低速轴流压气机叶尖非定常流动试验

高丽敏， 李永增， 刘晓东， 张帅

1.西北工业大学 动力与能源学院， 西安　710072 2.先进航空发动机协同创新中心， 北京　100083



低速轴流压气机叶尖非定常流动试验

高丽敏1, 2,*， 李永增1, 2， 刘晓东1, 2， 张帅1, 2

1.西北工业大学 动力与能源学院， 西安710072 2.先进航空发动机协同创新中心， 北京100083

利用动态压力传感器对一低速轴流压气机转子的叶顶间隙流场进行详细的试验测量，通过对信号特征的分析，对压气机节流过程中叶顶间隙的非定常流动发展演变规律进行了研究。结果表明：压气机完全失速时，叶尖存在一以46.5%转子转速周向传播的失速团；节流过程中，叶尖前缘处的动态压力信号中存在非定常波动的特征频率带，其变化规律与叶顶流场压力非定常波动的能量迁移有关；随着压气机流量减小，叶顶泄漏流影响区域向前缘移动，失速团在叶顶前缘附近产生，并向尾缘方向扩展，最终覆盖叶片全部弦长；近失速工况时，叶顶间隙相邻通道内泄漏流相互作用，造成通道中的低压区“一前一后”交替分布从而形成一个空间上周期约2个叶片通道的扰动波。

轴流压气机； 动态压力； 叶顶间隙； 非定常流动； 失速

压气机叶顶间隙内流动复杂且表现出高度的非定常性，一直以来都是叶轮机气动热力学领域的研究热点。国内外众多的研究[1-5]表明，叶顶间隙内的非定常流动是压气机损失的主要来源，对压气机的稳定性有重要影响。针对叶顶间隙非定常流动的发生及发展规律，Jin等[6]的试验研究发现叶顶间隙涡存在周期性非定常波动，且频率沿流向逐渐减小；邓向阳等[7]阐述了相似的现象，但不同的是泄漏涡非定常波动的频率沿流向基本不变。针对叶顶间隙流动非定常性产生的原因，文献[8-10]认为产生周向非定常波动的原因是间隙涡与相邻叶片的周期性碰撞。吴艳辉等[11-12]的研究表明近失速工况下叶顶间隙的非定常流动是由叶尖二次涡(TSV)的活动主导和自我维持的。而Furukava等[13]认为近失速工况叶顶间隙涡的螺旋型破碎引起的自激振动使其呈现出周期性的非定常波动。除此之外，上下游叶排的干涉[14-15]以及超跨声压气机中激波与泄漏流的相互干扰[16-18]等因素均对叶顶非定常流动造成影响。综上所述，叶顶间隙非定常流动的形式及影响因素众多，而现有的研究对其产生及发展的动力学机制尚未达成广泛共识，因此对叶顶间隙非定常流动进行深入的研究具有重要意义。

本文使用高频动态压力传感器对一单级低速轴流压气机转子叶顶间隙流场进行了测量，通过分析动态压力信号特征及流场压力图谱，对叶尖非定常波动在压气机节流过程中的发展过程进行了研究。

1　试验装置与测量方法

1.1轴流压气机试验台构造及参数

本试验是在西北工业大学叶栅实验室的单级低速轴流压气机试验台上完成的，该轴流压气机(如图1所示)主要由喇叭口、进气管道、单排转子和静子以及尾锥等组成。其转子叶片数为20，叶顶间隙为1.5 mm，压气机内筒直径为580 mm，轮毂比为0.6。该压气机由一个15 kW三相交流电机驱动，设计转速为3 000 r/min，通过15 kW变频器实现转速调节。通过交流涡轮减速器调节出口尾锥开度实现对压气机流量的控制。

图1　单级低速轴流压气机试验台Fig.1　Test rig of single stage low speed axial flowcompressor

1.2轴流压气机试验台测试系统

试验台测量系统由稳态测量系统和动态测量系统两部分组成。稳态测量系统用于测量压气机稳态参数，各测量截面及测点布置如图2所示。在进口1-1截面和出口4-4截布置静压孔，用于测量压气机进、出口静压；在3-3截面布置总压探针及热电偶，测量出口总压、总温；压气机进口大气总压、总温由数字无汞气压计和温度计测得。

