某小型轴流压气机转子尖区流动测量

万钎君，石小江，李 浩，陈洪敏

(中国燃气涡轮研究院，四川 江油 621703)

1 引言

2 试验件及试验设备简介

现阶段，航空燃气轮机的进一步发展，在很大程度上要依赖于作为其核心部件的高性能叶轮机的发展和研制[1]。转子叶尖泄漏流对叶轮机械的性能影响很大，研究叶尖泄漏流动，认识叶轮机械内的流动机理，对提高叶轮机性能和改进压气机设计具有至关重要的作用。而现有的叶轮机主要集中于利用常规测试手段进行整体性能试验，对叶轮机内部非定常流动测试开展得较少，这不利于对叶轮机内部流动过程的认识和高性能压气机的研制。

本文利用壁面动态压力测量方法，结合等相位平均数据处理方法，得出了某小型轴流压气机转子尖区流场结构。其对测量方法和数据处理方法的探索可为压气机非定常流测试的进一步开展打下基础，而试验数据可为压气机改进设计提供参考。

试验在某特种测试验证试验台上进行。该试验台为用于叶尖间隙测量、红外高温测量等特种测试设备校准研究和进行遥测、转子叶尖间隙测量、压气机级间流场、叶尖间隙流场测量技术等基础研究的试验测试技术验证平台。

试验件是一小型两级轴流压气机，一级转子叶片为20片，二级转子叶片为22片，设计转速为12200 r/min。试验件一级转子叶片通过频率为4.066kHz，二级转子叶片通过频率为4.473 kHz，要测量叶尖壁面的动态压力分布，测试系统总频响应达25kHz以上。

3 测试方法

3.1 壁面测压管腔的设计及动态标定

本次试验选用XTE-140-25D微型压差传感器，取静压孔孔径为0.5 mm，孔深为1.5 mm，其轴线与壁面垂直。为保证传感器稳定地安装在机匣上，设计了相应的安装座。传感器如图1所示采用螺纹连接方式安装在传感器安装座上。

图1 壁面静压孔设计Fig.1 Static pressure hole

测压管腔频响标定试验在φ100标定激波管上进行，标定结果表明，前端测压管腔具有较高的固有频率，能满足壁面动态压力测量要求。

3.2 测点分布及动态测试系统配置

由于该小型轴流压气机的转子叶片叶型较小，要真实测量转子尖区的流动，需尽可能多地布置弦向测点，因此采用分两排沿对应叶尖叶型弦长在机匣壁面布置静压测点的方法，各排布点之间的距离为一个叶片通道宽度。测点位置分布示意图如图2所示：一级转子从叶片前缘到后缘共10个测点，转子叶片前方测2点，后方测1点；二级转子从叶片前缘到后缘共8个测点，转子叶片前方测2点，后方测1点。

动态压力传感器输出电压信号的放大采用16通道PRESTON 8300AU信号放大器，数据采集用Odyssey高速数据采集系统，保证每个槽道采集数据至少在22点以上。

图2 转子壁面动态静压测点分布Fig.2 The static pressure measure spot in the second rotor stage

4 数据处理方法简介

试验中将转速负脉冲信号与压力测量信号一起接入采集系统，当转速调至指定转速后进行数据记录，一个状态保存为一个文件，在试验前保存了零点文件。最后对从尼高力采集系统中导出的ASCII码数据文件格式试验数据进行处理。

用VC++语言编制了数据后处理程序，其流程为：打开某级转子某一状态的数据文件，找出转速负脉冲的下降沿，并以此作为相位起始点截取3个槽道的数据。为排除由于试验件加工误差、转子转速不均匀和其它干扰的影响，按上述方法截取32次采集数据进行等相位平均，然后对平均后的数据进行去零点处理，再将数据沿叶片安装角方向移位，确定各数据点的坐标，生成数据文件并存盘。数据处理流程见图3。

图3 数据处理流程图Fig.3 Data process program

5 试验结果分析

图4(a)～图4(f)分别为一级转子叶尖在n=80%、85%、90%、95%、98.36%、100%六个状态的等压图(图中，横坐标代表叶片周向，纵坐标代表叶片轴向；下同)。由各图可知，在靠近叶盆处压力高，靠近叶背处压力低，由叶尖间隙节流所产生的这种压力差是叶尖泄漏流产生的主要原因。在叶片前缘吸力面逆压梯度明显，是泄漏流的起始点。在叶片前缘压力面有一相对高压区，应该是前缘阻滞造成的，随着转速的上升，此高压区压力有减小的趋势，转速达90%以上后此相对高压的影响区域也减弱。叶尖泄漏作用引起壁面静压的降低，形成从前缘扩展到基元通道内部的低压区，泄漏涡影响区域随流向扩大并向叶盆方向发展，至大约1/3弦长影响区域最大，随后泄漏流向叶盆方向的发展区域沿下游慢慢缩小，反映了泄漏涡的脱落与扩散。

图4 不同转速下一级转子叶尖的等压云图Fig.4 Contours of pressure in the first stage rotor blade tip with different rotational speeds

图5 不同转速下二级转子叶尖的等压云图Fig.5 Contours of pressure in the second stage rotor blade tip with different rotational speeds

图5(a)～图5(f)为二级转子叶尖在n=80%、85%、90%、95%、98.36%、100%六个状态的等压图。从图中看，其泄漏现象与一级转子的相似，叶尖泄漏流从前缘开始，至大约1/3弦长处影响区域达到最大，然后逐渐缩小，至弦长2/3处泄漏流动降至最弱。气流经一级转子、一级静子增压导流后，压力上升，流经二级转子前缘的气流阻滞现象有所改善。叶片后半段气流由于转子的增压作用形成高压区，接近转子出口时，压力有所下降。

图6(a)～图6(c)分别为在出口1/3节流后二级转子叶尖在n=80%、85%、90%三个状态的等压图。从图中看，其结果与二级转子稳定工况的结果有明显的差别。在节流状态下，由于出口气流受阻，槽道内压力升高，叶片前部负荷很大，引起叶片前缘更强的逆压梯度，从而形成更强的泄漏流动。由于叶尖顺叶背高压区影响的上移，叶尖泄漏的影响区域主要集中在叶片前端，泄漏流至1/3弦长处已减至最弱。气流堵塞引起叶尖顺叶背高压区影响向上游推进，在上游近叶盆面形成一小范围高压区。

图6 出口节流后二级转子叶尖的等压云图Fig.6 Contours of pressure in the second stage rotor blade tip with the exit section throttled

6 结论

(1)试验结果显示，叶尖泄漏流动起始于转子前缘，影响几乎覆盖整个叶片通道，节流状态下叶尖泄漏影响区域重心向上游移动，致使叶片前缘负荷增大。

(2)试验成功地获取了某小型轴流压气机转子叶尖间隙流场结构，其结果为小型压气机及高速压气机内流研究打下了一定的技术基础。

(3)由于各种原因，此次试验前仅对前端管腔进行了动态标定，在以后类似研究中，应对整个测试系统的动态特性进行标定，确定整个测试体系的动态数学模型。

(4)跨声压气机转子叶尖泄漏流与激波干涉及其对压气机性能影响的研究对提高高速压气机性能及设计改进有积极意义，可在现有基础上进一步开展。

[1]乔渭阳，敬 睿.叶轮机动态参数测试技术[M].北京：国防工业出版社，2004.

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[3]马宏伟，蒋浩康.从端壁动态压力场看压气机转子尖区流动[J].工程热物理学报，2000，21(1)：42—45.

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