林顯巧，胡 駿，王佳宇，李 駿

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

0 引言

由于固有的強(qiáng)逆壓力梯度、強(qiáng)非定常、高度3維性等特點(diǎn)，多級(jí)高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)很困難。要想進(jìn)一步提高高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)水平，則需要對(duì)其內(nèi)部的詳細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)確的認(rèn)知。然而高壓壓氣機(jī)后面級(jí)處于高壓高溫的環(huán)境中且具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)，開展其內(nèi)部流場(chǎng)的詳細(xì)測(cè)量難度大，周期長(zhǎng)，成本高[1]，因此通常采用低速模擬試驗(yàn)的方法來模擬高壓壓氣機(jī)被模擬級(jí)的主要流動(dòng)特征。

針對(duì)高壓壓氣機(jī)的低速模擬，美英等國家做了大量工作，技術(shù)較為成熟。GE公司的Wisler[2-3]對(duì)E3高壓壓氣機(jī)出口級(jí)進(jìn)行低速模擬，推動(dòng)了E3高壓壓氣機(jī)的發(fā)展；英國的Lyes等[4-6]對(duì)5級(jí)高壓壓氣機(jī)C147的第4級(jí)開展了低速模擬試驗(yàn)，證實(shí)了試驗(yàn)的可靠性。在國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)提出用于高壓壓氣機(jī)低速模擬的“模擬準(zhǔn)則”[7-8]，并通過多輪低速模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了該“模擬準(zhǔn)則”的正確性[9-11]。低速模擬試驗(yàn)是揭示高壓壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和總壓損失機(jī)理，檢驗(yàn)高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而低速壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)與測(cè)量水平又是決定低速模擬試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵因素，因此發(fā)展能夠準(zhǔn)確獲得低速軸流壓氣機(jī)模擬級(jí)的性能參數(shù)，深入了解壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)細(xì)節(jié)及主要損失機(jī)制的測(cè)量方法尤為重要。4、5孔探針等氣動(dòng)探針結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便捷，能夠得到測(cè)量點(diǎn)總壓、靜壓、速度矢量等多個(gè)流場(chǎng)參數(shù)，在現(xiàn)階段葉輪機(jī)械3維流場(chǎng)測(cè)量中被廣泛采用。Gilarranz J L[12]使用1根5孔探針對(duì)1臺(tái)多級(jí)離心壓縮機(jī)的級(jí)間流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，并與CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較；Lakshminarayana B[13]使用1根微型5孔探針對(duì)3級(jí)軸流壓氣機(jī)的第2級(jí)靜子出口進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量，得到出口處速度、壓力等參數(shù)的分布；閆久坤[14]建立了1個(gè)5孔探針測(cè)量系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于壓氣機(jī)級(jí)間參數(shù)測(cè)量；張曉東[15]利用5孔探針對(duì)渦輪導(dǎo)向器出口流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)端區(qū)流場(chǎng)存在較強(qiáng)的旋渦結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)階段氣動(dòng)探針多用于葉輪機(jī)械葉片進(jìn)、出口截面的流場(chǎng)測(cè)量，而關(guān)于氣動(dòng)探針在葉片通道內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量上的應(yīng)用鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。多級(jí)低速壓氣機(jī)靜子葉片尺寸較大，允許具有較長(zhǎng)尺寸探頭的L型5孔探針在通道內(nèi)移動(dòng)，本文發(fā)展了1種能夠深入了解低速壓氣機(jī)靜子通道內(nèi)的流場(chǎng)細(xì)節(jié)及主要損失機(jī)制的測(cè)量方法（即使用1根4孔探針和1根L型5孔探針同時(shí)對(duì)靜子進(jìn)口截面和通道內(nèi)某個(gè)軸向截面進(jìn)行測(cè)量），并完成了某4級(jí)低速軸流壓氣機(jī)的第3級(jí)靜子進(jìn)、出口及通道內(nèi)截面的3維流場(chǎng)測(cè)量。