图2　试验台结构及测量截面示意图Fig.2　Structure of test rig and measurement section

各工况对应流量由式(1)计算得到：

(1)

测量2 500 r/min下该压气机流量-总压升特性线如图3所示，该压气机的最大压升为1 355 Pa，失速点的流量为5.2 kg/s，图中数字1～14表示动态压力测量的工况点。

图3　2 500 r/min下流量-总压升特性曲线Fig.3　Characteristic curve of mass flow-total pressure rise at 2 500 r/min

动态测量使用3个LQ-062-5D型和7个Kulite-XCQ-080型共10个高频动态压力传感器。测量时采样频率为50 kHz，每个工况的采样时间为3 s。传感器的输出信号经由4通道放大器进行放大，采用低通滤波器滤除高频噪声，最终由数据采集软件控制信号采集器完成信号同步采集与存储。测量中采用了光电锁相来确定相同的采集相位。

周向布局的传感器用于捕捉叶顶前缘位置的动态压力信号，其布局方式为：在转子叶片前缘，即图2所示的2-2截面的机匣壁面上，周向间隔45° 安装7个传感器(如图4所示)；弦向布局的传感器用于捕捉叶顶间隙内的动态压力数据，其布局方式如图5所示，从叶顶前缘上游5 mm处到叶片尾缘交叉布置两排共10个传感器，两排传感器之间的周向距离为一个栅距，传感器轴向间距为5 mm。

图4　传感器周向布局Fig.4　Circular arrangement of sensors

图5　传感器弦向布局Fig.5　Chordwise arrangement of sensors

2　叶顶前缘动态压力信号分析

2.1动态压力信号的时域分析

图6给出了周向P2-1至P2-7传感器相同时间内经过低通滤波处理后的压力信号。由图可见，当压气机在大流量的Condition 2(图6(a))及Condition 9(图6(b))工况点运转时，压力信号较为平整近似直线，无明显“毛刺”出现；随着压气机的流量减小，在Condition 13近失速工况点(图6(c))，压气机负荷增加，各个传感器压力数据的波动幅值明显升高，信号中“毛刺”增多，表明压气机叶顶前缘点非定常波动增强；当压气机工作在失速点Condition 14(图6(d))时，“毛刺”沿着从P2-1到P2-7的圆周方向周期性传播，此时压气机叶顶流场已经形成稳定传播的失速团。由图6(d)不难看出，失速团数目为一个，传播速度为46.5%转子转速，结合图3所示的压气机流量-总压升特性线可初步判断本试验台压气机的失速类型为模态波型失速[19]。

图6　2-2截面7个周向位置低通滤波后的动态压力信号Fig.6　Dynamic pressure signal of 7 circumferentialpositions at Section 2-2 after low pass filtering

2.2动态压力信号的频域分析

为分析动态压力的幅频特性，对动态压力数据进行快速傅里叶变换(FFT)，图7(a)～图7(d)给出了不同工况下叶顶前缘7个测点所测动态压力信号的幅频图谱。在大流量的Condition 2工况(图7(a))，各传感器信号转子通过频率(Rotor Pass Frequency, RPF)41.7 Hz及其倍频以及叶片通过频率(Blade Pass Frequency, BPF)833.3 Hz 清晰可见，这是由叶片扫掠和转子旋转所引起的。当流量减小到Condition 9工况(图7(b))时，410 Hz附近幅值明显增大(虚线框内)，此时非定常波动的幅值已经与叶片扫掠引起的周期性压力波动相当。在近失速工况Condition 13(图7(c))，特征频率带的中心频率仍在410 Hz附近，覆盖的频率范围和幅值较之前有所增加，反映了流场内非定常波动的增强。流量继续减小到失速工况Condition 14时(图7(d))，特征频率带的中心频率降为约240 Hz，影响频率范围也明显变窄。并且此时低频区19.38 Hz处出现了强烈的低频波动，结合图6(d)，该频率为以46.5%转子转速沿压气机周向传播的失速团引起的波动频率。

