低速軸流壓氣機葉尖非定常流動試驗

高麗敏， 李永增， 劉曉東， 張帥

1.西北工業大學 動力與能源學院， 西安　710072 2.先進航空發動機協同創新中心， 北京　100083

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低速軸流壓氣機葉尖非定常流動試驗

高麗敏1, 2,*， 李永增1, 2， 劉曉東1, 2， 張帥1, 2

1.西北工業大學 動力與能源學院， 西安710072 2.先進航空發動機協同創新中心， 北京100083

利用動態壓力傳感器對一低速軸流壓氣機轉子的葉頂間隙流場進行詳細的試驗測量，通過對信號特征的分析，對壓氣機節流過程中葉頂間隙的非定常流動發展演變規律進行了研究。結果表明：壓氣機完全失速時，葉尖存在一以46.5%轉子轉速周向傳播的失速團；節流過程中，葉尖前緣處的動態壓力信號中存在非定常波動的特征頻率帶，其變化規律與葉頂流場壓力非定常波動的能量遷移有關；隨著壓氣機流量減小，葉頂泄漏流影響區域向前緣移動，失速團在葉頂前緣附近產生，并向尾緣方向擴展，最終覆蓋葉片全部弦長；近失速工況時，葉頂間隙相鄰通道內泄漏流相互作用，造成通道中的低壓區“一前一后”交替分布從而形成一個空間上周期約2個葉片通道的擾動波。

軸流壓氣機； 動態壓力； 葉頂間隙； 非定常流動； 失速

壓氣機葉頂間隙內流動復雜且表現出高度的非定常性，一直以來都是葉輪機氣動熱力學領域的研究熱點。國內外眾多的研究[1-5]表明，葉頂間隙內的非定常流動是壓氣機損失的主要來源，對壓氣機的穩定性有重要影響。針對葉頂間隙非定常流動的發生及發展規律，Jin等[6]的試驗研究發現葉頂間隙渦存在周期性非定常波動，且頻率沿流向逐漸減小；鄧向陽等[7]闡述了相似的現象，但不同的是泄漏渦非定常波動的頻率沿流向基本不變。針對葉頂間隙流動非定常性產生的原因，文獻[8-10]認為產生周向非定常波動的原因是間隙渦與相鄰葉片的周期性碰撞。吳艷輝等[11-12]的研究表明近失速工況下葉頂間隙的非定常流動是由葉尖二次渦(TSV)的活動主導和自我維持的。而Furukava等[13]認為近失速工況葉頂間隙渦的螺旋型破碎引起的自激振動使其呈現出周期性的非定常波動。除此之外，上下游葉排的干涉[14-15]以及超跨聲壓氣機中激波與泄漏流的相互干擾[16-18]等因素均對葉頂非定常流動造成影響。綜上所述，葉頂間隙非定常流動的形式及影響因素眾多，而現有的研究對其產生及發展的動力學機制尚未達成廣泛共識，因此對葉頂間隙非定常流動進行深入的研究具有重要意義。

本文使用高頻動態壓力傳感器對一單級低速軸流壓氣機轉子葉頂間隙流場進行了測量，通過分析動態壓力信號特征及流場壓力圖譜，對葉尖非定常波動在壓氣機節流過程中的發展過程進行了研究。

1　試驗裝置與測量方法

1.1軸流壓氣機試驗臺構造及參數

本試驗是在西北工業大學葉柵實驗室的單級低速軸流壓氣機試驗臺上完成的，該軸流壓氣機(如圖1所示)主要由喇叭口、進氣管道、單排轉子和靜子以及尾錐等組成。其轉子葉片數為20，葉頂間隙為1.5 mm，壓氣機內筒直徑為580 mm，輪轂比為0.6。該壓氣機由一個15 kW三相交流電機驅動，設計轉速為3 000 r/min，通過15 kW變頻器實現轉速調節。通過交流渦輪減速器調節出口尾錐開度實現對壓氣機流量的控制。

圖1　單級低速軸流壓氣機試驗臺Fig.1　Test rig of single stage low speed axial flowcompressor

1.2軸流壓氣機試驗臺測試系統

試驗臺測量系統由穩態測量系統和動態測量系統兩部分組成。穩態測量系統用于測量壓氣機穩態參數，各測量截面及測點布置如圖2所示。在進口1-1截面和出口4-4截布置靜壓孔，用于測量壓氣機進、出口靜壓；在3-3截面布置總壓探針及熱電偶，測量出口總壓、總溫；壓氣機進口大氣總壓、總溫由數字無汞氣壓計和溫度計測得。

圖2　試驗臺結構及測量截面示意圖Fig.2　Structure of test rig and measurement section

各工況對應流量由式(1)計算得到：

(1)

