风扇进气压力畸变试验性能误差分析与修正

吴森林，刘 宪，叶 巍，向宏辉，唐 凯

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川绵阳621010)

风扇进气压力畸变试验性能误差分析与修正

吴森林，刘 宪，叶 巍，向宏辉，唐 凯

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川绵阳621010)

针对单级风扇进气压力畸变试验所获取的换算流量、压比、效率均高于均匀进气状态的这一问题，分析认为可能与AIP界面轴向位置、测试探针布局方案和出口流场的数据处理方法有关。为此，对现有多种畸变测试布局进行了对比分析，研究了AIP界面的畸变流场特性，提出了一种基于试验测试的进/出口总压修正方法。结果表明，所采用的数据处理和修正方法，有效地解决了进气压力畸变试验中所获取的换算流量、压比、效率偏高的问题。

航空发动机；单级风扇；压力畸变；测试方案；数据修正；压力敏感系数；稳定性评定

1 引言

进气畸变对风扇/压气机稳定性的影响，是航空发动机研制和调试中最为复杂的问题之一。目前，评估风扇/压气机抗畸变能力的有效手段仍是试验，这就需要在试验过程中准确有效地获取压气机进口畸变流场参数和压气机在畸变条件下的性能参数。

为准确评定风扇/压气机的稳定性，国内外从试验测试方法、数据处理入手，开展了多种畸变参数与测压耙数目、探头数目的相关性研究。文献[1]的研究表明，测试畸变指数的准确度与探头总量和每耙的探头数呈正相关关系。在气动界面上采用6耙布局、每耙不少于3点时，测量获得周、径向畸变指数的准确度分别达到15%和10%。如果要获得更准确的周向畸变指数，就需要更多的测耙和探头数目。而文献[2]认为，测量耙由5耙改为6耙，测试精度将大为提高，但6耙与8耙相比，精度相差不大。

目前国内在发动机压气机稳定性评定中，主要借鉴俄罗斯的固定式插板试验方法产生进口畸变[3]，研究热点主要集中在如何选定AIP截面来达到相应的畸变能力。文献[4]的研究表明，畸变插板应置于距第1级转子2.5～3.5倍进气道直径处，这种布局正好使插板产生的第2道旋涡位于第1级转子位置，从而对压气机性能影响最大。文献[5]制定了AIP截面位置选取的国内通用标准，给出了相应的选取范围。但是由于进口总压损失的沿程变化特性，用AIP测量位置参数表征压气机进口参数必定会造成压气机特性差异，而国内对此差异鲜有研究。

为此，本文针对通过测试布局提高测试准确度与对AIP测量截面差异修正两个问题，根据国内航空发动机试验相关标准[5]和规范[6]，采用两种测试方案研究了畸变流场特性。同时，就某型单级风扇进气压力畸变试验中换算流量、压比、效率等参数值高于均匀流进气的，与进气压力畸变导致压气机性能下降理论相矛盾的问题[7]，提出了一套基于模拟吹风试验与出口总压数据处理的性能修正方法，以提高评定单级风扇试验件抗畸变能力的准确度。

2 试验设备及试验件

试验在中国航发四川燃气涡轮研究院压气机试验器上进行。该试验器是一种吸气式综合性气动试验设备，其原理见图1，试验器参数见文献[8]。

图1 试验器原理图Fig.1 Schematic of the test rig

试验件为单级风扇，进口无预旋导叶和支板，整个转子系统通过前后轴承座悬臂支撑在排气机匣上，见图2。图中，D为流道直径，b为一级转子叶中弦长。

图2 插板及试验件安装示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of the baffle and test specimen setting

3 测试系统与测试方法

3.1 测试系统

数据采集系统由PSI电子压力扫描阀、VXI温度测量模块以及相应的计算机和采集软件等组成，分别测取稳态压力信号和温度信号。

3.2 测试方法

该单级风扇畸变试验采用固定式插板作为畸变发生器。试验采用两组插板，其相对插入深度分别为H1和H2(H=h/D，h为插板物理深度，且H1＜H2)。插板安装在稳压箱与试验件之间的光滑直通段上，距离试验件转子前缘3.75D(图2)。由于结构原因，AIP测量截面只能布置在转子前缘4.7b位置。在该截面上安排8支5点等环分布的梳状总压探针，其中一支正对插板中心，同时沿周向等角度分布8点壁面静压，总压与静压之间周向间隔15°，其测试布局定义为方案1，如图3(a)所示。进口温度采用放置在稳压箱进气隔栅上的4支铂电阻测量。风扇出口流场测量布局形式与均匀流的相同，按照行业标准[9]要求，沿周向不同叶栅通道内布置了6支5点梳状总压、总温复合探针，测取一个栅距内的流场分布，如图4所示。

图3 AIP截面8耙周向测试布局方案Fig.3 The circumference test distribution of 8 rakes at AIP section