1 試驗(yàn)對(duì)象及測(cè)量設(shè)備

1.1 低速壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)4級(jí)低速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)（如圖1所示）由進(jìn)口喇叭口、進(jìn)氣管道、整流罩、壓氣機(jī)試驗(yàn)件、蝸殼、電機(jī)、電動(dòng)閥門、排氣管道、支撐小車等部件組成。試驗(yàn)所用壓氣機(jī)為帶進(jìn)口導(dǎo)向葉片的4級(jí)重復(fù)級(jí)低速壓氣機(jī)，模擬級(jí)為壓氣機(jī)的第3級(jí)，進(jìn)口導(dǎo)向葉片、轉(zhuǎn)子、靜子的葉片數(shù)分別為60、64、84。該壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為900 r/min，轉(zhuǎn)速的控制精度為±1 r/min。

圖1 低速軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

1.2 位移機(jī)構(gòu)

為了測(cè)量各截面不同位置處的流場(chǎng)參數(shù)，需要通過1個(gè)位移機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)測(cè)量探針。位移機(jī)構(gòu)具有3個(gè)自由度，既可以帶動(dòng)探針上下或者左右移動(dòng)，也可以帶動(dòng)探針繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。其上下、左右的行程均為150 mm，重復(fù)定位精度為±0.1 mm，旋轉(zhuǎn)角度為360°，精度為0.1°。該位移機(jī)構(gòu)如圖2所示。在壓氣機(jī)機(jī)匣上每個(gè)葉排的出口都有1個(gè)位移機(jī)構(gòu)安裝座，測(cè)量時(shí)把位移機(jī)構(gòu)安裝在安裝座上，然后控制位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)探針移動(dòng)，此次試驗(yàn)僅使用第3級(jí)轉(zhuǎn)子和靜子后的位移機(jī)構(gòu)安裝座。

圖2 位移機(jī)構(gòu)及安裝座

1.3 測(cè)量探針及壓力采集裝置

為了測(cè)量靜子進(jìn)、出口截面及通道內(nèi)不同軸向截面的氣動(dòng)參數(shù)，依據(jù)靜子的軸向弦長(zhǎng)和位移機(jī)構(gòu)安裝座與靜子尾緣之間距離，設(shè)計(jì)了2根相同結(jié)構(gòu)的4孔探針和6根含有不同長(zhǎng)度探頭的L型5孔探針，具體結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

圖3 4孔探針結(jié)構(gòu)

圖4 5孔探針結(jié)構(gòu)

由于5孔探針錐形探頭的直徑d=3 mm，其橫截面積只占葉片通道面積的0.47%，因此5孔探針對(duì)靜子通道的堵塞可以忽略，滿足測(cè)量要求。

4、5孔探針的標(biāo)定均在南京航空航天大學(xué)的平面葉柵風(fēng)洞上進(jìn)行，具體的標(biāo)定流程及方法見文獻(xiàn)[11]，探針角度的測(cè)量精度約為±1°，壓力的測(cè)量精度約為±0.2%。

在試驗(yàn)過程中，各測(cè)量孔的壓力由DTCnet差壓式壓力掃描閥系統(tǒng)采集，該系統(tǒng)尺寸小，響應(yīng)快，可靠性好，壓力測(cè)量精度為量程的±0.05%，即±3.5 Pa。

2 試驗(yàn)測(cè)量方案

2.1 靜子進(jìn)、出口截面測(cè)量

由于相鄰葉排之間軸向間隙小，考慮到采用5孔探針對(duì)模擬級(jí)靜子進(jìn)口（模擬級(jí)轉(zhuǎn)子出口）進(jìn)行測(cè)量容易產(chǎn)生安全隱患，故靜子進(jìn)、出口截面的流場(chǎng)測(cè)量統(tǒng)一使用位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)4孔探針來完成。