測量2 500 r/min下該壓氣機流量-總壓升特性線如圖3所示，該壓氣機的最大壓升為1 355 Pa，失速點的流量為5.2 kg/s，圖中數字1～14表示動態壓力測量的工況點。

圖3　2 500 r/min下流量-總壓升特性曲線Fig.3　Characteristic curve of mass flow-total pressure rise at 2 500 r/min

動態測量使用3個LQ-062-5D型和7個Kulite-XCQ-080型共10個高頻動態壓力傳感器。測量時采樣頻率為50 kHz，每個工況的采樣時間為3 s。傳感器的輸出信號經由4通道放大器進行放大，采用低通濾波器濾除高頻噪聲，最終由數據采集軟件控制信號采集器完成信號同步采集與存儲。測量中采用了光電鎖相來確定相同的采集相位。

周向布局的傳感器用于捕捉葉頂前緣位置的動態壓力信號，其布局方式為：在轉子葉片前緣，即圖2所示的2-2截面的機匣壁面上，周向間隔45° 安裝7個傳感器(如圖4所示)；弦向布局的傳感器用于捕捉葉頂間隙內的動態壓力數據，其布局方式如圖5所示，從葉頂前緣上游5 mm處到葉片尾緣交叉布置兩排共10個傳感器，兩排傳感器之間的周向距離為一個柵距，傳感器軸向間距為5 mm。

圖4　傳感器周向布局Fig.4　Circular arrangement of sensors

圖5　傳感器弦向布局Fig.5　Chordwise arrangement of sensors

2　葉頂前緣動態壓力信號分析

2.1動態壓力信號的時域分析

圖6給出了周向P2-1至P2-7傳感器相同時間內經過低通濾波處理后的壓力信號。由圖可見，當壓氣機在大流量的Condition 2(圖6(a))及Condition 9(圖6(b))工況點運轉時，壓力信號較為平整近似直線，無明顯“毛刺”出現；隨著壓氣機的流量減小，在Condition 13近失速工況點(圖6(c))，壓氣機負荷增加，各個傳感器壓力數據的波動幅值明顯升高，信號中“毛刺”增多，表明壓氣機葉頂前緣點非定常波動增強；當壓氣機工作在失速點Condition 14(圖6(d))時，“毛刺”沿著從P2-1到P2-7的圓周方向周期性傳播，此時壓氣機葉頂流場已經形成穩定傳播的失速團。由圖6(d)不難看出，失速團數目為一個，傳播速度為46.5%轉子轉速，結合圖3所示的壓氣機流量-總壓升特性線可初步判斷本試驗臺壓氣機的失速類型為模態波型失速[19]。

圖6　2-2截面7個周向位置低通濾波后的動態壓力信號Fig.6　Dynamic pressure signal of 7 circumferentialpositions at Section 2-2 after low pass filtering

2.2動態壓力信號的頻域分析

為分析動態壓力的幅頻特性，對動態壓力數據進行快速傅里葉變換(FFT)，圖7(a)～圖7(d)給出了不同工況下葉頂前緣7個測點所測動態壓力信號的幅頻圖譜。在大流量的Condition 2工況(圖7(a))，各傳感器信號轉子通過頻率(Rotor Pass Frequency, RPF)41.7 Hz及其倍頻以及葉片通過頻率(Blade Pass Frequency, BPF)833.3 Hz 清晰可見，這是由葉片掃掠和轉子旋轉所引起的。當流量減小到Condition 9工況(圖7(b))時，410 Hz附近幅值明顯增大(虛線框內)，此時非定常波動的幅值已經與葉片掃掠引起的周期性壓力波動相當。在近失速工況Condition 13(圖7(c))，特征頻率帶的中心頻率仍在410 Hz附近，覆蓋的頻率范圍和幅值較之前有所增加，反映了流場內非定常波動的增強。流量繼續減小到失速工況Condition 14時(圖7(d))，特征頻率帶的中心頻率降為約240 Hz，影響頻率范圍也明顯變窄。并且此時低頻區19.38 Hz處出現了強烈的低頻波動，結合圖6(d)，該頻率為以46.5%轉子轉速沿壓氣機周向傳播的失速團引起的波動頻率。

綜上所述，頻率帶在較大流量工況已經出現，且其幅值、帶寬、中心頻率在壓氣機節流過程中均有所改變；另外，不同周向位置的傳感器所測信號結果基本一致。

圖7　2-2截面7個周向位置動態壓力信號的頻譜Fig.7　Dynamic pressure frequency spectrum of 7 circumferential positions at Section 2-2

