毫米级平面叶栅的PSP测量

曹传军,黄国平,

(南京航空航天大学微型发动机研究所,南京 210016)

0 引 言

微型涡轮发动机(MTE)是一种新兴的动力装置,具有广阔的军民用前景。微叶轮作为核心部件,其设计的优劣直接影响着MT E的性能。目前对微叶轮的研究还处于探索阶段,且由于微叶轮的特征尺寸在厘米甚至毫米级[1-2],按照常规叶轮设计方法设计出的微叶轮效率较低。而改进设计所必需的实验测量环节在采用传统测压技术时遇到了尺度限制,在毫米级的尺度上加工足够数量的静压孔或预埋压力传感器相当困难,且改变了微叶轮表面形貌,对流场产生较大影响,无法藉此获得详实的实验数据来指导微叶轮的设计,对MTE的性能提高产生了很大的阻碍。

针对传统测压技术的不足,上世纪90年代以来,一种非接触式压力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint,PSP)测压技术越来越受到世界各国航空航天界的重视[3-6]。它与传统的压力测量技术相比,具有显著的优点：第一,获得的数据比传统的测量技术丰富,可以获得整个模型表面的压力;第二,涂层较薄,对流场特性的影响较小;第三,空间分辨率高,可以应用于微小模型表面压力的测量;第四,涂料的响应时间较短,可以测量一定频率范围内的非定常流压力变化。国外对PSP测压技术进行了大量研究和改进,已成功将其应用在高超声速、低温、低速流场和旋转机械中,得到了常规测压手段无法获得的实验数据。国内起步较晚,技术相对不成熟,中国航空工业空气动力研究院在这方面做了一些尝试,测量了L-8全机模型的表面压力[7]。但是目前国内外还未看到PSP测压技术在毫米级叶片表面测量应用的报道。

PSP测压技术具有的空间分辨率(0.1mm量级)和压力分辨率(30～100Pa)足够满足毫米级叶片表面的压力测量需求,作者研究将PSP技术应用在毫米尺度涡轮平面叶栅压力测量领域,设计了一套可拆卸式毫米级平面叶栅实验段,利用PSP技术测量了有/无叶尖间隙和不同来流速度条件下叶背表面的压力分布,开拓了PSP新的应用领域,同时为设计高效率的微叶轮提供了一种很有潜力的实验技术。

1 PSP测压技术

PSP测压是基于氧猝灭效应的原理,用适当波长的激励光照射PSP中荧光分子时,荧光分子吸收能量后从基态跃迁到激发态,处于激发态的分子会自发从激发态衰减到基态,发出比激励光波长更长的光,当处于激发态的荧光分子与处于基态的氧分子相遇时,氧分子会夺取处于激发态涂料分子的能量并使其返回基态而不发出光子。通过标定将压力与涂料物质的光强关系准确的测量下来,就可以根据测得的某处光强得到该处的压力。

PSP测量精度受温度影响较大,随着温度的升高,涂料分子受激后从激发态跃迁至基态时可能不发出光子,发生温度猝灭效应,使得测得的光强值偏低;另外温度也影响着氧气分子在基底涂层内的扩散能力。其他影响PSP测量精度的因素有：图像采集设备的噪音、模型的变形和移位、标定的偏差和光源不稳定性等[8]。

2 实验系统介绍

2.1 压敏涂料测压系统

压敏涂料测压系统主要包括：激励系统、图像采集系统、滤光系统、压力敏感涂料及后处理软件(如图1)。激励系统采用阵列LED光源,输出光波长405nm;图像采集系统为美国Cooke公司的PCO.1600型高敏感相机及配套采集软件;滤光系统包含三种波长,可以通过550nm、610nm和645nm光;压敏涂料是购自美国ISSI公司的UF405型涂料,此涂料在405nm波长光激励下辐射出610nm波长光,涂料的压力敏感度高且温度影响较小。涂料的压力分辨率为30～100Pa,空间分辨率与涂层厚度有关,约是涂层厚度的3～4倍,此涂料涂层厚度在0.015～0.02mm,所以空间分辨率在0.08mm量级,因此作者采用的压敏涂料测压系统能够满足毫米级叶栅表面压力的测量需求。实验前首先进行涂料的标定,得到光强比和压力比的对应关系,实验时通过图像采集系统采集参考压力情况下(通常为1×105Pa)和实验状态时模型表面的光强值,将标定结果带入到后处理软件中,从而根据采集到的模型表面光强比得到模型表面二维压力值,最后建立三维模型,通过插值的方法将二维压力值转换为模型三维表面压力值。