靜子出口截面周向布置19個(gè)測(cè)點(diǎn)，徑向布置18個(gè)測(cè)點(diǎn)，總測(cè)點(diǎn)數(shù)為342個(gè)，如圖5所示。由于端壁區(qū)域的流場(chǎng)變化較劇烈，為了獲取端壁處的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，對(duì)上下端壁附近的測(cè)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密?？紤]到安全因素，探針需與轉(zhuǎn)軸留有一定間隙，因此徑向測(cè)點(diǎn)分布為 6.7%～98.9%葉高，周向測(cè)量范圍為1個(gè)靜子葉片柵距。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的結(jié)論，下游靜子的勢(shì)擾動(dòng)可能引起轉(zhuǎn)子出口穩(wěn)態(tài)測(cè)量值的周向不均勻，在測(cè)量轉(zhuǎn)子出口（靜子進(jìn)口）的流場(chǎng)時(shí)，不只是測(cè)量1條徑向線，也按照?qǐng)D5的測(cè)點(diǎn)分布進(jìn)行測(cè)量。

由于探針的偏航角和俯仰角標(biāo)定范圍皆為±30°，且偏航角和俯仰角在±12°的范圍內(nèi)，探針的精度更高[11]，為了減小探針與氣流之間的夾角，獲取更準(zhǔn)確的測(cè)量值，探針在安裝時(shí)需要給定預(yù)偏角。通過2維通流設(shè)計(jì)結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子出口的絕對(duì)氣流角沿徑向的分布值均在55°附近，因此給定探針的預(yù)偏角為55°。同理，在測(cè)量靜子出口截面時(shí)，給定探針的預(yù)偏角為25°。

圖5 靜子進(jìn)出口截面測(cè)點(diǎn)分布

2.2 靜子通道內(nèi)不同截面的流場(chǎng)測(cè)量

與靜子進(jìn)、出口截面測(cè)量類似，靜子通道內(nèi)的測(cè)量通過位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)5孔探針進(jìn)行。對(duì)于每個(gè)軸向測(cè)量截面，分布342個(gè)測(cè)點(diǎn)（19×18），上下端壁測(cè)點(diǎn)區(qū)域也進(jìn)行加密。由于靜子通道兩側(cè)靜子葉片的限制及L型5孔探針的探頭具有3mm的直徑，靜子通道內(nèi)各軸向截面的測(cè)量范圍會(huì)比進(jìn)口截面的測(cè)量范圍小。靜子通道內(nèi)各測(cè)量截面的相對(duì)軸向弦長(zhǎng)位置見表1，各測(cè)量截面在靜子通道內(nèi)的分布如圖6所示。從圖中可見，靜子通道內(nèi)的測(cè)量區(qū)域占據(jù)靜子通道的70%。

表1 靜子通道內(nèi)測(cè)量截面的相對(duì)軸向弦長(zhǎng)位置

在課題組此前的低速試驗(yàn)過程中，靜子通道內(nèi)截面與靜子進(jìn)口截面的數(shù)據(jù)不是在同一次試驗(yàn)中測(cè)得，因而會(huì)出現(xiàn)2個(gè)測(cè)量截面所處狀態(tài)點(diǎn)不完全一致的情況（包括流量系數(shù)和轉(zhuǎn)速等參數(shù)存在微小偏差），在計(jì)算總壓恢復(fù)系數(shù)等需要2個(gè)截面數(shù)據(jù)得出的參數(shù)時(shí)，需要通過修正方法去修正一些截面的參數(shù)，給結(jié)果帶來誤差。

因此，為了更為準(zhǔn)確地獲取靜子通道內(nèi)各軸向截面的總壓恢復(fù)系數(shù)分布，與文獻(xiàn)[11]不同，在對(duì)靜子通道內(nèi)每個(gè)軸向截面進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，也對(duì)靜子進(jìn)口截面進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過程中，2種探針在不同葉片通道內(nèi)，前后探針之間不會(huì)相互干擾。

圖6 第3級(jí)靜子通道內(nèi)測(cè)量截面分布

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 進(jìn)、出口截面流動(dòng)參數(shù)徑向分布分析

將4孔探針測(cè)得的靜子進(jìn)、出口截面同一徑向位置各測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行周向質(zhì)量平均處理，得到各參數(shù)沿徑向的分布。