综上所述，频率带在较大流量工况已经出现，且其幅值、带宽、中心频率在压气机节流过程中均有所改变；另外，不同周向位置的传感器所测信号结果基本一致。

图7　2-2截面7个周向位置动态压力信号的频谱Fig.7　Dynamic pressure frequency spectrum of 7 circumferential positions at Section 2-2

非定常特征频率带反映了流场中的非定常流动现象。为进一步分析其与压气机失稳的关系，图8给出了P2-5传感器信号在14个工况下的幅频特性(每个信号的纵坐标尺度相同)。由图可见，当压气机节流到Condition 6工况时，非定常波动的能量相对增大，特征频率带开始出现，随后沿图8中虚线所示的轨迹移动。图9给出了特征频率带中心频率、影响带宽以及压气机总压升随流量变化的情况。由图可见，前两者所表现出来的变化规律与该压气机的压升特性曲线相似，即随着流量的减小，先逐渐增加，在Condition 12工况时达到最大值，之后开始逐渐减小。

图8　传感器P2-5所测动态压力信号的频谱图Fig.8　Frequency spectrum of dynamic pressure signal measured by Sensor P2-5

图9　总压升及特征频率的变化趋势Fig.9　Trend of total pressure rise and characteristicfrequency

非定常特征频率带所表现出来的变化规律反映了压气机节流过程中叶顶前缘流场非定常波动能量变化的3个阶段，即

1) 当压气机工作在较大流量工况(Condition 1～5)时，如图7(a)所示，非定常波动的能量相对叶片扫掠引起的压力变化而言小的多，因此在幅频特性图谱中被BPF和RPF及其倍频淹没。

2) 随流量减小，叶片气动负荷增大(叶片两侧压差升高)造成叶顶间隙非定常流动增强，流量减小到一定程度时，非定常波动在一定的频率范围内表现出来，即特征频率带在Condition 6开始出现；随后，非定常波动能量逐渐增大造成特征频率幅值增大，压力波动向高频迁移，同时影响的带宽有所增加。

3) 最大压升点(Condition 12)之后，由于叶片所做的功开始逐渐向非定常波动转移，压气机压升出现下降趋势，同时，非定常波动幅值明显增大，造成大尺度低频的压力脉动开始增多，在其叠加作用下，特征频率带的频率有所降低；压气机进一步节流，某些频率的非定常波动相互融合叠加，从复杂的非定常波动中脱离出来，形成了失速团，并沿周向以相对稳定的速度传播，此时压气机完全失速(Condition 14)，表现在幅频图谱中即在19.38 Hz处幅值明显增大。此时特征频率带内的脉动由于失去一部分能量，频率和影响带宽范围均出现明显的减小，幅值也有所降低。

3　叶顶间隙内动态压力信号分析

3.1动态压力信号的频域分析

图10给出了几个典型工况下沿弦向布置的10只传感器信号的FFT结果。可以发现，所有传感器信号中均存在与前缘所测信号相似的非定常波动特征频率带(图10(b)～图10(f)虚线框内)，但其在不同的传感器信号中出现的时间有所不同。

比较Condition 6、Condition 8和Condition 10 3个工况的图谱，如虚线框中所示，特征频率带从P4～P10传感器(25%～100%弦长)逐渐向上游扩展至P2～P10传感器即整个叶片弦长。该现象表明叶顶间隙流场中非定常流动影响区域在逐渐前移。

图10　弦向布局传感器所测动态压力的频谱图Fig.10　Frequency spectrum of dynamic pressure measured by sensors along chord

在近失速的Condition 13工况时，叶片通道上游的P1传感器也感受到了明显的非定波动，表明此时在叶顶前缘已出现溢流现象。进入完全失速的Condition 14工况时，沿弦向布置的所有传感器在19.38 Hz处的幅值明显增大，这也是叶顶前缘测得的压气机的失速团传播频率。由此可知，此时失速团已经形成并覆盖叶片全部弦长范围。

3.2叶顶压力图谱分析

为获得叶顶泄漏流轨迹等流动细节，将所测动态压力信号进行时空变换，图11给出了6个工况下叶顶流场的静压图谱。

图11　转子叶顶间隙流场静压图谱Fig.11　Static pressure spectrum of rotor tip clearance flow field

