轴流压气机试验台及流场测量技术综述*

戴怡峰 琚亚平 李 震 张楚华

（西安交通大学能源与动力工程学院）

0 引言

实验、数值模拟和理论分析是研究轴流压气机的三种基本方式。其中，实验是最直观、最准确、最令人信服的，不论是数值模拟还是理论分析，最终都要通过实验来验证。轴流压气机试验台是实验研究的载体工具，试验台的设计直接关系到实验本身。通过合理的结构设计和布置，可以提高实验的测量精度，并试现预期的实验功能。以此获得详试准确的实验数据，用于校核CFD 代码、研究流动机理和验证新的设计方法等。

由于高压压气机后几级尺寸小，很难对流场进行准确测量，GE公司提出了低速大尺寸压气机试验技术[1]。低速大尺寸压气机试验技术是基于流动相似准则，将高速小尺寸真实压气机转换为低速大尺寸模型，并在实验室环境下对低速大尺寸模型进行流场测量，诊断不足之处，指导设计研发。目前，常用的低速大尺寸压气机试验台以单级[2-4]和四级重复级[5-7]为主。但是，低速试验台压气机内部流动的马赫数较小，往往忽略了可压缩性的影响。对于研究某些可压缩性较强的流动物理现象，高速试验台必不可少。而如果要模拟存在激波影响的超声速流动，则需要跨音速试验台。相比于低速试验台，高校中高速试验台相对较少，而且以单级为主[8-10]。从公开文献中调研到的多级高速轴流压气机试验台很少，主要有里昂中央理工大学的3.5 级高速试验台[11]和亚琛工业大学的2.5 级高速试验台[12]。

轴流压气机试验台可以分为进气系统、轴流压气机、排气系统、驱动系统和测量系统等。进气系统位于压气机上游，为压气机提供所需的进气条件。排气系统位于压气机下游，通常装有节流阀和排气蜗壳。压气机的测量技术主要分为接触式和非接触式测量两大类。接触式测量以各种气动探针和热线（热膜）风速仪为典型代表，是压气机实验中最常用的测量工具。它们成本低、布置简单、信噪比高，但是其空间分辨率低，且会对流场产生干扰。非接触式测量，通常测量精度高，测速范围大，对流场干扰小，但具有成本高、布置复杂的缺点。

1 轴流压气机试验台

1.1 进气系统

轴流压气机试验台进气系统的主要功能是引导气体进入试验段，减弱或消除环境参数扰动的影响，保证压气机试验段进口的气流品质满足试验要求。

压气机的性能参数包括流量、总压比和效率，这些参数的测量通常会用到定常探针，其测量精度受空气扰动影响，特别在进气系统非常短的情况下（如北航的低速模拟轴流压气机试验台[4]），受空气扰动的影响更大。Liu等人[13]通过试验研究了不同流动模式下进口旋涡的形成，发现进口中心高度与进口喉部直径的比值是衡量是否产生进口旋涡的关键参数。当进口喉部的平均流速与环境流速之比为30而进口中心高度与进口喉部直径之比大于2时，进口不会形成来自地面的旋涡。

大多数轴流压气机试验台的进气口端做成喇叭口状，紧随喇叭口是一段长的直管段，可以有效地减弱空气扰动的影响，同时能够保证压气机进口流动的均匀性。如果进气系统存在弯头等破坏流动均匀性的结构，则需要通过一定的方式来保证压气机进口的流动足够均匀。NASA刘易斯研究中心通过在小型发动机部件压气机试验台[14]的进气弯头的下游设置一个带屏风的大尺寸进气室来给压气机进口提供均匀的流动。约翰霍普金斯大学的闭环式折射率匹配试验台[3]在90°弯头的下游安装了两个蜂窝结构作为流动整直器以消除旋涡；紧随蜂窝结构是一小段流道呈收缩状的锥形进口，用于减弱上游的扰动；其后是一段相当长的等截面的环形流道，以使流动在压气机进口足够均匀且达到接近充分发展圆管湍流的流动状态。达姆斯塔特工业大学在跨音速轴流压气机试验台进气系统[9]的弯头处安装了一系列导流筋以引导流动。在进气口端的上游加装一个大尺寸进气室也有助于隔绝环境空气的不利影响，NASA 刘易斯研究中心的低速压气机试验台[15]（见图1）、普渡大学的3.5级轴流压气机试验台[16]（见图2）和里昂中央理工大学的3.5 级高速轴流压气机试验台[11]（见图3）都采用了这种布置。这些都是可以作为参考的处理方案。另外，为了保证压气机效率测量精度小于1%，美国赖特帕特森空军基地[17]对进气喇叭口截面及其附近的空气流动质量（压力、动压头、温度和湍流强度）提出了明确的要求。他们建议压力和湍流强度的变化相对于平均值的偏差小于1%，温度的偏差小于0.5%。