在設(shè)計(jì)流量系數(shù)下靜子總壓損失系數(shù)沿徑向的分布如圖7所示。圖中紅色線為試驗(yàn)測(cè)量值，藍(lán)色線為S2設(shè)計(jì)值。從圖中可見，靜子的損失主要集中在葉尖60%相對(duì)葉高以上的區(qū)域，在該區(qū)域試驗(yàn)值均高于設(shè)計(jì)值；而對(duì)于60%相對(duì)葉高以下的區(qū)域，總壓損失系數(shù)變化平緩，試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值較為貼合。靜子葉尖損失大與一定程度的分離有關(guān)，試驗(yàn)所獲得的擴(kuò)散因子分布如圖8所示。從圖中可見，靜子葉尖的擴(kuò)散因子明顯高于根部，這是造成葉尖損失較大的原因。S2設(shè)計(jì)的擴(kuò)散因子大致呈現(xiàn)“C”型分布，兩端數(shù)值與中徑處較為接近，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，S2設(shè)計(jì)過高估計(jì)了根部的擴(kuò)散因子。

圖7 第3級(jí)靜子總壓損失系數(shù)徑向分布

圖8 第3級(jí)靜子擴(kuò)散因子徑向分布

在設(shè)計(jì)流量系數(shù)下靜子攻角試驗(yàn)值與S2設(shè)計(jì)值的徑向分布的對(duì)比如圖9所示。從圖中可見，S2設(shè)計(jì)時(shí)靜子葉尖和葉根采用負(fù)攻角設(shè)計(jì)，而試驗(yàn)測(cè)量值只在60%相對(duì)葉高以下區(qū)域與設(shè)計(jì)值比較吻合，在60%相對(duì)葉高以上由于進(jìn)口存在一定的流動(dòng)堵塞而使氣流軸向速度有所減小，攻角增大，從而使損失增大。

圖9 第3級(jí)靜子攻角徑向分布

3.2 靜子通道內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

馬赫數(shù)在靜子通道內(nèi)不同測(cè)量截面的分布及馬赫數(shù)在各測(cè)量截面的徑向分布曲線分別如圖10、11所示。從圖中可見，在大部分區(qū)域流體的流動(dòng)情況都比較好，從進(jìn)口到出口能夠體現(xiàn)靜子減速增壓的作用。從第3個(gè)截面（61%相對(duì)軸向弦長(zhǎng)位置）開始，在靜子葉片吸力面與外機(jī)匣所形成的角區(qū)附近出現(xiàn)了尺度較小的低速區(qū)，且該區(qū)域的馬赫數(shù)變化梯度較大，表明在此位置靜子吸力面的角區(qū)分離已經(jīng)形成。隨著向下游的發(fā)展，低速區(qū)的范圍不斷增大，在出口截面上低速區(qū)的范圍發(fā)展到最大，低速區(qū)的范圍約占葉高的40%。角區(qū)的分離流在離開靜子通道后會(huì)與尾跡、主流進(jìn)行摻混，造成更大范圍的低速區(qū)，帶來很大的總壓損失。