非定常特征頻率帶反映了流場中的非定常流動現象。為進一步分析其與壓氣機失穩的關系，圖8給出了P2-5傳感器信號在14個工況下的幅頻特性(每個信號的縱坐標尺度相同)。由圖可見，當壓氣機節流到Condition 6工況時，非定常波動的能量相對增大，特征頻率帶開始出現，隨后沿圖8中虛線所示的軌跡移動。圖9給出了特征頻率帶中心頻率、影響帶寬以及壓氣機總壓升隨流量變化的情況。由圖可見，前兩者所表現出來的變化規律與該壓氣機的壓升特性曲線相似，即隨著流量的減小，先逐漸增加，在Condition 12工況時達到最大值，之后開始逐漸減小。

圖8　傳感器P2-5所測動態壓力信號的頻譜圖Fig.8　Frequency spectrum of dynamic pressure signal measured by Sensor P2-5

圖9　總壓升及特征頻率的變化趨勢Fig.9　Trend of total pressure rise and characteristicfrequency

非定常特征頻率帶所表現出來的變化規律反映了壓氣機節流過程中葉頂前緣流場非定常波動能量變化的3個階段，即

1) 當壓氣機工作在較大流量工況(Condition 1～5)時，如圖7(a)所示，非定常波動的能量相對葉片掃掠引起的壓力變化而言小的多，因此在幅頻特性圖譜中被BPF和RPF及其倍頻淹沒。

2) 隨流量減小，葉片氣動負荷增大(葉片兩側壓差升高)造成葉頂間隙非定常流動增強，流量減小到一定程度時，非定常波動在一定的頻率范圍內表現出來，即特征頻率帶在Condition 6開始出現；隨后，非定常波動能量逐漸增大造成特征頻率幅值增大，壓力波動向高頻遷移，同時影響的帶寬有所增加。

3) 最大壓升點(Condition 12)之后，由于葉片所做的功開始逐漸向非定常波動轉移，壓氣機壓升出現下降趨勢，同時，非定常波動幅值明顯增大，造成大尺度低頻的壓力脈動開始增多，在其疊加作用下，特征頻率帶的頻率有所降低；壓氣機進一步節流，某些頻率的非定常波動相互融合疊加，從復雜的非定常波動中脫離出來，形成了失速團，并沿周向以相對穩定的速度傳播，此時壓氣機完全失速(Condition 14)，表現在幅頻圖譜中即在19.38 Hz處幅值明顯增大。此時特征頻率帶內的脈動由于失去一部分能量，頻率和影響帶寬范圍均出現明顯的減小，幅值也有所降低。

3　葉頂間隙內動態壓力信號分析

3.1動態壓力信號的頻域分析

圖10給出了幾個典型工況下沿弦向布置的10只傳感器信號的FFT結果。可以發現，所有傳感器信號中均存在與前緣所測信號相似的非定常波動特征頻率帶(圖10(b)～圖10(f)虛線框內)，但其在不同的傳感器信號中出現的時間有所不同。

比較Condition 6、Condition 8和Condition 10 3個工況的圖譜，如虛線框中所示，特征頻率帶從P4～P10傳感器(25%～100%弦長)逐漸向上游擴展至P2～P10傳感器即整個葉片弦長。該現象表明葉頂間隙流場中非定常流動影響區域在逐漸前移。

圖10　弦向布局傳感器所測動態壓力的頻譜圖Fig.10　Frequency spectrum of dynamic pressure measured by sensors along chord

在近失速的Condition 13工況時，葉片通道上游的P1傳感器也感受到了明顯的非定波動，表明此時在葉頂前緣已出現溢流現象。進入完全失速的Condition 14工況時，沿弦向布置的所有傳感器在19.38 Hz處的幅值明顯增大，這也是葉頂前緣測得的壓氣機的失速團傳播頻率。由此可知，此時失速團已經形成并覆蓋葉片全部弦長范圍。

3.2葉頂壓力圖譜分析

為獲得葉頂泄漏流軌跡等流動細節，將所測動態壓力信號進行時空變換，圖11給出了6個工況下葉頂流場的靜壓圖譜。

圖11　轉子葉頂間隙流場靜壓圖譜Fig.11　Static pressure spectrum of rotor tip clearance flow field

壓氣機運行在較大流量的Condition 5工況時，如圖11(a)所示，靜壓圖譜沿葉排方向周期性良好，葉頂間隙的泄漏流沿虛線所示軌跡向下游流出葉片通道。隨著流量減小(圖11(a)～圖11(d))，葉片兩側壓差的增大導致泄漏流周向速度分量增大，同時流量的減小造成軸向速度分量減小，這使得葉頂泄漏流的軌跡向葉片前緣方向發生偏轉；到近失速Condition 13工況時，泄漏流軌跡方向已接近平行于葉片前緣連線，這與前文對信號頻率特征的分析一致。在Condition 14工況時壓氣機已完全進入失速狀態，失速團的作用使葉頂流場變得混亂。

