叶型面压力测试技术研究

樊嘉峰，黄明镜，钟 敏，唐 磊，吴 晨

(中国燃气涡轮研究院，四川 江油621703)

1 引言

叶轮机级间存在着非常复杂的气流流动现象，探索这些现象内部隐含的流动机理，揭示叶轮机内部的流动规律，是目前航空发动机研制领域最具活力的研究方向。

以往国内在进行风扇/压气机/涡轮的级间压力流场研究中，多采用在静子前缘焊装稳态受感部来测取压气机/涡轮级间总压，以用于分析级压比和级效率等性能参数。对于高性能航空发动机来说，详细测量叶栅槽道内气流流动的信息(包含速度峰值位置、激波位置、附面层的发展和分离、二次流动等)十分必要。

国外对叶栅槽道内气流压力的研究中[1，2]，多通过测量静叶表面测量沿S1流面的3个或5个截面的叶盆和叶背压力分布来分析加功量、效率、失速裕度等情况，而这些测量参数又多以沿轴向分布的压力系数、静压升和表面马赫数表达，然后结合数值模拟程序开展针对叶片槽道三维效应的深入研究。

国内在相关叶栅槽道领域的研究中[3]，开展了一些基于平面叶栅内叶尖间隙泄漏涡和通道涡的测量，但相关测试技术还略显单一，表现在仅仅为基元级测量，并且测量参数也仅为稳态量，测量区域范围小(仅限于相邻两个叶片)等。对于发动机型号研制，压气机/涡轮设计软件缺乏系统的试验验证，为此，利用更多的测试技术进行详细的试验测量，验证设计软件和技术，已成当务之急。

针对上述情况，本课题组开展了一些具有创新性和前瞻性的测试技术研究，内容涉及根据叶型面测试技术展开的包括小型化探针的技术应用、结构设计、可行性加工方法及相关技术验证，以期通过这些基础研究工作的深入开展，实现槽道叶型面压力测试技术的应用性研究。

2 小型化测试技术

之前利用级间总温/总压叶型探针成功实现了压气机各级转子出口稳态性能参数的详细测量，为深入了解压气机内部流场以及级间匹配关系提供了重要的试验数据支持，也校核了相关设计软件。但目前测试采用的叶型探针，都会对多级压气机的总体性能产生一定的负面影响。文献[4]采用数值模拟方法就叶型探针对轴流压气机性能的影响进行了研究，在如何有效预估和减小现有叶型探针对性能造成的测量误差方面取得了一定的成效，但还不够充分，测试受感部的小型化设计是必然的选择。

2.1 管腔材料和布置

减小对流场的影响，不影响气流的流动特性，需要测试系统小型化。而小型化设计受测试元件的截面大小、形状、长度和安装位置影响，特别是管腔材料直径的影响。随着材料工艺水平的提高，一些小型化管材成为可使用的元件，其管径分别为φ0.3 mm，φ0.4 mm，φ0.5 mm，相比以往使用的φ1.0 mm的管径有了很大的减小。选用这些管径材料的管腔有三个方面的好处：第一，更小的结构，对气动性能的影响更小；第二，由于管腔需焊在开孔的叶片上，更小的静压孔对叶片的强度影响更加有限；第三，针对压气机可调静子叶片，管腔须从轴颈内穿出，在有限的空间内管腔愈小可布置的测点就越多。

对于型面上测点的布置，针对风扇/压气机叶片较薄的特点，采用在叶片上打静压孔，管线焊接在叶型面上，形成一面测量、另一面走线引出的结构形式，以此通过在相邻两个叶片不同侧型面布点的方法实现对吸力面和压力面的测量。这样设计的好处在于测点不会对气动型面造成干扰，而管腔走线引出的一侧因小型化设计对流场的扰动有限。同时，对于小管腔材料，往往存在压力衰减和响应时间慢、强度低的情况，对这些情况的综合分析，通常采用强度校核来验证。

2.2 强度校核

强度校核是保证叶型静压探针在试验时正常使用的前提，一般由理论计算、有限元ANSYS结构分析和强度振动试验共同完成。由于叶片上有打孔、开槽、铺设管路和密封等要求，会影响叶片本身的固有频率。课题组对设计的叶型静压探针利用理论计算和有限元方法进行分析，并通过振动试验加以验证。其中振动试验在SAI60-H560BAC/A振动试验系统上进行，测试系统主要包括K8734A500加速度传感器、OR38动态信号分析仪和动态电阻应变仪。试验内容包括确定样件的一、二、三阶自振频率，各阶振型下的节线位置；分别在一阶自振频率下施加6g和10g激振力测量叶身的应力分布情况。

