劉緒鵬，閆久坤，王英鋒

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

0 引言

葉型探針是目前壓氣機(jī)級(jí)間流場(chǎng)測(cè)量中常用的測(cè)試探針。這種探針借助靜子葉片作為支撐元件，在葉片表面徑向布置多個(gè)探頭，可以測(cè)量壓氣機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子后的壓力、溫度場(chǎng)，較為準(zhǔn)確地反映級(jí)間流場(chǎng)氣動(dòng)參數(shù)。與插入式探針相比，葉型探針能夠有效地減小堵塞效應(yīng)對(duì)壓氣機(jī)性能的影響。一般情況下這種影響可以忽略，但工程實(shí)踐表明，當(dāng)葉型探針安裝超過一定數(shù)量后，也將引起流道堵塞和流線扭曲，改變壓氣機(jī)的工況，以致產(chǎn)生測(cè)量誤差。壓氣機(jī)試驗(yàn)要求氣動(dòng)參數(shù)具有非常高的測(cè)量精度，這就需要考慮流道堵塞帶來的影響[1]。對(duì)此，國外研究機(jī)構(gòu)在堵塞影響方面開展了研究工作。lewis研究中心曾開展探針測(cè)量對(duì)風(fēng)扇性能的影響研究[2]；美國GE公司在E3高壓壓氣機(jī)特性處理中，對(duì)進(jìn)氣道測(cè)量耙和葉型探針考慮了1.4%的效率損失[3]；另外還有多項(xiàng)關(guān)于測(cè)試裝置對(duì)壓氣機(jī)性能試驗(yàn)影響的研究[4-6]。近年來，中國對(duì)葉形探針進(jìn)行了大量研究及用于壓氣機(jī)參數(shù)測(cè)量工作[7-14]。向宏輝等通過試驗(yàn)分析表明，葉型探針對(duì)軸流壓氣機(jī)的特性會(huì)產(chǎn)生一定負(fù)面影響[15]。因此亟需開展葉型探針對(duì)壓氣機(jī)性能的影響研究。

本文結(jié)合試驗(yàn)及數(shù)值分析方法，對(duì)葉型探針的堵塞影響進(jìn)行定量研究，并嘗試給出壓氣機(jī)級(jí)間葉型探針的最佳設(shè)計(jì)方案。

1 研究?jī)?nèi)容與方案

研究?jī)?nèi)容主要包括2級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算、4級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)等。

1.1 2級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)方案

1.1.1 試驗(yàn)器簡(jiǎn)介

2級(jí)低速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)

在進(jìn)口截面（第1截面）布置壁面靜壓、梳狀總壓和總溫探針，測(cè)量氣流靜壓、總溫和總壓以計(jì)算流量。

在第1、2級(jí)轉(zhuǎn)子出口（第2、3截面）分別采用位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)5孔探針測(cè)量其轉(zhuǎn)子后的氣流參數(shù)，并布置葉型探針。

第4～6截面為壓氣機(jī)出口截面。第4截面測(cè)量壓氣機(jī)出口靜壓，并用位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)5孔探針測(cè)量出口氣流參數(shù)。第5、6截面布置梳狀總溫和總壓探針，測(cè)量總溫和總壓。

1.1.2 試驗(yàn)方案

（1）原始?jí)簹鈾C(jī)試驗(yàn)。該項(xiàng)試驗(yàn)是在不安裝葉型探針的壓氣機(jī)試驗(yàn)器上進(jìn)行，目的是為分析葉型探針堵塞對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)和特性的影響提供對(duì)比參照基準(zhǔn)。

（2）安裝葉型探針的壓氣機(jī)試驗(yàn)。在壓氣機(jī)各級(jí)靜子葉片上分別安裝不同尺寸和不同數(shù)量的探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

此項(xiàng)試驗(yàn)除在葉片上裝有探頭外，試驗(yàn)條件、測(cè)量手段及測(cè)量?jī)?nèi)容等均與原始?jí)簹鈾C(jī)試驗(yàn)的相同，以對(duì)比二者試驗(yàn)結(jié)果的差異，并進(jìn)行定量研究。

1.1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）第1級(jí)靜葉4個(gè)葉片上安裝5點(diǎn)Φ3mm探頭的壓氣機(jī)試驗(yàn)。