图4 出口截面测试布局方案Fig.4 The test distribution at outlet interface

4 试验结果分析

试验先后录取了均匀流与进气畸变两种进气条件下的性能参数，并进行了相应的数据处理。风扇进口总压、总温采用算术平均方式得到进口平均参数，风扇出口总压、总温依据文献[9]在一个物理栅距内求平均的方式得到出口平均参数，再结合物理流量计算得到风扇的换算流量、压比、效率。通过性能参数对比发现，进气畸变条件下得到的流量、压比、效率均高于均匀流场测量值。其中流量高出0.7%～1.4%，压比提高1.2%～1.7%，效率增大5.0%左右，且70%转速时插板插入深度H2的效率比插入深度H1的高1.0%。造成这一不合理现象的原因可能是：

(1)AIP测量截面落入第2道旋涡，在该截面上存在回流，所测总压不能代表该截面真实值；

(2)进口AIP测量截面距离风扇转子较远，所测总压不能代表风扇进口真实总压值；

(3)图3(a)所示的AIP截面测试布局方式产生的误差较大；

(4)出口总压、总温沿一个物理栅距求平均的算法，不适合畸变试验单级风扇出口流场。

5 数据处理与修正

5.1 AIP截面存在回流

为确定AIP截面是否落入第2道旋涡，图5给出了各测点总压与相近周向角度下壁面静压差的分布结果。由图可知，各测点总静压差值均大于零，并且各环面的压差值具有良好的周向分布规律，准确反映了插板安装位置及其下游流场分布规律。因此，可以判定AIP截面没有落入第2道旋涡，所测压力值可以作为该截面真实值使用。

图5 AIP界面各总压测点与相邻壁面静压之差Fig.5 Difference between the total pressure at AIP and static pressure at adjacent interface

5.2 AIP截面距风扇转子较远

AIP截面的位置应尽可能靠近压气机进口，通常选在距进口100 mm内[2]。当距离较远时，所测参数不能代表压气机进口参数。图6给出了计算与试验的总压恢复系数沿流向的分布。从图6(a)计算结果可看出，在距离插板下游2.49D之前压力提升明显，在2.49D～3.11D之间总压恢复系数仍呈升高趋势；从图6(b)试验结果可看出，在距离插板2.50D～3.00D之间总压恢复系数提升非常明显，3.00D～3.50D之间逐渐变得平缓。对比计算和试验数据可看出，在2.50D～3.00D之间总压恢复系数分布趋势比较一致(均表现为2.50D～2.75D压力提升缓慢，2.75D～3.00D压力提升较快)。由于本文的风扇畸变试验中，AIP截面距离转子前缘4.7b(远大于100 mm)，可以确认AIP截面测取的压力必定小于风扇进口真实值。因此，直接用AIP截面测出参数计算得到的流量、压比和效率将偏高，必须将AIP截面的总压修正至风扇进口才能用于性能计算。

图6 总压恢复系数沿流向的分布Fig.6 Distribution of the total pressure recovery coefficient at flow direction

为准确修正AIP截面总压，在畸变发生器上开展了不同插板插入深度和进口马赫数下，总压恢复系数随插板下游距离的发展特性研究。图6(b)给出了部分状态点的总压恢复系数沿轴向的分布规律。利用该分布特性，结合某单级风扇进气畸变试验中插板前的马赫数，采用插值的形式求出该风扇进口总压恢复系数相对AIP界面的变化量。然后根据变化量对风扇进口总压进行修正，计算出修正后风扇的畸变性能。对比修正前，修正后流量、压比、效率均有所降低，90%转速时分别降低了1.2%、2.9%、5.8%；相对于均匀流性能效率降低了2.8%。从修正前后的分布趋势看，修正后的数据更符合进气压力畸变导致压气机性能下降这一理论，这表明进口总压的修正方法适合于该风扇试验。

5.3 AIP界面两种测试方案对比

目前8耙/40点测试方案有两种布局形式(图3)。为获取两种方案测试结果的差异，在畸变试验器上开展了吹风试验研究，AIP界面总压沿周向的分布如图7所示。可见，两种方案的测试结果沿周向具有很好的一致性，这说明试验状态的选取具有很好的重合性，有利于微小差异的对比分析。图8为不同进口马赫数下总压恢复系数的对比，可看出在研究范围内，两种方案的测试结果基本一致，最大偏差仅0.6%，对效率的影响小于0.3%。图9为两种测试方案的流场图谱，可看出两种方案的流场图谱差异较小，均能很好地反映AIP截面的流场分布。因此，可认为图3所示的两种测试方案对风扇的试验性能影响较小，所测压力值能代表该截面的真实值。

图7 AIP界面两种测量方案的总压周向分布对比Fig.7 Comparision of the total pressure in circumference between two different test methods at AIP section

图8 AIP界面两种测量方案的总压恢复系数对比Fig.8 Comparision of the total pressure recovery coefficient between two different test methods at AIP section