图1 NASA刘易斯研究中心的低速压气机试验台[15]Fig.1 Low-speed compressor test rig in NASA Lewis Research Center[15]

图2 普渡大学3.5级高速轴流压气机试验台[16]Fig.2 3.5-stage high-speed axial compressor test rig in purdue university[16]

图3 里昂中央理工大学的3.5级高速轴流压气机试验台[11]Fig.3 3.5-stage high-speed axial compressor test rig in ecole centrale de lyon[11]

进气系统除了承担调节流动的功能，同时也是测量流量的理想位置。在压气机流量测量中，差压式流量计是最常用的流量测量装置。标准差压式流量计有孔板、喷嘴和文丘里管，它们的标准化程度高，在适用范围内不需试流标定即可准确预估流量与差压的关系及其测量误差[18]。差压式流量计的测量精度很大程度上取决于一次装置上下游直管段的长度。以孔板为例，对于一次装置上游存在单个90°弯头、孔径比为0.75 的孔板，标准GB/T 2624 规定孔板的上下游最短直管段分别为20D和4D（D为管道直径）。实际上，由于现场条件的限制，往往无法满足上述要求，工业上通常认为上游10D、下游5D即满足要求。NASA刘易斯研究中心的小型发动机部件压气机试验台[14]通过孔板测量流量，并且孔板上游的直管段通过90°弯头分别吸入三种不同的进气条件，孔板上下游直管长度段分别约为（10～11）D和（4～5）D。

高速轴流压气机通常代表着高压比和大功率。为了减少功率消耗，里昂中央理工大学[11]和圣母大学的轴流压气机试验台[19]通过在进气系统设置节流阀等机构来降低进气压力，进而降低压气机功耗。

1.2 轴流压气机

最常见的研究型低速轴流压气机为单级和四级的结构形式。四级结构可以很好地模拟高压压气机多级环境。NASA 四级低速轴流压气机[5]以第三级作为试验研究级，进口导叶和前两级为第三级提供真试的多级进口条件，第四级为第三级缓冲压气机出口条件。南京航空航天大学低速轴流压气机[6]为四级重复级，其第三级的流量系数和压升系数与被模拟级相同以准确模拟高压压气机被模拟级。相较于四级结构，单级结构难以模拟多级压气机环境。为了克服上述缺点，剑桥大学[20]在压气机进口整流栅上游设置进口总压/速度调节格栅来模拟多级来流环境。北京航空航天大学[21]对传统单级结构进行改进，提出一种五排叶片（进口导叶+静叶+动叶+静叶+出口导叶）的结构形式，进口导叶和第一排静叶为试验研究级提供近似多级的进口条件，出口导叶为试验研究级提供下游叶片效应。

1.3 排气系统

轴流压气机试验台排气系统的主要作用是将压缩气体引导至下游装置，其主要由节流阀和排气室及其下游的管道组成，少部分试验台没有排气室，气流从压气机后的环形流道直接排出[4]。

节流阀的作用是在定转速下调节流量，同时要求不影响压气机出口的流动状态，并且能够快速的启闭。常用的节流阀有蝶阀和锥形阀，里昂中央理工大学[11]和克兰菲尔德大学的压气机试验台[22]都通过在排气段安装蝶阀来调节流量。圣母大学的压气机试验台[19]在压气机上游的进气段和下游的排气段各安装了一个蝶阀，这样压气机的工况点就可以通过同时改变压气机上游和下游的压力来调节。此外，进气段的蝶阀降低了压气机的进口压力，从而减少了压气机消耗的功率。普渡大学[16]和北京航空航天大学的轴流压气机试验台[4]通过压气机下游的锥形阀调节流量，其基本原理是通过电机控制扩压段出口的圆筒形滑环的位移来调节流量。为了最大限度的减小旋流式蜗壳出口静压分布的周向不对称，NASA 刘易斯研究中心专门设计了一个节流阀[15]。该节流阀位于排气蜗壳进口，由两片同心圆环组成，在每个圆环上都有一系列相互重合的小孔，通过改变两片圆环的相对周向位置，就可以改变气流通过的面积进而调节流量。