3 管腔的动态标定

叶轮机内需要对各种非定常参数(动态参数)进行测量。鉴于动态测量范围的广泛性和结构形式的多样性，这里仅对用于叶型面动态测量的方法进行阐述。

基于对槽道叶型面动态压力的测量，采用“齐平安装”的结构形式虽然能够测量固有频率高达20 kHz的动态信号，但存在结构尺寸大、安装方式受限、耐温能力差的特点。因此，另外一种称之为“外置安装”的结构形式在国外的动态压力测量中被广泛采用[5，6]。该测量中被测点的压力脉动通过一定长度的小直径管腔系统传输到压力传感器上，这样可减小测点尺寸(迎风面积)和隔热；但这种结构在测压点和传感器之间的管腔会存在压力测量中的管腔效应。而管腔效应会造成动态系统的频域特性呈现不同的动态规律，如动态系统工作频率的降低，幅值比的下降和相位差的产生。这些动态压力规律需要用试验方法标定出来，为后续的工程化技术应用提供技术支撑。

3.1 测试系统简介

模拟工程实际应用状态，在DP-SPG系列正弦压力校准装置上对管腔系统的频域特性进行标定。并通过设计的几套管路系统对每种结构形式分别进行接和不接半无限长管结构形式的测试，管腔测试系统如图1所示；压力传感器采用ICP通用型石英压力传感器M111A21型，采集系统包括交流供电信号适调仪和Genesis数据采集/瞬态记录仪。工作原理是将标准传感器和装有被检传感器的管路系统安装在正弦压力校准台上，通过工控机控制正弦压力校准台使其产生一定压力和一定频率的正弦压力信号，对比标准传感器和被检传感器的输出值，工作原理框图见图2。

图1 管腔测试系统Fig.1 Tube cavity test system

图2 工作原理图Fig.2 Function diagram

3.2 试验结果

按测试内容对数据进行处理，主要对几种结构形式的管腔系统进行了测试。其中根据图1中第一种结构形式(从上向下看，管腔直径为φ1.1 mm)的测试数据绘制的特性曲线如图3和图4所示。

图3 不接半无限长管频域特性图Fig.3 Frequency domain performance without half-infinity tube

图4 接半无限长管频域特性图Fig.4 Frequency domain performance with half-infinity tube

3.3 数据参考公式

管腔测试系统固有频率f0和阻尼比ζ的估算公式[7]为：

3.4 数据分析

从图3中可以看出，在60～1 800 Hz频率范围，幅值比从量值接近于1上升到最大值9，而后下降到最小值，相位差从量值接近于0上升到接近于π的位置。由此可以看出，管腔中形成了二阶系统的压力共振现象，该特性曲线符合二阶系统的动态特性。确定该曲线形状的是影响二阶系统的固有频率和阻尼比，按频率响应法得到该小型化管腔系统的固有频率为670 Hz，阻尼比为0.10。通过估算公式(1)和(2)，可得出该系统的固有频率为680 Hz，阻尼比为0.08。不难看出，固有频率和阻尼比的试验值与估算值比较接近。

从图4中可以看出，在20～1 800 Hz频率范围，幅值比在一均值范围上下波动，相位差在0和-π范围内上下波动。由此可以看出，接半无限长管的管腔系统使压力波在经过一段相当长的距离后在管腔中无反射地传播，由于介质阻尼作用而最终消失，管腔中不会形成驻波，即不会形成压力共振现象，改善了管腔的频率特性，因此可将该结构确定为小型化动态压力测试系统的形式。

4 特种加工工艺

测试系统不仅需具备采集能力，同时还应满足测试精度的要求，但测试数据往往因加工工艺的限制，导致其与真实试验数据出现偏差，这是因为常规加工手段很难满足设计的要求。对于不断深入的技术研究，需要运用特种加工工艺完成对复杂型面的精密加工。

4.1 激光打孔技术

孔口倒角、圆角及小孔轴线倾斜都会对静压测量产生影响，孔口处要求光滑无毛刺，保持锐边，其轴线应与测量端面垂直。文献[8]就孔轴方向的倾斜度对静压测量的影响给出了实验性的结论，提出不规范的静压孔容易造成3%的测量误差。对于那些高性能、高负荷的叶片，型面扭曲大，加工静压孔时更容易发生静压孔轴偏心现象，因此在加工时需特别注意。

在加工高温合金叶片和涡轮叶片的静压孔时，用机械加工的方法加工出直径为0.4～1.2 mm的孔是不可能的，现越来越多地采用激光打孔方法。该方法无需接触，保证了加工区的污染达到最小，在进行直径为0.6 mm的打孔时，打孔的圆柱度位于0.15 mm的公差范围内，热力作用区为10～20 μm，没有微裂纹，因此能够保证加工时生产效率高，被加工零件的精度和质量较好。五自由度激光打孔机构能够执行这样的工作，它可根据设计要求实现任意位置的定位，加工过程不会对叶型表面造成损伤，不会出现热应力引起的疲劳微裂纹。

