某小型軸流壓氣機轉子尖區流動測量

萬釬君，石小江，李 浩，陳洪敏

(中國燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

2 試驗件及試驗設備簡介

現階段，航空燃氣輪機的進一步發展，在很大程度上要依賴于作為其核心部件的高性能葉輪機的發展和研制[1]。轉子葉尖泄漏流對葉輪機械的性能影響很大，研究葉尖泄漏流動，認識葉輪機械內的流動機理，對提高葉輪機性能和改進壓氣機設計具有至關重要的作用。而現有的葉輪機主要集中于利用常規測試手段進行整體性能試驗，對葉輪機內部非定常流動測試開展得較少，這不利于對葉輪機內部流動過程的認識和高性能壓氣機的研制。

本文利用壁面動態壓力測量方法，結合等相位平均數據處理方法，得出了某小型軸流壓氣機轉子尖區流場結構。其對測量方法和數據處理方法的探索可為壓氣機非定常流測試的進一步開展打下基礎，而試驗數據可為壓氣機改進設計提供參考。

試驗在某特種測試驗證試驗臺上進行。該試驗臺為用于葉尖間隙測量、紅外高溫測量等特種測試設備校準研究和進行遙測、轉子葉尖間隙測量、壓氣機級間流場、葉尖間隙流場測量技術等基礎研究的試驗測試技術驗證平臺。

試驗件是一小型兩級軸流壓氣機，一級轉子葉片為20片，二級轉子葉片為22片，設計轉速為12200 r/min。試驗件一級轉子葉片通過頻率為4.066kHz，二級轉子葉片通過頻率為4.473 kHz，要測量葉尖壁面的動態壓力分布，測試系統總頻響應達25kHz以上。

3 測試方法

3.1 壁面測壓管腔的設計及動態標定

本次試驗選用XTE-140-25D微型壓差傳感器，取靜壓孔孔徑為0.5 mm，孔深為1.5 mm，其軸線與壁面垂直。為保證傳感器穩定地安裝在機匣上，設計了相應的安裝座。傳感器如圖1所示采用螺紋連接方式安裝在傳感器安裝座上。

圖1 壁面靜壓孔設計Fig.1 Static pressure hole

測壓管腔頻響標定試驗在φ100標定激波管上進行，標定結果表明，前端測壓管腔具有較高的固有頻率，能滿足壁面動態壓力測量要求。

3.2 測點分布及動態測試系統配置

由于該小型軸流壓氣機的轉子葉片葉型較小，要真實測量轉子尖區的流動，需盡可能多地布置弦向測點，因此采用分兩排沿對應葉尖葉型弦長在機匣壁面布置靜壓測點的方法，各排布點之間的距離為一個葉片通道寬度。測點位置分布示意圖如圖2所示：一級轉子從葉片前緣到后緣共10個測點，轉子葉片前方測2點，后方測1點；二級轉子從葉片前緣到后緣共8個測點，轉子葉片前方測2點，后方測1點。

動態壓力傳感器輸出電壓信號的放大采用16通道PRESTON 8300AU信號放大器，數據采集用Odyssey高速數據采集系統，保證每個槽道采集數據至少在22點以上。

圖2 轉子壁面動態靜壓測點分布Fig.2 The static pressure measure spot in the second rotor stage

4 數據處理方法簡介

試驗中將轉速負脈沖信號與壓力測量信號一起接入采集系統，當轉速調至指定轉速后進行數據記錄，一個狀態保存為一個文件，在試驗前保存了零點文件。最后對從尼高力采集系統中導出的ASCII碼數據文件格式試驗數據進行處理。

用VC++語言編制了數據后處理程序，其流程為：打開某級轉子某一狀態的數據文件，找出轉速負脈沖的下降沿，并以此作為相位起始點截取3個槽道的數據。為排除由于試驗件加工誤差、轉子轉速不均勻和其它干擾的影響，按上述方法截取32次采集數據進行等相位平均，然后對平均后的數據進行去零點處理，再將數據沿葉片安裝角方向移位，確定各數據點的坐標，生成數據文件并存盤。數據處理流程見圖3。

