跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场测量

万钎君，向宏辉，张 军，王统林，钟 明

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油621703)

跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场测量

万钎君，向宏辉，张 军，王统林，钟 明

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油621703)

利用小型五孔探针测量了不同工况下单级跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场。结果表明，静子出口有明显的尾迹特性，其对后排叶片的影响不容忽视。静叶角度调节对静子叶片出口气流角及尾迹形状有较大的影响。弯曲叶片对端壁角区低能流体具有径向迁徙作用，有利于提高压气机扩压能力。叶尖、叶根及静叶吸力面侧尾迹区，是高阻滞、高损失、高涡量区。径向速度在叶根及叶尖呈现较大的周向不均匀度，切向速度、轴向速度在叶根也存在较大的周向不均匀度。

小型五孔探针；单级跨声轴流压气机；三维流场测量；弯曲静叶；静叶出口；二次流

1 引言

在多级叶轮机械中，后排叶片会受到前排叶片尾迹的影响而产生非定常效应，导致气动性能及流动特性变化，从而影响整个叶轮机械的性能[1-2]。为此，国内外研究人员对叶轮机械叶排尾迹流动特性开展了大量的研究[1-6]。McNerney等[1]对风机出口进行了噪声测量，分析了尾迹效应对叶轮机性能的影响。Sanders等[3]利用PIV技术，对跨声轴流压气机动叶与静叶之间的流场进行了测量，分析了动-静叶互相干涉现象。为获得正弯静叶在压气机中的性能特点，陆华伟等[5]利用五孔方向探针，分别对采用带根部间隙的直静叶和正弯静叶的重复级低速轴流压气机在不同流量工况下的静叶出口流场进行了实验测量。项效镕等[6]基于小型轴流压气机实验台，运用热线风速仪(HWA)对不同转速、流量工况下静叶排出口尾迹流动特性进行了实验研究。这些研究对控制流动损失、提高叶轮机械效率、深入探讨叶轮机械非定常效应有着极其重要的意义。

本文将某航空发动机多级轴流压气机的第一级设计为一台单级跨声轴流压气机试验件，对其进行性能试验及流场研究。利用小型五孔探针，对压气机弯曲静叶出口三维流场进行精细测量，得到了不同工况下压气机弯曲静叶出口时均三维流场参数及流场非定常特性。研究重点在于分析不同工况及静叶调节角度下，压气机弯曲静叶出口流场和尾迹特性，及其对后排叶片的影响，以期为该多级轴压气机设计改进提供技术支持。

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全台压气机试验器上进行，该试验器为敞开节流式轴流压气机试验器，试验器详情见参考文献[7]。试验件结构见图1，由进口测量机匣、单级压气机、出口测量机匣组成。零级导叶和第一级静叶安装角可按需调节，试验件一级静叶为弯曲静叶，槽道宽约28 mm。

3 静叶出口流场测试方案及数据处理

用小型五孔探针测量了两个不同工况(相对换算转速 nˉ=0.95工作点和 nˉ=1.00设计点)下的静叶出口流场。该五孔探针头部为圆锥形，直径为3 mm；五孔探针由位移机构带动，该位移机构可按照预设方案沿周向及径向移动。静叶出口流场测量截面的轴向位置位于一级静叶后Z/B=0.4处(Z为轴向距离，B为叶片中径处轴向弦长)，径向测量13个叶高位置。其中，邻近壁面两个叶高间距为3 mm，中间间距为5 mm，最靠近流道内外壁面的叶高位置分别距内、外壁面4 mm，可测量10.9%～91.7%叶高范围。每个叶高位置周向测量13点，间隔0.8°，周向测量宽度接近1.8倍静叶槽道。测量截面如图2所示，总共布置169个测点，整个截面测量可清晰捕捉到静叶出口的详细流场信息。试验件进、出口均安排了总性能测量截面(见图1)，用于测量压气机性能参数，确定其工作状态。

图1 试验件结构及测量截面简图Fig.1 The compressor configuration and the measurement sections

图2 测点分布Fig.2 Distribution of measurement points

文中所用主要参数定义如下：总压升系数

径向速度周向不均匀度

切向速度周向不均匀度

轴向速度周向不均匀度

式中：ptin、ptou分别为压气机进、出口总压，ρtin为进口空气密度，K为每个叶高的采样点数分别为同一叶高上各测量点径向、切向和轴向速度的平均值分别为同一叶高下K个测量点径向、切向和轴向速度的平均值，Utip为测量工况下的动叶叶尖切向速度。