4.2 EBM金属快速成形技术

传统的以涡轮叶片为载体的叶型面测试系统，是以叶片和测试传感器为互相独立的单元，结构形式为在叶片上开槽、钻孔，将测试传感器敷埋在槽内或孔内，但这种形式会影响叶型面结构和自身强度。叶型面压力测试技术尝试在某些领域开展相关技术研究，通过信息整理和反馈，针对涡轮叶片相对较厚的特点，采用特种加工工艺和场外管腔连接技术，并借鉴先进的特种加工设备，开展了相应的工作。

EBM金属快速成形技术是以电子束熔融为基础的智能工程技术，在加工过程中，设计模型从3D、CAD模板输出，电子束融化金属粉末后一层层制造零件，对于通孔、盲孔、圆角、平面和任意结构设计都是一次加工完成，目前可使用钛合金粉末及其它多种粉末生产，成形零件组织致密度达100%，晶粒细小，性能超过铸件，优于锻件，并可轻易制造出复杂几何形状，生产速度快。其特点是不用模具，快速制造金属零件。

针对其技术特点，使用钛合金粉末，设计加工了内部空腔自成形的涡轮叶型面测试试件，如图5和图6所示。该试件有三处内部空腔，空腔从前缘沿叶片中弧线延伸到叶尖处，直径不超过φ1.2 mm，试件未经任意机械加工，各通道具备独立性、气密性和通气性。

图5 叶片吸力面主视图Fig.5 Front view of blade suction surface

图6 X光透视图Fig.6 Rendering of blade under X-ray

以往平面叶栅和涡轮部件级间性能试验中采用的常规叶型探针，多是在叶片前缘焊接测压管或在叶片表面敷埋空气管来测量稳态压力，某些处于高温环境的测试管腔，其相对尺寸往往较大，在有限空间内管腔对气动性能的扰动很难用数值模拟或修正程序来计算。而应用EBM金属快速成形技术，省去了测压管腔及相关的加工步骤，可实现流道内部无测试系统的测量。该技术结合小型化测试技术和管腔动态测试技术，能同时实现流道内叶型面的动态、稳态压力测量。

5 结论

叶栅槽道内压力分布情况愈来愈受到关注，以叶型面压力分布为代表的测试技术是量化这一现象的重要手段。长期以来，相关测试技术在结构形式、测量参数、应用领域还不够完善，不足以为高性能、高负荷的叶轮机研制提供强有力的技术支撑，同时也限制了数值模拟技术的发展，咎其原因是相关基础研究工作的匮乏。本文通过所掌握的国内外有关研究领域的信息，开展了大量的基础研究工作和一系列技术验证试验，可得出下列结论：

(1)在减少流道堵塞比和增强叶型面气动载荷方面，小型化测试技术是一种趋势，它受管腔直径、结构布置和数据采集等方面的影响，合理的设计布局和技术验证是保证这一技术应用的前提。

(2)管腔动态标定表明，直径为φ1.1 mm的管腔结构具有二阶系统特性，为叶型面的动态压力测试提供了理论依据。

(3)特种加工工艺的实施，优化了叶型面测试技术的工艺流程，与传统的加工方法相比，提高了测量精度，减少了零件的损伤程度，缩短了加工时间。

[1]Wheeler A P S，Miller R J，Hodson H P.The Effect of Wake Induced Structures on Compressor Boundary-layers[R].ASME GT2006-90892，2006.

[2]高效节能发动机文集编委会.高效节能发动机文集[M].北京：航空工业出版社，1991.

[3]周正贵.模拟叶尖间隙流的转动平面叶栅实验方案[J].南京航空航天大学学报，2002，34(2)：182—185.

[4]向宏辉，任铭林，马宏伟，等.叶型探针对轴流压气机性能影响的数值模拟[J].燃气涡轮试验与研究，2008，21(4)：28—33.

[5]Yang H，He L.Experiment on Linear Compressor Cascade with 3-D Blade Oscillation[R].ASME GT2003-38484，2003.

[6]Huang X Q，He L，Bell D L.An Experimental Investigation into Turbine Flutter Characteristic at Different Tipclearances[R].ASME GT2006-90541，2006.

[7]王维赉.动态压力测量原理及方法[M].北京：中国计量出版社，1986.

[8]西北工业大学编.航空发动机气动参数测量[M].北京：国防工业出版社，1980.