压气机的喘振除了与压气机内部流动的恶化有关外，还与压气机下游的管网有密切的关系。当下游管网的容量很小时，整个系统是稳定的，不会发生喘振；而当管网容量很大且压气机又处于旋转失速时，就有可能发生喘振[23]。为了确定压气机管网系统发生旋转失速和喘振的条件，Greitzer[24]通过实验研究提出了一种无因次参数B作为判断准则，即

式中，u是压气机叶片平均半径处的圆周速度；a是当地音速；Vp是压气机下游储气室到节流阀的容积；Ac是压气机环形流道截面面积；Lc是压气机及其后的环形流道长度。当B＜0.6时，只发生旋转失速；当B＞0.7时，则出现喘振。在设计排气蜗壳时，B值越小越好。

1.4 驱动系统

压气机的驱动有电机和燃气轮机两种形式。实验室环境下通常采用电机驱动系统，主要是电机和传动轴，有时还包括齿轮箱和变频器等辅助设备，其主要作用是驱动转子在特定的转速下转动。驱动系统布置应以不影响压气机进口流动且能保持恒定的转速为基本原则。如普渡大学的三级轴流压气机试验台[16]，其电机最初布置在进气口的前方。2007年，Key教授接手该试验台后注意到压气机在长时间运行后，很难保持工作条件不变。由于传动系统位于进气口的前方，空气在吸入压气机时受到了电机的影响，导致进气温度和流动的不均匀。另外，由于转速对齿轮箱内油的温度和流量敏感，长时间运行后转速难以保持恒定。为了解决转速不稳定和压气机进气受驱动系统影响的问题，Key教授在2007至2009年间对该试验台进行了升级改造，把一个新的电机布置在了压气机后方，压气机由前置驱动改为了后置驱动。

2 轴流压气机内部流场测量技术

2.1 接触式测量技术

轴流压气机试验中的流场测量参数主要有压力、温度、速度矢量和流量等，按照响应的快慢可以分为定常测量和非定常测量两类。通常，对于定常测量，总压采用总压耙或总压探针测量，静压采用静压孔测量，温度采用热电偶测量，速度矢量采用五孔探针测量；对于非定常测量，压力和温度采用动态传感器测量，速度矢量采用热线（膜）风速仪测量。对于流量，压气机一般工作于稳定工况下，流量只随时间发生微小和缓慢的变化。常用的流量测量装置有孔板、喷嘴和文丘里管等差压式流量计；除此之外，刘宝杰等[25]通过测量进气口截面的壁面静压、环境大气压和温度，按照伯努利方程计算得到流量，Zhu等[7]测量了进口截面的静压、总压和总温，通过经修正的流量公式计算得到流量，Boos 等[4]利用经五孔探针校准的进口喷嘴测量流量，Tan 等[3]用皮托管测量截面的速度分布，进而对面积积分求得流量。由此可见，流量是一个间接测量的物理量，它的测量精度受到压力、速度、温度等直接测量量的影响。

总压比和效率是轴流压气机的基本性能参数。总压比ε的计算需要测量压气机进出口截面的总压。效率通常采用轴效率，这是因为等熵效率分母上的进出口温差通常非常小，由此将会带来很大的误差。轴效率的计算需要测量轴的扭矩和转速、压气机进出口截面的总压、压气机进口的总温和质量流量[25]。总压比ε和等熵效率ηs的计算公式如下：

式中，P*表示总压；T*表示总温；k表示绝热指数，下标in和out分别表示压气机进口和出口截面。

压气机的每一级包括一排动叶和一排静叶。动叶下游常采用五孔探针测量气动参数的一维径向分布，静叶下游常测量气动参数的二维分布，并在端壁和尾迹区进行测点加密[7,26]。图4 为动叶下游和静叶下游五孔探针的测点布置。另外，林显巧等[27]在动叶下游截面上也按照图的方式测量参数的二维分布。压气机端壁或叶片表面的定常静压可以通过壁面静压孔测量，非定常静压可以通过动态压力传感器测量[28-30]。图5为表面动态压力传感器。静叶道内的流动测量与静叶下游的测量方法类似。动叶道内的流动测量相对来说比较困难，需要安装一个使探针旋转的装置，当动叶转动时允许探针周向移动，探针的输出信号通过滑环从旋转参考系转换到静止参考系[7]。图6为普渡大学3.5级轴流压气机的机匣设计[16]，包含叶顶间隙静压孔、动叶上游的非定常失速测量孔和非嵌入式应力测量孔、叶片排间的耙孔和静压孔以及位于动叶排的观察窗口。与常规的测量孔周向均匀布置的方式不同，该机匣的测量孔大都紧挨排布。