4 试验结果分析

以下结果分析图中，PS代表一级静叶压力面，SS代表一级静叶吸力面。出口处静子叶型及其相对于测量流场的位置，是根据静子出口处叶片形状结合测量工况下静叶角度调节引起周向位置变化共同确定。由于是估算出的叶型及其位置，而实际试验时叶片及其位置是空间三维的，因此图中出口处静叶叶型及相对位置可能与实际情况有所偏差，仅供分析流场时作参考。

4.1 气流偏转角分布

图3 气流偏转角分布Fig.3 Distribution of pitch angle

偏转角α方向定义为顺气流沿试验件轴向逆时针为正。图3示出了两个工况下静叶出口气流偏转角分布。可见：nˉ=0.95工作点，尾迹及叶根处的气流偏转角明显大于主流区，主流区中间叶高气流偏转角为-6°～-9°，与此工况下一级静叶角度-6.91°吻合；叶尖及叶根角区由于气流与流道壁面的旋转摩擦作用，气流偏转角最大，为-16°～-20°；流道中部尾迹气流偏转角大于主流，在-10°～-15°之间。nˉ=1.00设计点，主流区中间叶高气流偏转角为0°～-2°，与此工况下一级静叶角度0°吻合；叶尖及叶根角区气流偏转角最大，为-5°～-8°；尾迹引起的偏转角在-3°～-5°之间。从图3(c)中节距平均气流偏转角沿径向的分布规律可看出，在nˉ=0.95工作点，由于调节了静叶角度，引起的气流偏转更大，气流角沿叶高的差异也更大；两个工况下接近叶中处气流偏转最小，从叶中至叶尖及叶根，气流偏转逐渐增大。

4.2 气流俯仰角分布

俯仰角 β方向定义为气流向流道内壁面偏转为正。图4示出了两个工况下静叶出口气流俯仰角分布。可见：在nˉ=0.95工作点，主流区俯仰角基本向流道内壁面偏转；靠近内壁面端壁区(0.2叶高以下)，由于气流与轮毂的刮擦作用，角度变化梯度明显；此区域俯仰角为负值，向流道外壁面偏转，且越靠近内壁面偏转越大，最大值约为-7°。在nˉ=1.00设计点，由于转速增加，离心力增大，出口截面通道下半部(0.5叶高以下)气流俯仰角基本向流道外壁面偏转；靠近内壁面端壁区，俯仰角向外壁面偏转的最大值约为-10°。

4.3 总压升系数分布

图5示出了两个工况下静叶出口的总压升分布。从图5(a)和图5(b)可清晰看出静叶尾迹及整个流场，由于叶根的几何弯曲，流道根部叶片尾迹向压力面推移。图5(a)中由于调节了导叶角度，叶根尾迹向压力面弯曲更严重，说明调节导叶角度对尾迹的形状有较大影响。静叶端部尾迹与气流和轮毂旋转摩擦作用生成的附面层高损失区结合，形成了叶根及叶尖的低能流体聚集区；由于流量及转速的增加，导致静叶端部损失加剧，使得图5(b)中的叶根及叶尖的高损失区更明显。从图5(c)可看出，由于弯曲静叶对端壁角区低能流体的径向迁移作用，从叶根到叶中总压升效果明显，提高了压气机扩压能力；但从叶中至流道外壁面扩压能力与叶根相比有所降低。总体来看，弯叶片对气流的扩压能力在径向分布上较均匀，有利于下一级动叶沿叶展方向均匀加功。

4.4 二次流分布

图4 气流俯仰角分布Fig.4 Distribution of yaw angle

图6示出了两个工况下静叶出口的二次流矢量流线图，其中背景云图为马赫数分布。结合二次流矢量及马赫数分布可看出，叶尖、叶根及静叶吸力面侧尾迹区是高阻滞、高损失、高涡量区。结合流线、马赫数分布及静叶叶型可知，在静叶排气边缘，由于吸力面与压力面的压力梯度，形成了叶片尾迹处压力面至吸力面的二次流动；而在叶片通道内部，由于压力面与吸力面的压力梯度，形成了叶片通道内从压力面至吸力面的二次流动；上述两个方向相对的二次流在静叶吸力面侧汇合，造成能量损失，形成静叶吸力面侧的低能量尾迹流动区；该区域有较大的径向潜流，且马赫数低，流动阻滞。由于叶根角度的折转，叶根角区位置向压力面推移。叶根二次流动强于通道其他区域，图6(b)叶根区域由于转速及流量增大，流动分离加剧，在靠近压力面侧形成了明显的二次涡旋结构。