压气机运行在较大流量的Condition 5工况时，如图11(a)所示，静压图谱沿叶排方向周期性良好，叶顶间隙的泄漏流沿虚线所示轨迹向下游流出叶片通道。随着流量减小(图11(a)～图11(d))，叶片两侧压差的增大导致泄漏流周向速度分量增大，同时流量的减小造成轴向速度分量减小，这使得叶顶泄漏流的轨迹向叶片前缘方向发生偏转；到近失速Condition 13工况时，泄漏流轨迹方向已接近平行于叶片前缘连线，这与前文对信号频率特征的分析一致。在Condition 14工况时压气机已完全进入失速状态，失速团的作用使叶顶流场变得混乱。

值得注意的是，图11(d)所示的Condition 13近失速工况时，由于相邻通道内的叶顶泄漏流相互作用，造成其轴向位置有所变化，受叶顶泄漏流作用形成的低压区沿轴向呈现出 “一前一后”交替分布的规律，该现象与文献[8，20]的研究结果类似。由于这一现象的存在，在近失速工况时，叶顶间隙流场中沿圆周方向形成了一空间周期约两个叶片通道的扰动波，这也是该工况下非定常特征频率带(图7(c))集中在约0.5 BPF(410 Hz)附近的原因。

4　结　论

以单级低速轴流压气机试验台为研究对象，采用高频压力传感器，对多个工况下的转子叶顶机匣壁面动态压力进行了详细的测量与分析。

1) 试验结果发现，2 500 r/min下该压气机在失速时叶顶间隙中存在一个周向传播速度为46.5%转子转速(约19.38 Hz)的失速团。

2) 对叶顶前缘处的动态压力信号分析结果表明：叶顶间隙中的非定常波动能量在压气机节流的不同阶段发生迁移，非定常波动的中心频率、幅值、影响带宽均随流量按一定规律变化。

3) 对叶顶间隙弦向动态压力频谱分析表明：压气机节流过程中，叶顶间隙中的非定常波动影响区域从尾缘向前缘移动。

4) 对动态压力进行时空转换获得了压气机转子叶顶机匣壁面的静压图谱，结果表明：近失速工况时，叶顶间隙相邻叶片通道泄漏流相互作用，造成通道内的低压区在轴向“一前一后”交替分布，从而在圆周方向形成空间周期为两个叶片通道的非定常动波，这也是该工况下0.5 BPF处非定常频率带出现的原因。

[1]童志庭. 轴流压气机中叶尖泄漏涡、失速先兆、叶尖微喷气非定常关联性的实验研究[D]. 北京: 中国科学院, 2006.

TONG Z T. The interactive unsteady mechanism between tip leakage vortex,stall inception and micro tip injection in low-speed axial compressor[D]. Beijing: Chinese Academy of Sciences, 2006 (in Chinese).

[2]卢新根. 轴流压气机内部流动失稳及其被动控制策略研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2007.

LU X G. Research on internal flow instability and passive control strategy of axial flow compressor[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2007 (in Chinese).

[3]VO H D, TAN C S, GREITZER E M, et al. Criteria for spike initiated rotating stall[J]. Journal of Turbomachinery, 2008, 130(1): 155-165.

[4]BAGHDADI S. Modeling tip clearance effects in multistage axial compressors[J]. Journal of Turbomachinery, 1996, 118(4): 697-705.

[5]SCHLECHTRIEM S, LOTZERICH M. Breakdown of tip leakage vortices in compressors at flow conditions close to stall: ASME-GT97-41[R]. New York: ASME, 1997.

[6]JIN W B, BREUER K S, TAN C S. Active control of tip clearance flow in axial compressors[J]. Journal of Turbomachinery, 2003, 127(2): 531-542.

[7]邓向阳, 张宏武, 朱俊强,等. 压气机非定常叶顶间隙流的数值模拟研究[J]. 工程热物理学报, 2006, 27(2): 229-231.

DENG X Y, ZHANG H W, ZHU J Q, et al. Investigation on unsteady tip clearance flow in a compressor by numerical simulations[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2006, 27(2): 229-231 (in Chinese).

[8]MAILACH R, SAUER H, VOGELER K. The periodical interaction of the tip clearance flow in the blade rows of axial compressors： ASME-GT2001-0299[R]. New York: ASME, 2001.