图1 PSP测压系统组成图Fig.1 PSP pressure measurement system

建立压敏涂料测压系统测量毫米级叶栅叶背表面压力时,解决了几个关键问题：(1)激励光源问题。在使用单个光源对叶栅叶背表面进行激励时,靠近端壁角落的地方可能无法被激励或者激励不完全,影响测量的准确性。针对这一问题,自主开发了多个阵列LED光源,每个光源由144个发光二极管组成,功率15W,采用多个激励光源进行照射,端壁角落区域可以被激励到,增加了叶背表面的被激励面积;(2)图像采集系统分辨率问题。图像采集系统硬件的像素有限,在测量毫米尺度表面时分辨率不够,因此在图像采集系统前加装了GL-99型高性能连续变倍体视显微镜,放大倍数6.5～90,有效地提高了图像采集系统的分辨率(如图2);(3)微小叶片表面喷涂方法的研究。叶片表面涂层质量影响测压系统的准确性,特别是尺寸微小化之后。为了使叶背表面喷涂均匀,专门设计了一套转动夹持机构,喷涂过程中保持喷枪位置不变,均匀转动夹持机构,使得叶片表面能够喷涂均匀(如图3)。喷涂过程中,涂料的雾化效果直接决定着喷涂的质量,在实际喷涂涂料之前,使用乙醇进行了多次的试喷涂,发现喷枪内压力1.4×105Pa,距离模型表面15～20cm时,雾化效果较好,涂料利用率较高。

图2 具有光学放大功能的压敏涂料测压系统Fig.2 PSP pressure measurement system with optical magnification function

图3 微小叶片叶背表面喷涂Fig.3 Painting of suction surface of micro blade

2.2 压敏涂料的标定

实验时图像采集系统采集到模型表面光强数据后,需要预先知道光强比值和压力比值的对应关系才能将模型表面光强值转换成压力值,因此需要对所用的压力敏感涂料进行标定,得到压敏涂料在不同温度下的光强比和压力比关系。设计并搭建了一套标定系统(如图4),采用日本SMC公司的IR2010型精密减压阀和美国PSI公司9816型智能压力扫描器精确控制和测量标定腔内压力,通过一个小型电炉对标定腔加热改变腔内温度,利用热电偶测量温度。标定时,选择3个温度分别是28.2、33.8和37.8℃,每个温度下压力变化从1.0～2.0×105Pa,每间隔0.1×105Pa采集一次数据。以温度28.2℃,压力1×105Pa时采集到的光强值为参考,其它压力和温度下的光强值均与其相比,进行数据处理后即得到不同温度和压力下涂料的光强比与压力比的关系。

图5为UF405涂料标定结果,由图中可以看出涂料特性曲线平直光滑,线性度较好,在温度变高时,同一压力下光强减弱,但曲线斜率并没有明显的变化。

图4 标定系统搭建Fig.4 Establishment of calibration system

图5 UF405涂料标定结果Fig.5 Calibration result of paint UF405

2.3 微小叶栅实验段设计及实验测量方案

(1)微小叶栅实验段设计

选择某典型常规尺度涡轮转子叶型[9]进行缩比(表1),根据供气系统的供气量和拟达到的叶片出口马赫数,保持进气角、安装角、稠度和展弦比等相同,缩比后叶片弦长9.11mm,栅距7.11mm。PSP系统压力分辨率30～100Pa,空间分辨率在0.08mm量级,缩比后的叶片叶高方向和弦长方向大约能够测量到约70～100个点,因此PSP系统是适合测量缩比后叶栅表面压力的。为了减小来流湍流度,保持进口气流均匀,风洞出口和微小叶栅实验段进口采用维托辛斯基收缩型线连接。微小平面叶栅排设计成可更换式,每个叶栅排由6个叶片组成,形成5个通道(如图6)。保持通道高度不变,通过改变叶栅高度来实现不同叶尖间隙与叶高比,无间隙时叶栅高度为7.36mm,有间隙时(叶尖间隙与叶高比为5%)叶栅高度为7.01mm。为了便于PSP测压系统对测量表面进行激励和数据采集,实验段上表面和靠近叶背的侧壁面安装了强度和光学性能优异的石英玻璃。为了方便压敏涂料的喷涂,保证喷涂质量,将叶栅排的中间两个叶片设计成可拆卸式的(如图7),喷好涂料后再将叶片安装到叶片排上。