（2）第2級(jí)靜葉4個(gè)葉片上安裝5點(diǎn)Φ3mm探頭的壓氣機(jī)試驗(yàn)。

（3）第1級(jí)靜葉4個(gè)葉片上安裝5點(diǎn)Φ5mm探頭的壓氣機(jī)試驗(yàn)。

葉型探針實(shí)物如圖2所示。

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算方案

采用CFX商業(yè)軟件進(jìn)行2級(jí)和4級(jí)壓氣機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算。

圖2 葉型探針實(shí)物

（1）2級(jí)壓氣機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算方案。利用壓氣機(jī)3維數(shù)值模擬軟件，分別計(jì)算2級(jí)低速壓氣機(jī)試驗(yàn)器靜葉前緣在安裝和不安裝不同尺寸與數(shù)量的探頭情況下，壓氣機(jī)內(nèi)及出口3維流場(chǎng)；對(duì)比分析壓氣機(jī)在不同情況下的流動(dòng)堵塞和壓力損失；模擬研究各種葉型探針對(duì)壓氣機(jī)特性的影響。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)相互驗(yàn)證，分析葉型探針影響壓氣機(jī)性能的關(guān)鍵因素和量值。

為了便于與試驗(yàn)對(duì)比，計(jì)算時(shí)均采用與壓氣機(jī)試驗(yàn)相同的探針形式及布點(diǎn)方式。即每個(gè)靜子葉片沿徑向按等環(huán)面規(guī)律安裝5個(gè)探頭。探頭的尺寸分為Φ3mm和Φ5mm。通過改變安裝葉片數(shù)改變堵塞比。

（2）4級(jí)壓氣機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算方案

通過4級(jí)壓氣機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算驗(yàn)證2級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)論，以擴(kuò)大結(jié)論的使用范圍。

1.3 4級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)方案

在1臺(tái)4級(jí)低速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)器上進(jìn)行葉型探針對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)和特性影響的試驗(yàn)研究。通過在不同條件下的壓氣機(jī)流場(chǎng)和特性的對(duì)比，驗(yàn)證在2級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算中獲得的修正方法。

2 試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果分析

2.1 2級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 壓氣機(jī)流場(chǎng)分析

在轉(zhuǎn)速為800r/min，3個(gè)不同流量系數(shù)下，第2截面的總壓和切向氣流角的徑向分布如圖3、4所示。3個(gè)流量系數(shù)的選擇涵蓋了從大流量到近失速的較寬廣流量范圍。圖中，none為沒有裝葉型探針的原始?jí)簹鈾C(jī)，3mm為在4個(gè)第1級(jí)靜子葉片上各安裝5點(diǎn)Φ3mm探頭，5mm為在4個(gè)第1級(jí)靜子葉片上各安裝5點(diǎn)Φ5mm探頭。

從圖3、4中可見，在各流量系數(shù)下，原始?jí)簹鈾C(jī)、安裝Φ3mm和Φ5mm探頭3種狀態(tài)，第2截面的總壓和切向氣流角的徑向分布一致。說明葉型探針對(duì)壓氣機(jī)級(jí)間平均氣流參數(shù)的分布沒有影響。

圖3 第2截面總壓徑向分布

圖4 第2截面切向氣流角徑向分布

同時(shí)還得到了以下試驗(yàn)結(jié)果：

（1）在轉(zhuǎn)速為600、1000r/min，3種不同流量系數(shù)下，原始?jí)簹鈾C(jī)和第1級(jí)靜葉安裝Φ3mm和Φ5mm探頭3種狀態(tài)下的第2截面總壓和切向氣流角徑向分布。

（2）在轉(zhuǎn)速為800r/min，3種不同流量系數(shù)下，原始?jí)簹鈾C(jī)和第2級(jí)靜葉各有4個(gè)葉片安裝5點(diǎn)Φ3mm探頭和第1級(jí)靜葉4個(gè)葉片安裝5點(diǎn)Φ5mm探頭3種狀態(tài)下的第3截面總壓和切向氣流角的徑向分布。

試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝葉型探針后，氣流參數(shù)分布基本一致，說明葉型探針對(duì)轉(zhuǎn)子出口流場(chǎng)以及壓氣機(jī)出口流場(chǎng)的平均氣流參數(shù)的分布均沒有顯著影響。

