相技術實現(xiàn)時域相位上的鎖定。數據處理時,采用MATLAB軟件將整個壓力脈動進行分段處理,并將每一段之間的采樣點進行線性數據插值,使每一圈的壓力數據的數量相同;然后將提取出來的數據進行平均處理,得到相對穩(wěn)定的壓力信號;其次對線性數據插值的點數進行設置,根據實際情況,將線性插值點數設置為1 000;最后完成鎖相平均處理。

3.1 折合轉速為0.5時測量結果可視化分析

對離心壓氣機折合轉速為0.5時堵點下、設計點下、近喘點下的動態(tài)靜壓測量數據進行處理,采用Tecplot軟件繪制了不同狀態(tài)下的靜壓分布三維云圖,分別如圖6～圖8所示。圖6～圖8中,鎖相的數據為對應狀態(tài)點的5圈靜壓數據的鎖相平均處理結果,壓力數據點的三維坐標與動態(tài)壓力傳感器在離心葉輪外罩上的實際位置保持一致,下文中靜壓分布三維云圖的靜壓處理方法與此處相同。壓力標度色帶上的壓力最大值為4.5 psi(1 psi=6 894.757 Pa),最小值為-0.5 psi。從圖6～圖8中可以看出,從離心葉輪前緣到尾緣,靜壓逐漸升高,符合壓氣機的壓升規(guī)律,同時可以看出明顯的壓力梯度。從堵點工況到近喘點工況,靜壓整體呈增大趨勢,周向靜壓分布趨于均勻,同時能夠看出主流葉片與分流葉片之間的分界線。

圖6 折合轉速為0.5時堵點下靜壓分布云圖

圖7 折合轉速為0.5時設計點下靜壓分布云圖

圖8 折合轉速為0.5時近喘點下靜壓分布云圖

3.2 折合轉速為0.8時測量結果可視化分析

離心壓氣機折合轉速0.8時堵點下、設計點下、近喘點下的靜壓分布三維云圖分別如圖9～圖11所示。從圖9～圖11中可以看出,從離心葉輪前緣到尾緣,壁面靜壓逐漸升高,符合壓氣機的壓升規(guī)律。相較于折合轉速0.5時的測量數據,壁面靜壓整體呈上升趨勢,壓力標度色帶上的壓力最大值由4.5 psi上升至10 psi。

圖9 折合轉速為0.8時堵點下靜壓分布云圖

圖10 折合轉速為0.8時設計點下靜壓分布云圖

圖11 折合轉速為0.8時近喘點下靜壓分布云圖

從堵點工況到近喘點工況,靜壓整體呈增大趨勢,周向靜壓分布趨于均勻,同時可以看出主流葉片與分流葉片之間的分界線。相較于折合轉速為0.5時的靜壓分布三維云圖,折合轉速為0.8時,各個工況下均能看到離心葉輪前緣存在明顯的低壓區(qū)。

3.3 折合轉速為1.0時測量結果可視化分析

離心壓氣機折合轉速為1.0時堵點下、設計點下、近喘點下的靜壓分布三維云圖分別如圖12～圖14所示。

圖12 折合轉速為1.0時堵點下靜壓分布云圖

圖13 折合轉速為1.0時設計點下靜壓分布云圖

圖14 折合轉速為1.0時近喘點下靜壓分布云圖

從圖12～圖14中可以看出,從離心葉輪前緣到尾緣,壁面靜壓逐漸升高,符合壓氣機的壓升規(guī)律。隨著流量減小,壓力面非定常波動強度增大,最強的位置向前緣移動,這是由于隨流量減小,葉頂壓力面與吸力面的壓差增大造成泄漏流強度增強,從而引發(fā)葉頂流場波動增強[4]。同時,葉片壓力面受泄漏流影響產生的低壓區(qū)向前緣移動,導致壓力面主要波動區(qū)前移。從堵點工況到近喘點工況,靜壓整體呈增大趨勢,同時能夠看出主流葉片與分流葉片之間的明顯分界線。