圖3 數據處理流程圖Fig.3 Data process program

5 試驗結果分析

圖4(a)～圖4(f)分別為一級轉子葉尖在n=80%、85%、90%、95%、98.36%、100%六個狀態的等壓圖(圖中，橫坐標代表葉片周向，縱坐標代表葉片軸向；下同)。由各圖可知，在靠近葉盆處壓力高，靠近葉背處壓力低，由葉尖間隙節流所產生的這種壓力差是葉尖泄漏流產生的主要原因。在葉片前緣吸力面逆壓梯度明顯，是泄漏流的起始點。在葉片前緣壓力面有一相對高壓區，應該是前緣阻滯造成的，隨著轉速的上升，此高壓區壓力有減小的趨勢，轉速達90%以上后此相對高壓的影響區域也減弱。葉尖泄漏作用引起壁面靜壓的降低，形成從前緣擴展到基元通道內部的低壓區，泄漏渦影響區域隨流向擴大并向葉盆方向發展，至大約1/3弦長影響區域最大，隨后泄漏流向葉盆方向的發展區域沿下游慢慢縮小，反映了泄漏渦的脫落與擴散。

圖4 不同轉速下一級轉子葉尖的等壓云圖Fig.4 Contours of pressure in the first stage rotor blade tip with different rotational speeds

圖5 不同轉速下二級轉子葉尖的等壓云圖Fig.5 Contours of pressure in the second stage rotor blade tip with different rotational speeds

圖5(a)～圖5(f)為二級轉子葉尖在n=80%、85%、90%、95%、98.36%、100%六個狀態的等壓圖。從圖中看，其泄漏現象與一級轉子的相似，葉尖泄漏流從前緣開始，至大約1/3弦長處影響區域達到最大，然后逐漸縮小，至弦長2/3處泄漏流動降至最弱。氣流經一級轉子、一級靜子增壓導流后，壓力上升，流經二級轉子前緣的氣流阻滯現象有所改善。葉片后半段氣流由于轉子的增壓作用形成高壓區，接近轉子出口時，壓力有所下降。

圖6(a)～圖6(c)分別為在出口1/3節流后二級轉子葉尖在n=80%、85%、90%三個狀態的等壓圖。從圖中看，其結果與二級轉子穩定工況的結果有明顯的差別。在節流狀態下，由于出口氣流受阻，槽道內壓力升高，葉片前部負荷很大，引起葉片前緣更強的逆壓梯度，從而形成更強的泄漏流動。由于葉尖順葉背高壓區影響的上移，葉尖泄漏的影響區域主要集中在葉片前端，泄漏流至1/3弦長處已減至最弱。氣流堵塞引起葉尖順葉背高壓區影響向上游推進，在上游近葉盆面形成一小范圍高壓區。

圖6 出口節流后二級轉子葉尖的等壓云圖Fig.6 Contours of pressure in the second stage rotor blade tip with the exit section throttled

6 結論

(1)試驗結果顯示，葉尖泄漏流動起始于轉子前緣，影響幾乎覆蓋整個葉片通道，節流狀態下葉尖泄漏影響區域重心向上游移動，致使葉片前緣負荷增大。

(2)試驗成功地獲取了某小型軸流壓氣機轉子葉尖間隙流場結構，其結果為小型壓氣機及高速壓氣機內流研究打下了一定的技術基礎。

(3)由于各種原因，此次試驗前僅對前端管腔進行了動態標定，在以后類似研究中，應對整個測試系統的動態特性進行標定，確定整個測試體系的動態數學模型。

(4)跨聲壓氣機轉子葉尖泄漏流與激波干涉及其對壓氣機性能影響的研究對提高高速壓氣機性能及設計改進有積極意義，可在現有基礎上進一步開展。

[1]喬渭陽，敬 睿.葉輪機動態參數測試技術[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]Zierke W C，Farrel K J，Straka W A.Measurement of the Tip Clearance Flow for a High Reynolds Number Axialflow Rotor: Part II—Detailed Flow Measurements[R].ASME 94-GT-454，1994.

[3]馬宏偉，蔣浩康.從端壁動態壓力場看壓氣機轉子尖區流動[J].工程熱物理學報，2000，21(1)：42—45.

[4]姜 桐，吳克啟.葉輪機械內部流動實驗分析方法[M].北京：機械工業出版社，1989.