2.1.2 壓氣機(jī)特性分析

在600、800和1000r/min，3種轉(zhuǎn)速下，不同安裝方式下的壓氣機(jī)總壓升特性的對(duì)比如圖5所示。圖中，3mm-2為2級(jí)靜葉每級(jí)4個(gè)葉片上安裝Φ3mm探頭，3mm-1為第1級(jí)靜葉4個(gè)葉片上安裝Φ3mm探頭，5mm為第1級(jí)靜葉4個(gè)葉片上安裝Φ5mm探頭，none為原始?jí)簹鈾C(jī)。

圖5 壓氣機(jī)壓升特性對(duì)比

從圖5中可見，只在第1級(jí)靜葉4個(gè)葉片上安裝Φ3mm探頭時(shí)，在3種轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)的總壓升特性線與原始?jí)簹鈾C(jī)的幾乎重合，探針對(duì)壓氣機(jī)特性無顯著影響。在這種狀態(tài)下，20個(gè)探頭的總迎風(fēng)面積占?jí)簹鈾C(jī)氣流通道面積的比例（即堵塞比）約為0.347‰?？梢?，在這種狀態(tài)下，葉形探針對(duì)壓氣機(jī)特性的影響可以忽略。

另外，試驗(yàn)在每個(gè)葉形探針的壓力面上布置了5根Φ1mm測(cè)試引線。單根測(cè)試引線直徑約為葉片最大厚度的1/8；第1級(jí)靜子葉片數(shù)為22片，布置測(cè)試引線的葉片數(shù)量占葉片數(shù)的18%。此時(shí)壓氣機(jī)特性線幾乎與原始?jí)簹鈾C(jī)的重合，表明測(cè)試引線對(duì)壓氣機(jī)特性的影響可以忽略。

在2級(jí)每級(jí)4個(gè)靜子葉片上安裝Φ3mm探頭、轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)，總壓升特性線幾乎與原始?jí)簹鈾C(jī)的重合；而在較大轉(zhuǎn)速（800r/min和1000r/min）時(shí)，總壓升特性明顯低于原始?jí)簹鈾C(jī)的。數(shù)據(jù)分析表明，在相同流量系數(shù)下，轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，4個(gè)靜子葉片上安裝Φ3mm探頭的總壓升系數(shù)比原始?jí)簹鈾C(jī)的約低0.8%；在1000r/min時(shí)，約低1%。說明在同樣的單級(jí)堵塞比情況下，安裝葉型探針的級(jí)數(shù)越多，對(duì)壓氣機(jī)特性的不利影響越大；且壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，葉型探針對(duì)壓氣機(jī)特性的影響也越大。

在第1級(jí)靜葉4個(gè)葉片上安裝Φ5mm探頭，20個(gè)探頭的堵塞比為0.96‰，對(duì)壓氣機(jī)特性的影響明顯比Φ3mm探頭的大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Φ5mm探頭對(duì)壓氣機(jī)特性的影響也與轉(zhuǎn)速有關(guān)：在相同流量系數(shù)下，相對(duì)于原始?jí)簹鈾C(jī)，在600r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)，總壓升系數(shù)值約低1%，在800r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)，總壓升系數(shù)值約低2%，在1000r/min的轉(zhuǎn)速下，總壓升系數(shù)值約低2.4%。

2.1.3 2級(jí)壓氣機(jī)堵塞比試驗(yàn)結(jié)論

（1）葉型探針并不影響壓氣機(jī)平均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。葉型探針對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子后的平均氣流參數(shù)的分布都沒有明顯影響，適用于壓氣機(jī)內(nèi)部平均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究。

（2）葉型探針在堵塞比不大于0.347‰時(shí)對(duì)壓氣機(jī)特性的影響可以忽略。

（3）安裝葉型探針的級(jí)數(shù)越多，對(duì)壓氣機(jī)特性的不利影響越大。隨轉(zhuǎn)速增高，探針的堵塞影響隨之增大。

（4）葉型探針的堵塞比大于等于0.96‰時(shí)，堵塞影響明顯增大。

2.2 數(shù)值計(jì)算

2.2.1 流場(chǎng)分析

由數(shù)值計(jì)算得到的2級(jí)壓氣機(jī)第1級(jí)靜葉原始狀態(tài)和安裝葉型探針時(shí)的總壓和馬赫數(shù)分布如圖6、7所示。