值得注意的是，圖11(d)所示的Condition 13近失速工況時，由于相鄰通道內的葉頂泄漏流相互作用，造成其軸向位置有所變化，受葉頂泄漏流作用形成的低壓區沿軸向呈現出 “一前一后”交替分布的規律，該現象與文獻[8，20]的研究結果類似。由于這一現象的存在，在近失速工況時，葉頂間隙流場中沿圓周方向形成了一空間周期約兩個葉片通道的擾動波，這也是該工況下非定常特征頻率帶(圖7(c))集中在約0.5 BPF(410 Hz)附近的原因。

4　結　論

以單級低速軸流壓氣機試驗臺為研究對象，采用高頻壓力傳感器，對多個工況下的轉子葉頂機匣壁面動態壓力進行了詳細的測量與分析。

1) 試驗結果發現，2 500 r/min下該壓氣機在失速時葉頂間隙中存在一個周向傳播速度為46.5%轉子轉速(約19.38 Hz)的失速團。

2) 對葉頂前緣處的動態壓力信號分析結果表明：葉頂間隙中的非定常波動能量在壓氣機節流的不同階段發生遷移，非定常波動的中心頻率、幅值、影響帶寬均隨流量按一定規律變化。

3) 對葉頂間隙弦向動態壓力頻譜分析表明：壓氣機節流過程中，葉頂間隙中的非定常波動影響區域從尾緣向前緣移動。

4) 對動態壓力進行時空轉換獲得了壓氣機轉子葉頂機匣壁面的靜壓圖譜，結果表明：近失速工況時，葉頂間隙相鄰葉片通道泄漏流相互作用，造成通道內的低壓區在軸向“一前一后”交替分布，從而在圓周方向形成空間周期為兩個葉片通道的非定常動波，這也是該工況下0.5 BPF處非定常頻率帶出現的原因。

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高麗敏女， 博士， 教授， 博士生導師。主要研究方向： 航空與民用葉輪機械復雜流場及氣動性能的數值仿真及測量技術、 高效節能葉輪機械設計、 計算流體力學理論及其在復雜結構中的工程應用、 流動顯示技術等。

Tel: 029-88495022

E-mail: gaolm@nwpu.edu.cn

李永增男， 碩士研究生。主要研究方向： 葉輪機械氣動熱力學。

E-mail: luckybuwai@163.com

Test of unsteady flow in the tip clearance of low speedaxial flow compressor

GAO Limin1,2,*, LI Yongzeng1,2, LIU Xiaodong1,2, ZHANG Shuai1,2

1. School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an710072, China 2. Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine, Beijing100083, China

The flow field in the blade tip clearance of a low-speed axial compressor rotor is measured in detail using high frequency dynamic pressure sensors. The study of the development of the unsteady flow in tip leakage when the compressor throttles to stall has been carried out by analyzing the signal characteristic. The results show that there is a stall cell in the tip clearance and it rotates along the circumferential direction by 46.5% of rotor speed when the rotor gets stalled. When the compressor throttles, a characteristic frequency band appears and it changes according to the energy transformation of unsteady pressure fluctuations in the leading edge of the blade tip. With the flow mass decreasing, tip leakage flow moves forward to the leading edge. A stall cell arises near the leading edge and extends to the trailing edge, eventually covers the whole blade chord length; under the condition of being near stall, low pressure areas in the tip clearance exhibit a “front-back” alternative distribution in channels due to the interaction of the tip leakage flow in adjacent channels. Finally, a disturbance wave forms in the circumferential direction, and its scale is about two blade channels.

axial flow compressor; dynamic pressure; tip clearance; unsteady flow; stall

2016-01-14； Revised： 2016-02-17； Accepted： 2016-03-22； Published online： 2016-04-1213:05

s： National Natural Science Foundation of China (51236006, 51476132)

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2016-01-14； 退修日期： 2016-02-17； 錄用日期： 2016-03-22；

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10.7527/S1000-6893.2016.0099

V231.3

A

1000-6893(2016)08-2614-09

引用格式： 高麗敏， 李永增， 劉曉東， 等． 低速軸流壓氣機葉尖非定常流動試驗[J]． 航空學報, 2016, 37(8): 2614-2622. GAO L M, LI Y Z, LIU X D, et al. Test of unsteady flow in the tip clearance of low speed axial flow compressor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(8): 2614-2622.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160412.1305.002.html