萬釬君，石小江，劉志剛，肖華菊，熊 兵，2，幸曉龍

(1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703；2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016)

1 引言

葉輪機內部結構十分復雜，為持續(xù)改進其性能需充分了解內部的流動現(xiàn)象[1]。粒子圖像測速(PIV)技術克服了以往流場測試中單點測量的局限性，可瞬時無接觸測量流場中多點速度矢量，是一種非常有發(fā)展前景的無擾動流場測量技術[2]。上世紀末國內外已將PIV技術成功應用于葉輪機流場測試，對葉輪機內流做了大量研究[1-16]。但國內外公開發(fā)表研究報告中，鮮有針對跨聲速旋轉件三維PIV技術的介紹。

本文以三維PIV技術在跨聲速旋轉件內流場測試領域的應用為目的，在某壓氣機試驗器上進行了跨聲速壓氣機內流場三維PIV測試關鍵技術攻關、數(shù)據(jù)分析方法研究及試驗驗證等工作，獲得了某小型跨聲速風扇15 000 r/min和21 006 r/min轉速工作點工況下的轉子內部流場特性，并與壓敏漆(PSP)測量結果進行了對比，以期為跨聲壓氣機內三維復雜流動研究提供先進的測量手段，為數(shù)值模擬和湍流模型提供試驗數(shù)據(jù)及驗證方法，為壓氣機設計改進提供技術支持。

2 試驗設備及試驗件

試驗在單多級壓氣機試驗器上進行。該試驗器為敞開節(jié)流式軸流壓氣機試驗器，主體主要由流量管、擴散段、進氣節(jié)氣門、穩(wěn)壓箱、高速齒輪箱、排氣系統(tǒng)、齒輪增速器、測扭器、同步電機等組成。試驗時，試驗件由一臺同步電動機驅動，變頻無級調速，通過齒輪增速器使試驗件達到所需轉速。

試驗件是機匣內徑為?309.2mm的小型航空發(fā)動機用單級軸流風扇。該風扇由進口支板、轉子及靜子組成。從試驗件進口看，轉子順時針旋轉。PIV測量截面為轉子75%葉高的擬S1流面。

3 PIV設備及主要技術方案

利用現(xiàn)有的PIV測試系統(tǒng)，搭建了一套適用于葉輪機試驗的三維PIV測試系統(tǒng)，并對光路布局、粒子播放、三維標定等技術進行了研究。

3.1 三維PIV測試系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)由脈沖激光器、固定支架、光學透鏡組、兩臺CCD相機、高精度時序控制器、主控計算機等組成。脈沖激光器產生規(guī)定時間間隔的脈沖激光光束。固定支架由不同規(guī)格的支架及連接套件現(xiàn)場組裝而成，用于光路及三維CCD相機空間布局的搭建。不同功能的光學透鏡由支架固定在空間不同位置形成一組完整的光路，將激光器產生的脈沖光束導入機匣內并轉換成PIV光學測量所需的片光源。利用兩臺解析度均為1 600×1 200像素的跨幀CCD相機進行三維布局。主控計算機用于圖像采集、數(shù)據(jù)處理及時序指令改寫。周向定位采取窗口觸發(fā)模式，試驗件每轉一周，安裝在試驗件上的光電傳感器輸出一個外觸發(fā)鎖相信號，此鎖相信號經時序控制器傳入主控計算機。計算機主控系統(tǒng)采集到外觸發(fā)信號頻率，并計算出外觸發(fā)信號頻率倍數(shù)、滿足要求的激光頻率、相機重復頻率。為適應旋轉件非周期轉動，在計算的重復頻率基礎上，疊加外觸發(fā)信號相關的時間窗口。圖像采集時，激光Q開關在CCD相機準備好采集下一張圖片且收到外觸發(fā)信號時，由時序控制器輸出序列控制激光器和CCD相機同步工作。

3.2 試驗件改造及光路布局

為實現(xiàn)壓氣機內部流場可測，重新加工了試驗件機匣并對其進行了機匣視窗、視窗安裝邊及激光內窺鏡固定套件的設計加工。視窗玻璃的可觀察范圍，軸向大于轉子葉片在軸向上的投影，周向大于1.5倍葉片槽道。測量截面需要激光片光照亮，這就要求將激光器產生的激光光束引入到試驗件內，并轉換為片光。激光器產生的激光光束通過一組反射透鏡傳遞至一組縮束透鏡前，縮束透鏡組將光束收縮并傳遞到激光內窺鏡前，收縮后的光束經激光內窺鏡的透鏡組及鋼管進一步收縮并傳遞至末端的側面適配器，再經側面適配器的光學鏡片轉換為2 mm左右的片光照射至轉子內測量截面。激光內窺鏡從轉子上游插入，通過固定裝置固定在試驗件機匣上。可通過調整激光內窺鏡伸入流道的深度調節(jié)片光照射的葉高位置。