圖10 第3級(jí)靜子通道內(nèi)各測(cè)量截面的馬赫數(shù)分布

圖11 第3級(jí)靜子通道內(nèi)各測(cè)量截面馬赫數(shù)徑向分布

定義軸向渦量

式中：Vx、Vy分別為空氣的絕對(duì)速度在水平和豎直方向上的分量。

在設(shè)計(jì)流量系數(shù)狀態(tài)下試驗(yàn)測(cè)得的低速壓氣機(jī)第3級(jí)靜子葉片通道內(nèi)各截面軸向渦量分布如圖12所示。從圖中可見，在測(cè)量截面的上方區(qū)域出現(xiàn)1個(gè)通道渦，隨著向下游的發(fā)展，該通道渦的影響范圍逐漸增大，渦核緊貼外機(jī)匣。由于靜子葉片吸力面附面層逐漸增厚，同時(shí)受到逆壓力梯度影響，從第3個(gè)截面開始，吸力面與外機(jī)匣形成的角區(qū)發(fā)生流動(dòng)分離，形成1個(gè)與通道渦旋向相反的角渦。隨著向下游的推進(jìn)，該角渦不斷與主流發(fā)生摻混，尺度隨之增加，并且不斷排擠附近的通道渦，使通道渦向葉中吸力面區(qū)域發(fā)展，增大了通道渦的徑向范圍。在角渦推動(dòng)通道渦的過程中，由于2個(gè)渦的旋向相反，在2個(gè)渦的接觸面上會(huì)有很強(qiáng)的能量耗散，造成很大的總壓損失。

根據(jù)靜子進(jìn)口截面測(cè)量所得到的總壓徑向分布及靜子通道內(nèi)各軸向截面測(cè)量得到的總壓，給出設(shè)計(jì)點(diǎn)流量系數(shù)狀態(tài)下靜子通道內(nèi)各截面的總壓恢復(fù)系數(shù)分布，如圖13所示?？倝夯謴?fù)系數(shù)能直接反映流場(chǎng)中的總壓損失，靜子通道內(nèi)的60%相對(duì)葉高以下區(qū)域流動(dòng)狀態(tài)較好，因而呈現(xiàn)很好的總壓恢復(fù)能力。從第1個(gè)截面開始，葉尖就出現(xiàn)1個(gè)總壓損失區(qū)，隨著向下游發(fā)展，總壓損失區(qū)的徑向范圍越來越大，這與圖12中通道渦的發(fā)展趨勢(shì)一致。對(duì)于靜子通道內(nèi)每個(gè)軸向截面，總壓損失區(qū)的徑向范圍會(huì)比高渦量區(qū)的略大，這是因?yàn)樯贤ǖ罍u、上端壁附面層會(huì)與主流摻混，增大總壓損失區(qū)的范圍。從第3個(gè)截面開始，葉片吸力面與機(jī)匣構(gòu)成的角區(qū)出現(xiàn)了藍(lán)色的高損失區(qū)，其發(fā)展過程與圖10中分離區(qū)域的發(fā)展過程一致，說明葉尖角區(qū)分離的不斷發(fā)展是造成葉尖區(qū)域總壓損失的主要因素。

圖13 第3級(jí)靜子通道內(nèi)各測(cè)量截面的總壓恢復(fù)系數(shù)分布

圖12 第3級(jí)靜子通道內(nèi)各測(cè)量截面的軸向渦量分布

從圖10、12、13中可見，從第3個(gè)截面開始，葉片吸力面與機(jī)匣構(gòu)成的角區(qū)發(fā)生分離，隨著向下游發(fā)展，角區(qū)分離流與主流之間不斷摻混，造成低速區(qū)、高損失區(qū)的徑向范圍不斷增加；在出口截面上，低速區(qū)和高損失區(qū)的范圍達(dá)到最大，徑向范圍為60%相對(duì)葉高以上；在60%相對(duì)葉高以下區(qū)域，靜子通道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)良好，沒有低速區(qū)、高渦量區(qū)、高損失區(qū)，這與圖7示出的靜子徑向總壓損失分布一致。

4 結(jié)論

本文使用2根4孔探針和6根L型5孔探針完成了多級(jí)低速壓氣機(jī)第3級(jí)靜子進(jìn)、出口及通道內(nèi)截面的流場(chǎng)測(cè)量，得到如下結(jié)論：

（1）模擬級(jí)靜子通道內(nèi)損失主要集中在葉尖區(qū)域，角區(qū)分離的不斷發(fā)展是造成總壓損失增大的最主要因素。

（2）靜子通道內(nèi)截面的測(cè)量揭示了流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)及渦的發(fā)展過程，證明了本文提出的測(cè)量方法在多級(jí)低速壓氣機(jī)靜子通道流場(chǎng)測(cè)量方面具有工程應(yīng)用價(jià)值。