表1 常规叶栅和微小叶栅尺寸对比Table 1 Size comparision of traditional and micro cascade

图6 微小叶栅排出口Fig.6 Outlet of micro cascade

图7 可拆卸式叶栅排Fig.7 Removable cascade

实验对加工和装配的精度要求较高,叶片及叶片安装槽通过慢走丝线切割加工,精度5μ m,保证叶片形状精确、统一。采用厚薄尺对装配后叶尖间隙的大小进行检验(叶尖间隙0.35mm,如图8～9)。检验结果表明：实验件装配精度符合实验要求。

图8 0.35mm的厚薄尺Fig.8 Plug gauge of 0.35mm

图9 用厚薄尺对间隙进行检验Fig.9 Test of the tip clearance with plug gauge

(2)实验测量方案

实验测量了有/无叶尖间隙毫米级叶栅中间通道处叶背表面压力,来流速度34～85m/s。由于毫米级叶栅排的限制,实验时不能一次性采集到叶背整个表面的压力分布,本文实验中首先对叶背前缘进行图像采集(如图10),得到不同来流速度状态下有/无间隙叶背前缘光强数据,然后改变测压系统位置对叶背后缘进行图像采集(如图11),保持在采集前缘图像和后缘图像时来流速度一致,最后将两次的实验结果进行综合,得到整个叶片表面的压力分布。

图10 叶背前缘图像采集Fig.10 Picture acquisition of leading edge of blade suction side

图11 叶背后缘图像采集Fig.11 Picture acquisition of trailing edge of blade suction side

3 微叶栅实验及结果分析

3.1 来流速度对叶背表面压力分布的影响

以无叶尖间隙情况为例,分析不同来流速度时叶背压力分布特性(如图12～15,气流方向从右至左),从图中可以看出：叶背前段表面压力随着来流速度增大而升高,沿程压力降低,而叶背后部变化并不明显。这是因为叶背前段处于喉道前,气流增速减压,而叶背后部处于喉道之后,表面压力受出口环境压力影响较大。

3.2 间隙对叶背表面压力分布的影响

图12 来流速度32m/s时叶背压力分布Fig.12 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 32m/s

图13 来流速度50m/s时叶背压力分布Fig.13 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 50m/s

图14 来流速度66m/s时叶背压力分布Fig.14 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 66m/s

以来流速度V1约为66m/s为例,分析存在叶尖间隙时叶背压力分布特性(图16～17分别为无间隙和叶尖间隙与叶高比5%时叶背压力分布)：

(1)叶片中后段叶尖处压力比叶根处压力大很多,这是由于存在叶尖间隙,产生了泄漏,叶盆处高压气体通过间隙泄漏流入叶背,使叶背叶尖处压力明显大于叶根处;

(2)与无叶尖间隙相比,5%叶尖间隙时泄漏对叶背表面压力的影响约占叶高1/3,叶背底端受泄漏的影响较小。

图15 来流速度84m/s时叶背压力分布Fig.15 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 84m/s

图16 无间隙时叶背压力分布(V1=66m/s)Fig.16 Pressure distribution of blade suction sucface without tip clearance(V1=66m/s)

图17 5%间隙时叶背压力分布(V1=68m/s)Fig.17 Pressure distribution of blade suction sucface with 5%tip clearance(V1=68m/s)

4 结 论

笔者首次将PSP技术应用在毫米级平面叶栅研究领域,设计了一套可拆卸式毫米级平面叶栅实验段并建立了相应的压敏涂料测压系统,测量了叶背表面压力,得到以下几点结论：

(1)无叶尖间隙时,叶背前段表面压力随着来流速度增大而升高,沿程压力降低,而叶背后部变化并不明显;

(2)叶片中后段叶尖处压力比叶根处压力大很多,这是由于存在叶尖间隙,产生了泄漏,叶盆处高压气体通过间隙泄漏流入叶背,使叶背叶尖处压力明显大于叶根处;

(3)与无叶尖间隙相比,有叶尖间隙时泄漏对叶背表面压力的影响约占叶高1/3,叶背底端受泄漏的影响较小。

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