CCD相機采用立體攝影布局，兩臺相機位于激光片光同側，采用透鏡傾斜法，透鏡、像面和觀測物面均不平行，傾斜而相交于一點，滿足Scheimpflug條件；兩相機均有一共同觀測物面，透鏡和像面盡管不平行，但透鏡的中心軸線接近通過像面的中心附近[17]。為避免試驗件輔助支撐遮擋相機拍攝，兩臺相機安裝在豎直支架上。圖1給出了三維PIV系統(tǒng)現(xiàn)場布局。

圖1 三維PIV系統(tǒng)現(xiàn)場布局圖Fig.1 3D PIV configuration

3.3 粒子播放

粒子播放裝置如圖2所示。自制的固態(tài)粒子播放器位于試驗件上游，流量管下方，防塵網內?？諝鈮嚎s機運行使粒子播放器中的固態(tài)粒子與高壓氣體混合后從粒子播放孔中噴出，并在流量管前方與空氣充分摻混。這種播放方式有利于粒子的充分摻混，并且產生的粒子流與空氣一起吸入流量管內，無多余的氣流引入。

3.4 轉子通道內部三維標定

圖2 粒子播放示意圖Fig.2 Particle seeding method

葉輪機轉子內流三維PIV精確測量，需對轉子通道內部測量截面進行準確的三維標定，修正由于片光源傾斜、兩臺相機間光學系統(tǒng)差異及弧形機匣視窗產生的光學畸變引起的圖像變形。參照多個壓氣機轉子葉片形狀，設計并加工了能裝入轉子通道內部且點陣布置合理的三維標定板組件，以滿足不同壓氣機的需要[18]。圖3為三維標定板安裝在葉片通道內部的照片。轉子通道內部三維標定方法為：在欲測流場區(qū)域給出一束激光片光，調節(jié)三維標定板凸面至轉子通道內欲測截面，保證片光平面與標定板凸面重合；安裝機匣視窗玻璃，以三維標定板為參照，調節(jié)兩CCD相機所拍攝圖片基本為同一位置，調節(jié)Scheimpflug角，使兩臺相機照片上標定點的圖像清晰，并拍下照片；數(shù)據(jù)處理時，使用多項式算法對視場進行幾何校正，模仿雙目測距原理，根據(jù)成像幾何關系，計算粒子的空間坐標，進而算出三維速度[19]。

圖3 轉子通道內部三維光學標定Fig.3 3D optical calibration in rotor passage

4 測量結果及分析

圖像采集過程中，通過相位調節(jié)對幾個不同相位圖像進行了采集。數(shù)據(jù)處理過程中，對原始圖像進行了去背景噪聲處理，并對同一相位質量較好的圖片進行了等相位平均及坐標變換。選取15 000 r/min和21 006 r/min轉速工作點工況下較好的等相位平均結果進行分析。氣流偏轉角α=atan(Vy/Vx)，方向定義為順氣流看沿壓氣機軸線為零度，逆時針方向為正；三維速度幅值別為三維速度矢量在軸向、切向、徑向上的分量。相對坐標系下的三維速度幅值及三維速度矢量在坐標上的分量定義與絕對坐標系下的定義一致。

圖4 15 000 r/min轉速下工作點流場Fig.4 Flowfield at working point condition of 15 000 r/min