图5 总压升系数分布Fig.5 Distribution of total pressure rise coefficient

图6 二次流矢量流线分布Fig.6 Vector and streamline distribution of secondary flow

4.5 周向不均匀度分布

图7显示了两个工况下静叶出口速度的周向不均匀度沿叶高的分布。由图可看出：径向速度、切向速度以及轴向速度，在静叶根部均呈现出较大的周向不均匀度，与二次流分析结果相符，显示流道底部由于旋转气流的刮削及角区低能物质堆积，存在较大的非定常流动。在流道顶部及底部，由于附面层分离及泄漏流动，形成了较大的径向速度不均匀度。根据不均匀度量值评判，其非定常性对后排叶片的影响，轴向速度最大，切向速度次之，径向速度最小。

5 结论

利用小型五孔探针对单级跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场进行了测量，为压气机设计改进提供了详细的精细流场数据。试验数据分析表明：

图7 速度周向不均匀性沿径向的分布Fig.7 Radial distribution of the circumferential asymmetric degree of velocity

(1)静子出口有明显的尾迹特性，其对后排叶片的影响不容忽视；静叶角度调节对静子出口气流角度分布及尾迹形状有较大影响，增大静叶角度会引起静叶出口气流角沿叶高分布的差异增大。

(2)试验件采用的弯曲静叶叶型对端壁角区低能流体具有径向迁徙作用，有利于提高压气机扩压能力，并使叶片的扩压能力在径向分布上较均匀，有利于下一级动叶沿叶展方向的均匀加功。

(3)流道顶部及底部均存在较大的径向速度不均匀度。径向速度、切向速度、轴向速度均在静叶根部呈现最大值，表明气流在静叶根部存在较大的非定常特性。

[1]McNerney G M，van Dam C P，Yen-Nakafuji D T.Blade wake interaction noise for turbines with downwind rotors[R].AIAA 2003-1184，2003.

[2]Sanders A J，Fleeter S.Rotor blade-to-blade wake vari⁃ability and effect on downstream vane response[J].Journal of Propulsion and Power，2002，18(2)：456—464.

[3]Sanders A J，Papalia J，Fleeter S.A PIV investigation of rotor-IGV interactions in a transonic axial-flow compres⁃sor[R].AIAA 99-2674，1999.

[4]李绍斌，陈 浮，颜培刚，等.大折转角弯扭静叶对跨声速压气机出口流场影响的实验研究[J].工程热物理学报，2010，31(10)：1659—1662.

[5]陆华伟，郭 爽，陈 浮，等.带根部间隙的直、弯压气机静叶流场的实验[J].推进技术，2009，30(5)：581—587.

[6]项效镕，刘 波，王庆伟，等.小型轴流压气机静叶排出口尾迹流动特性[J].航空学报，2009，30(11)：2045—2051.

[7]顾 杨，崔 健，夏 联，等.压气机带静叶优化的引气试验研究[J].燃气涡轮试验与研究，2004，17(4)：15—19.

Measurements of three-dimensional flow field at exit of a bowed stator in a transonic axial compressor

WAN Qian-jun，XIANG Hong-hui，ZHANG Jun，WANG Tong-lin，ZHONG Ming
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Under different work conditions,three-dimensional flow field at exit of a bowed stator in one-stage transonic axial compressor was investigated by a small five-hole probe.The results show that ob⁃vious wake characteristics at exit of the stator have considerable influence on the next stage.Stator angle ad⁃justing changes wake and pitch angle obviously.The bowed stator can lead the radial diffusion of the flow at endwall corner zone and elevate the pressure diffusion capability of the compressor.There are high block,high loss,high vortex in the areas of tip,root,and wake of the stator suction surface.The radial velocity ap⁃pears great circumferential asymmetric degree in the tip and root area;the tangential velocity and axial ve⁃locity all appear great circumferential asymmetric degree in the root area.

small five-hole probe；one-stage transonic axial compressor；three-dimensional flow field measurement；bowed stator；exit of stator；secondary flow

V232.4

A

1672-2620(2017)04-0023-05

2016-09-15；

2017-07-28

万钎君(1977-)，女，四川江油人，高级工程师，硕士，主要从事压气机试验测试工作。