图9 AIP界面两种测量方案的压力场对比Fig.9 Comparision of the total pressure field between two different test methods at AIP section

5.4 出口流场数据处理

当单级风扇进口周向畸变过大时，畸变流场经过一级的衰减到达出口时仍存在周向畸变。图10为单级风扇畸变试验出口流场分布。可见，当进气压力畸变时，风扇出口总压、总温相对均匀进气仍存在明显的周向畸变，其环面不均匀度达均匀进气的两倍。此时，出口尾迹对流场的影响相对畸变流场小很多，如果出口总压、总温仍采用一个物理栅距内求平均的算法，将不能准确有效地表达低压区和低温区所占的比重，从而降低了对试验件性能评估的准确度。

图11为畸变试验出口流场按栅距和圆周(公式(1))求平均两种算法的平均总压对比。从图中可看出，沿圆周得到的平均总压均低于沿栅距的平均总压，其相对偏差范围在0.4%～1.1%之间，并且随着转速的升高而增加，如图12所示。因此，本文认为沿圆周求平均的算法更适合风扇出口周向畸变流场，该算法能较为合理地解决低压区和低温区对面平均值的影响。图13为进出口总压修正前后性能对比。可见，沿圆周求平均后，70%、85%、90%转速下的压比略低于均匀流的；插板H1与H2在70%转速的流量效率线基本重合，85%转速时插板H1的效率略高于H2的。从整个分布特性看，出口参数按圆周求平均的算法更符合进气畸变流场对风扇的影响规律。

图10 风扇出口总压、总温周向分布Fig.10 Distribution of the total pressure and total temperature in circumference at the fan outlet

图11 两种算法的平均总压对比Fig.11 Comparison of the average total pressure between two different methods

图12 相对偏差随转速的变化关系Fig.12 Variation of the relative deviation with rotating speed

式中：θ为相邻两梳状总压、总温复合探针之间的夹角(°)。

为进一步证明栅距和圆周求平均两种算法只在畸变流场中对性能有影响，对均匀流试验数据采用两种算法进行性能对比，结果如图14所示。可以看出，在均匀流试验中，出口总压按栅距和按圆周求平均的算法对性能影响非常小，相对压比偏差在0.6%以内，相对效率偏差在0.8%以内。结合图13可以说明，两种算法在畸变流场中对性能的影响较大，而在均匀流场中影响较小。图15给出了对进口总压、畸变指数进行修正，出口总压沿圆周求平均后得到的压力敏感系数随转速的变化关系。可以看出，修正后压力敏感系数离散点与拟合曲线的相关系数更接近于1(R2=0.982)；70%以上转速时压力敏感系数在0.97%～3.19%之间，90%转速时压力敏感系数只有0.97%，说明90%转速下风扇的抗畸变能力最强。

图13 畸变试验出口总压修正后性能Fig.13 Distortion Performance after the revision of the total pressure at outlet

图14 均匀流试验出口总压两种平均算法的性能对比Fig.14 Performance comparison between two different methods on the outlet total pressure with well-distributed inlet pressure

6 结论

(1)当AIP截面距离进口较远时，需对进口总压进行修正；

(2)AIP截面上两种8耙/40点的对称测试方案试验结果的差异较小；

(3)当风扇出口总压、总温明显存在周向畸变时，采用沿圆周求平均的算法比按栅距求平均的算法计算风扇性能更合理；

图15 压力敏感系数随转速的变化Fig.15 Variation of the pressure sensitivity coefficient with rotating speed

(4)通过对进口总压的修正和改进出口总压、总温算法，较好地解决了进气压力畸变试验中流量、压比、效率偏高的问题，成功获取了风扇的抗畸变能力，为该风扇部件稳定性评定提供了技术支持。

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Analysis and revision of performance errors of fan inlet pressure distortion experiment

WU Sen-lin，LIU Xian，YE Wei，XIANG Hong-hui，TANG Kai
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Mianyang 621010，China)

Focusing on the fact that the mass flow,pressure ratio,efficiency of inlet pressure distortion are larger than that of well-distributed inlet pressure,analysis indicated that is probably related to the location of the AIP,the measurement distribution and data processing of the outlet flow field.Therefore,different measurement distribution schemes were discussed,the flow field characteristic of AIP interface was stud⁃ied,and eventually a data revision at inlet/outlet total pressure based on the experiment was suggested.The revision was proved to be an effective way to solve the contradiction that the mass flow,pressure ratio,effi⁃ciency of inlet pressure distortion are larger than that of well-distributed inlet pressure.

aero-engine；single-stage compressor；pressure distortion；measurement scheme；data revision；pressure sensitivity coefficient；stability assessment

V231.92

A

1672-2620(2017)04-0016-07

2016-05-31；

2017-05-08

吴森林(1979-)，男，四川邻水人，高级工程师，主要从事压气机试验技术研究。