通過柵格排列將傳感器陣列所采集的實時壓力點轉換為壓力分布云圖,反映靜壓在離心葉輪大小葉片間的變化情況,獲取了一個葉柵通道內的靜壓分布云圖。與壓氣機性能部門提供的數值計算壓力分布云圖(如圖15所示)相比,圖12中主流葉片和分流葉片之間壓力梯度分布與實際情況基本一致,級間干擾相對較弱;分流葉片葉尖處泄漏渦形成的低壓區(qū)比較明顯,主流葉片和分流葉片前緣均可以看見明顯的低壓區(qū)。該試驗數據分析結果為壓氣機性能分析及數值仿真計算結果的驗證提供了重要的支持。

圖15 折合轉速1.0時堵點下數值模擬靜壓云圖

在折合轉速1.0時,取喘點附近1 s內測量數據進行分析,該時段包含了喘振和退喘的整個過程。取三維云圖的俯視圖進行對比分析,俯視圖便于觀察一整圈云圖的變化情況。從中取18幀云圖(每一幀的時間為2.97 ms)進行數據處理和可視化分析,如圖16和圖17所示,從2幅圖中可以清晰地看出喘振和退喘的整個變化過程。

圖16 喘振過程壓力變化云圖

圖17 退喘過程壓力變化云圖

3.4 沿程靜壓分布測量結果分析

離心壓氣機折合轉速為0.8和1.0時,堵點下主流葉片和分流葉片之間的沿程靜壓測點布置圖如圖18所示,沿程靜壓分布測量曲線分別如圖19和圖20所示。由圖19和圖20可以看出,從葉片前緣到葉片尾緣,靜壓呈逐漸增大的趨勢(從-3.3 psi增大至19.6 psi);主流葉片和分流葉片間(第2列)靠近葉片尾緣處,靜壓呈先下降后上升的趨勢。

圖18 主流葉片和分流葉片間沿程靜壓測點布置圖

圖19 折合轉速0.8時葉片間的沿程靜壓分布曲線

圖20 折合轉速1.0時葉片間的沿程靜壓分布曲線

4 結束語

本文針對某離心壓氣機試驗件,采用動態(tài)壓力傳感器陣列測試方法對離心壓氣機轉子葉尖的動態(tài)流場進行了詳細測試,并且對動態(tài)測量數據進行了可視化分析,通過柵格排列將傳感器陣列所采集的實時壓力轉換為壓力分布云圖,從三維云圖中可以看出轉子葉尖的三維流動過程,同時還可以看出壓氣機喘振和退喘的演化過程。陣列測試得到的離心壓氣機轉子葉尖三維云圖與數值仿真計算得到的壓力分布云圖變化規(guī)律一致,葉片間壓力梯度變化規(guī)律一致,級間干擾相對較弱。分流葉片葉頂處的激波結構和泄漏渦形成的低壓區(qū)十分明顯。

本文試驗中采用的測試技術為動態(tài)壓力傳感器陣列測試技術,共布置了近80個動態(tài)壓力傳感器,壓力傳感器陣列的穩(wěn)態(tài)測試精度可達0.2%,動態(tài)頻響可達20 kHz,該流場測試技術可以為離心壓氣機流場分析和改進設計提供數據支持。所采用的可視化分析方法可以直觀反映離心壓氣機轉子葉片尖區(qū)的壓力流動情況,為離心壓氣機性能分析和數值仿真計算結果的試驗驗證提供重要的技術支撐。此外,動態(tài)壓力傳感器陣列測試技術可以進一步推廣應用于軸流壓氣機、渦輪等轉子葉尖的動態(tài)流場測量,拓展了轉子葉片尖區(qū)流場的測量手段,有助于更深層次地揭示各種流動控制方法的作用機理。