圖6 第2級(jí)壓氣機(jī)的第1級(jí)靜子通道截面總壓分布

圖7 第2級(jí)壓氣機(jī)的第1級(jí)靜子通道截面馬赫數(shù)分布

數(shù)值計(jì)算還得到了4級(jí)壓氣機(jī)第3級(jí)靜子安裝探頭和原始狀態(tài)的速度分布。結(jié)果顯示，在探頭附近產(chǎn)生了局部高損失區(qū)域，但其范圍僅局限在探頭附近及尾跡區(qū)域，沒有對(duì)流場(chǎng)分布造成顯著影響。這也表明采用葉型探針測(cè)量級(jí)間參數(shù)的合理性。

2.2.2 壓氣機(jī)特性分析及修正系數(shù)的確定

壓氣機(jī)特性分析主要根據(jù)2級(jí)壓氣機(jī)計(jì)算結(jié)果分析葉型探針對(duì)壓氣機(jī)特性的影響，并歸納總結(jié)葉型探針對(duì)壓氣機(jī)特性影響的修正方法。

（1）在第1級(jí)靜子葉片安裝Φ3mm探頭，每個(gè)葉片沿徑向安裝5個(gè)探頭，通過改變安裝探頭葉片的數(shù)量改變堵塞比。

壓氣機(jī)壓升特性的對(duì)比如圖8所示。圖中，unstructuremesh為原始?jí)簹鈾C(jī)的壓升特性，first為第1級(jí)靜子，3mm為安裝葉型探針的探頭Φ3mm，除first_3mm表示所有第1級(jí)靜子葉片均安裝探頭，其余1b、2b……8b等分別為安裝探頭的葉片數(shù)為1、2……8。從圖中可見，隨著葉型探針數(shù)量的增加，堵塞作用增大，壓氣機(jī)的壓升下降。

圖8 第1級(jí)靜子葉片葉型探針堵塞比對(duì)壓升特性的影響（探頭Φ3mm）

計(jì)算結(jié)果表明，葉型探針的堵塞影響主要表現(xiàn)在流量和壓升方面。在同一轉(zhuǎn)速下，無論是否安裝葉型探針，在相同進(jìn)、出口邊界條件下“壓升差與動(dòng)壓頭的比值”及“流量系數(shù)差與壓升的比值”近似不隨壓氣機(jī)流量變化。

壓升差與動(dòng)壓頭的比值定義為

流量系數(shù)差與壓升的比值定義為

式中：ΔP*為原始?jí)簹鈾C(jī)的總壓升；Δ為安裝葉型探針的壓氣機(jī)總壓升；Um為轉(zhuǎn)子中徑處的流速；φ 為原始?jí)簹鈾C(jī)流量系數(shù)；為安裝葉型探針的壓氣機(jī)流量系數(shù)；為安裝葉型探針的壓氣機(jī)總壓升系數(shù)。

在不同數(shù)量的葉片中安裝探頭時(shí)，參數(shù)CPR和CMF與壓氣機(jī)流量系數(shù)的關(guān)系分別如圖9、10所示。

圖9 壓升修正系數(shù)與壓氣機(jī)流量系數(shù)的關(guān)系

圖10 流量修正系數(shù)與壓氣機(jī)流量系數(shù)的關(guān)系

從圖9、10中可見，除所有葉片都安裝探頭（first_3mm）的特殊情況外，參數(shù)CPR和CMF幾乎不隨壓氣機(jī)的流量系數(shù)變化。在葉型探針的實(shí)際應(yīng)用中，一般在1級(jí)上同時(shí)最多只有8個(gè)靜子葉片安裝探頭，所以采用這2個(gè)參數(shù)與堵塞比的關(guān)聯(lián)曲線來修正葉型探針對(duì)壓氣機(jī)特性的影響是可行的。

（2）在第2級(jí)靜子安裝Φ3mm探頭進(jìn)行模擬計(jì)算，其結(jié)果與（1）的相同。

（3）第1、2級(jí)靜子葉片分別安裝探頭與2級(jí)靜子葉片同時(shí)安裝探頭的壓氣機(jī)壓升特性比較如圖11所示。

圖11 不同級(jí)靜子安裝探頭的影響

從圖中可見，由于第2級(jí)靜子葉片數(shù)較少（20片）探頭的堵塞比也較小，在單獨(dú)安裝葉型探針情況下，其壓升特性最接近于壓氣機(jī)原始?jí)荷匦浴６?級(jí)靜子都安裝探頭對(duì)壓氣機(jī)流量系數(shù)和壓升的影響僅比單獨(dú)1級(jí)靜子安裝探頭時(shí)的略大。表明葉型探針對(duì)壓氣機(jī)特性的影響主要取決于單級(jí)的最大堵塞比，增加葉型探針的數(shù)量并不會(huì)顯著增大對(duì)壓氣機(jī)特性影響。