圖4為15 000 r/min轉速下工作點的三維流場測量結果。從圖4(a)中可看到，在絕對坐標系下氣流軸向進氣，進入葉片通道后流動向葉片轉動方向發(fā)生明顯偏轉，隨著流道的深入三維速度幅值增大。由圖4(b)可看出，沿葉片額線方向氣流偏轉角變化明顯，從壓力面到吸力面氣流偏轉角由順時針逐漸向逆時針轉換。結合圖4(a)中額線上速度幅值出現(xiàn)的較大變化，說明在壓氣機轉子進口處氣流的方向和大小都存在較大差異。隨著氣流深入轉子流道，由于葉片輪緣功的加入，氣流偏轉角朝順時針方向(葉片轉動方向)偏轉增大。相對坐標系下三維速度矢量分布見圖4(c)?？梢娫谙鄬ψ鴺讼迪?，氣流流動均勻，幾乎沿著流道流動；轉子通道內吸力面的速度大于壓力面的速度，且隨著流道的深入相對速度逐漸減小，符合壓氣機減速增壓原理；靠近葉片葉背處相對氣流很小，這是由于此試驗件進口無可調導葉，在低轉速時攻角較大，氣流在葉背出現(xiàn)分離，相對速度較低。從圖4(d)中徑向速度分布可更直觀地觀察三維流動，圖中的矢量是相對二維速度，背景色表示徑向速度幅值大小?？梢钥吹浇咏~片吸力面有較大的朝向葉尖的徑向速度幅值，這可能是低轉速狀態(tài)下靠近葉片吸力面形成了從葉根至葉尖的徑向潛流；通道后半部分呈現(xiàn)較大的朝向葉根的徑向速度幅值，原因可能是轉子前緣葉高大于轉子后緣葉高，試驗件流道收縮，導致流道后半部形成較大的徑向速度。

圖5為21 006 r/min轉速下工作點的三維流場測量結果。此工況下，葉尖切線速度達340 m/s，轉子通道內相對速度達跨聲速狀態(tài)。由圖5(a)及圖5(c)可看到，跨聲速狀態(tài)下轉子前緣附近產生了一道正激波，并在葉片通道后半部分存在局部超聲速區(qū)，產生了不明顯的通道內斜激波。圖5(b)直觀顯示了轉子前緣氣流遇到激波發(fā)生氣流角度偏轉時的現(xiàn)象，能更明顯地觀察到激波結構。由圖5(c)及圖5(d)可看出，高轉速下靠近葉片吸力面的徑向潛流與低轉速下的有所不同，潛流的方向從葉尖至葉根。

利用PSP對同一試驗件轉子進行測量，觀測轉子葉背表面壓力分布及激波情況。圖6為上述兩個相同工況下的PSP測量結果。隨著轉速的增高，轉子較大葉高位置靠近尾緣部分逐漸形成一個三角高壓區(qū)。推斷其原因是，由于轉速上升，尖區(qū)部分葉型在最大厚度附近氣流加速至最大速度，形成局部超聲速區(qū)，產生了不完整(未貫穿通道)的斜激波，局部氣流經激波增壓在后半部分葉型處形成局部高壓區(qū)?？梢奝IV結果與PSP結果較為一致。

圖5 21 006 r/min轉速下工作點流場Fig.5 Flowfield at working point condition of 21 006 r/min

圖6 15 000 r/min和21 006 r/min轉速下PSP測量結果Fig.6 Results of PSP measurement at 15 000 r/min and 21 006 r/min

5 結論

在國內首次實現(xiàn)了旋轉件最高物理轉速達21 006 r/min的高精度周向定位及跨聲速流場三維PIV測量。采用的技術途徑為后續(xù)壓氣機內流場可視化測量技術的深入應用發(fā)展奠定了基礎，具有較好的推廣應用價值。研究所得主要成果表現(xiàn)在：

(1)在空間狹小管路遮擋的試驗現(xiàn)場環(huán)境下，實現(xiàn)了激光光束從激光器導入試驗件流道并形成片光及壓氣機內部流場可視化。

(2)為跨聲速壓氣機內流場試驗提供的跟隨性好、分布均勻的示蹤粒子流，保證了壓氣機流道內清晰粒子圖像的獲得。

(3)數(shù)據(jù)處理后得到的葉片通道內的亞聲速及跨聲速流場結構和激波結構合理，且與PSP的測量結果相一致。

(4)經數(shù)據(jù)處理后的流場結果與實際流道尺寸相符，證明經三維標定消除像差后得到的位移數(shù)據(jù)具有較高的準確性。

(5)文中只對跨聲速壓氣機轉子某一截面的流場進行了三維PIV測試，有必要進行更全面、范圍更廣的跨聲速壓氣機內流場三維PIV測試；需研制附著性好、抑制漫反射能力強的PIV測量專用涂料，以降低葉片、機匣、下游靜子葉片、輪轂的漫反射產生的背景噪聲；進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法，得到更準確、更豐富的流場信息。