[9]MAILACH R, LEHMANN I, VOGELER K. Rotating instabilities in an axial compressor originating from the fluctuating blade tip vortex[J]. Journal of Turbomachinery, 2001, 123(3): 453-460.

[10]YAMADA K, FUNAZAKI K, FURUKAWA M. The behavior of tip clearance flow at near-stall condition in a transonic axial compressor rotor: ASME-GT2007-27725[R]. New York: ASME, 2007.

[11]吴艳辉, 李清鹏, 张卓勋, 等. 轴流压气机转子近失速工况点叶尖区流动非定常性分析[J]. 推进技术, 2010, 31(5): 562-566.

WU Y H, LI Q P, ZHANG Z X, et al. Unsteady behavior of tip clearance now in an axial now compressor rotor at near stall condition[J]. Journal of Propulsion Technology, 2010, 31(5): 562-566 (in Chinese).

[12]吴艳辉, 吴俊峰, 稂仿玉, 等. 轴流压气机转子近叶尖流动的试验和数值研究之二:近失速工况流动特征分析[J]. 工程热物理学报, 2014, 35(1): 60-65.

WU Y H, WU J F, LANG F Y, et al. Experimental and numerical investigation of near-tip flow-field in an axial flow compressor rotor: Part II: Flow characteristics at near-stall operating conditions[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2014, 35(1): 60-65 (in Chinese).

[13]FURUKAWA M, SAIKI K, YAMADA K, et al. Anomalous flow phenomena due to breakdown of tip leakage vortex in an axial compressor rotor at near-stall condition[J]. Nihon Kikai Gakkai Ronbunshu B Hen/Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Part B, 2000, 66(644): 1029-1037.

[14]VALKOV T V, TAN C S. Effect of upstream rotor vortical disturbances on the time-averaged performance of axial compressor stators: Part I: Framework of technical approach and wake-stator blade interactions[J]. Journal of Turbomachinery, 1999, 121(3): 377-386.

[15]VALKOV T V, TAN C S. Effect of upstream rotor vortical disturbances on the time-averaged performance of axial compressor stators. Part II: Rotor tip vortex/streamwise vortex-stator blade interactions[J]. Journal of Turbomachinery, 1999, 121(3): 387-397.

[16]CHEN J P, HATHAWAY M D, HERRICK G P. Prestall behavior of a transonic axial compressor stage via time-accurate numerical simulation[J]. Journal of Turbomachinery, 2008, 130(4): 353-368.

[17]HAH C, BERGNER J, SCHIFFER HP. Short length-scale rotating stall inception in a transonic axial compressor: Experimental investigation: ASME-GT2006-90209[R]. New York: ASME, 2006: 131-140.

[18]HAH C, BERGNER J, SCHIFFER HP. Short length-scale rotating stall inception in a transonic axial compressor: Criteria and mechanisms: ASME-GT2006-90045[R]. New York: ASME, 2006.

[19]CAMP T R, DAY I J. A study of spike and modal stall phenomena in a low-speed axial compressor[J]. Journal of Turbomachinery, 1998, 120(3): 393-401.

[20]MAILACH R, LEHMANN I, VOGELER K. Rotating instabilities in an axial compressor originating from the fluctuating blade tip vortex[J]. Journal of Turbomachinery, 2001, 123(3): 453-460.

高丽敏女， 博士， 教授， 博士生导师。主要研究方向： 航空与民用叶轮机械复杂流场及气动性能的数值仿真及测量技术、 高效节能叶轮机械设计、 计算流体力学理论及其在复杂结构中的工程应用、 流动显示技术等。

Tel: 029-88495022

E-mail: gaolm@nwpu.edu.cn

李永增男， 硕士研究生。主要研究方向： 叶轮机械气动热力学。

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)

. Tel.： 029-88495022E-mail: gaolm@nwpu.edu.cn

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

时间： 2016-04-1213:05

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10.7527/S1000-6893.2016.0099

V231.3

A

1000-6893(2016)08-2614-09

引用格式： 高丽敏， 李永增， 刘晓东， 等． 低速轴流压气机叶尖非定常流动试验[J]． 航空学报, 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