（4）第1級(jí)靜子安裝Φ5mm探頭對(duì)壓氣機(jī)壓升特性的影響與安裝Φ3mm探頭時(shí)得到的試驗(yàn)結(jié)果相類似。即隨著安裝探頭葉片的數(shù)量增加，堵塞比增大，對(duì)壓升特性的影響也增強(qiáng)。

參數(shù)CPR和CMF與壓氣機(jī)流量系數(shù)的關(guān)系曲線也與安裝Φ3mm探頭的情況相類似，即除所有葉片都安裝探頭的特殊情況外，CPR和CMF幾乎不隨壓氣機(jī)的流量系數(shù)變化。

2.2.3 壓氣機(jī)流場(chǎng)及特性分析結(jié)論

壓氣機(jī)流場(chǎng)分析結(jié)論：數(shù)值計(jì)算與2級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)研究結(jié)果相同，即葉型探針并沒有對(duì)級(jí)間平均流場(chǎng)分布造成顯著影響。

壓氣機(jī)特性分析結(jié)論：通過數(shù)值模擬計(jì)算得到了可以用來修正葉型探針對(duì)壓氣機(jī)特性影響的系數(shù)CPR和CMF；對(duì)于多級(jí)安裝葉型探針的情況，葉型探針安裝級(jí)數(shù)的增加對(duì)壓氣機(jī)特性的影響不是簡(jiǎn)單疊加，而主要取決于單級(jí)的最大堵塞比。

2.3 壓氣機(jī)特性的修正

如前所述，可以采用參數(shù)CPR和CMF與葉型探針堵塞比的關(guān)聯(lián)曲線來修正葉型探針對(duì)壓氣機(jī)特性的影響。

數(shù)值計(jì)算獲得的壓升修正系數(shù)CPR和流量修正系數(shù)CMF隨葉型探針堵塞比（BlockPercentage）的變化如圖12、13所示。圖中顯示了第1、2級(jí)靜子安裝Φ3mm探頭和第1級(jí)靜子安裝Φ5mm探頭3種情況下修正系數(shù)隨堵塞比的變化。這3種情況都是每個(gè)葉片沿徑向安裝5個(gè)探頭，通過改變安裝探頭葉片的數(shù)量改變堵塞比。

對(duì)試驗(yàn)特性的修正如圖14所示。從圖中可見，采用圖12、13的曲線修正后壓升和部分流量都大于不安裝葉型探針的原始特性。這是由于數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)存在一定偏差造成的。

圖12 壓升修正系數(shù)

圖13 流量修正系數(shù)

通過2級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)圖12、13中給出的修正系數(shù)量值進(jìn)行了校正。修正結(jié)果如圖14中的“first_5mm_4b_corrected_2”所示。從圖中可見，經(jīng)過對(duì)修正系數(shù)量值的校正，第1級(jí)靜子帶Φ5mm探頭的壓升特性結(jié)果在較寬廣的流量范圍內(nèi)與壓氣機(jī)的原始特性相吻合。

2.4 4級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證內(nèi)容：2級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)得到的葉型探針對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)及特性影響的結(jié)論；修正模型。

通過安裝葉型探針與原始?jí)簹鈾C(jī)流場(chǎng)和壓升特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了2級(jí)試驗(yàn)的結(jié)論：

圖14 對(duì)試驗(yàn)特性的修正

（1）葉型探針沒有影響到級(jí)間流場(chǎng)參數(shù)的分布結(jié)構(gòu)。

（2）2個(gè)修正系數(shù)適用于安裝葉型探針的壓氣機(jī)特性的修正。

3 結(jié)論

通過2級(jí)和4級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)，以及數(shù)值模擬計(jì)算得到以下結(jié)論：

（1）葉型探針對(duì)壓氣機(jī)的流場(chǎng)分布無顯著影響，其測(cè)量結(jié)果可作為壓氣機(jī)修改或優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

（2）葉型探針對(duì)壓氣機(jī)的特性有一定影響，其影響量值與壓氣機(jī)的流量、壓升及葉型探針的堵塞比等參數(shù)有關(guān)。

（3）對(duì)于多級(jí)安裝葉型探針的情況，其對(duì)壓氣機(jī)特性的影響并不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系，主要影響因素仍是單級(jí)葉型探針數(shù)量。

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