图4 动叶下游和静叶下游五孔探针的测点布置[26]Fig.4 Distributions of five-hole probe measuring points for downstream of rotor and the stator[26]

图5 表面动态压力传感器Fig.5 Surface dynamic dynamic pressure sensors

图6 机匣探针孔布置[16]Fig.6 Distributions of casing probe holes[16]

2.2 非接触式测量技术

非接触式测量技术主要利用光学进行测量，有粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）、激光多普勒测速（Laser Doppler Velocimetry，LDV）、压 敏 涂 层（Pressure Sensitive Paint，PSP）和 温 敏 涂 层（Temperature Sensitive Paint，TSP）等。与接触式测量相比，非接触式测量对流场的干扰小，且能获得高的空间分辨率[31]，是一类很有前途的高精度流场测量技术。在轴流压气机中，速度和压力是最重要的两个基本参数，本文主要介绍测量速度的PIV技术和测量压力的PSP技术。

最初，PIV 的发展受到流体力学和空气动力学对空气和水流动研究需求的推动，随后逐渐应用于不同的领域，并衍生出许多特殊的PIV技术，如测量微米尺度流场的微流体粒子图像测速技术（Micro-PIV[32]）；高时间分辨率（图像采集的帧速率）的时间分辨（Time-Resolved）PIV[33]；同时测量一个以上平面的三维PIV 技术，包括双平面（Dual-Plane[34]）、多平面（Multiple-Plane[35]）、层析（Tomographic）[36]、全息（Holographic）[37]等PIV 技术；低粒子浓度的粒子追踪测速技术（Particle Tracking Velocimetry，PTV）及三维PTV技术[38]等。PIV 的独特优势是全场速度测量，另一种非接触式速度测量技术LDV，虽然其测量精度一般比PIV 高，但仅能单点测速，这限制了LDV 在轴流压气机中的应用。上世纪70 年代，Wisler 等[39]首先将LDV 应用于轴流压气机。国内LDV 在轴流压气机中的应用起步较晚，90 年代末，蒋浩康、马宏伟等[40-42]采用LDV 测量了动叶叶尖区域的三维流场；此后，LDV 在轴流压气机中的应用鲜有报道。关于轴流压气机内部流动速度矢量的非接触式测量技术，本文主要介绍二维二分量（2D-2C）PIV 和二维三分量（2D-3C）PIV，它们也分别被称为数字粒子图像测速技术（Digital Particle Image Velocimetry，DPIV）和体视粒子图像测速技术（Stereoscopic Particle Image Velocimetry，SPIV）。

在轴流压气机领域，压气机叶顶间隙的尺寸非常小，其流场无法采用探针测量，而PIV作为一种非接触式测量方法，非常适合此类测量。Voges等[43]在达姆斯塔特工业大学的1.5 级跨音速轴流压气机试验台上采用DPIV 技术测量了机匣处理叶尖区域的流动，测量平面垂直于径向。如图7所示，试验中用到了两个内窥镜用于投影片光。内窥镜1位于进口导叶出口并与测量区域错开，用于将片光投影到87.5%和95%动叶叶高的位置。内窥镜2位于静叶下游，所投影的片光穿过静叶叶道到达99%动叶叶高的位置（叶顶间隙内）。内窥镜1 和内窥镜2 的外径分别为20mm和12mm，所投影的片光发散角分别为10°和7°，片光厚度都为1mm。相机的拍摄角度垂直于片光平面。粒子发生器安装于进气喇叭口上游的沉降室内，粒子平均直径为0.5μm。为了降低来自叶片表面的激光反射，将整个转子涂成黑色。图8 为100%转速下测得的零相位时三个叶高平面上的速度分布。

图7 激光内窥镜布置[43]Fig.7 Layout of laser periscope[43]

图8 DPIV测量结果[43]，1，2，4表示激波Fig.8 Measuring results of DPIV[43],1,2,4 indicate shock waves

需要指出的是，上述实验只测量了平面内的两个速度分量。为了得到平面外的第三个速度分量，Voges等[44]设计了如图9所示的相机布置，除了DPIV中一台垂直于片光平面的相机之外，另外布置了两台相机。其中，相机3通过一块反射镜来拍摄待测平面。因此，虽然相机2 和相机3 在同一侧，但是它们关于相机1是对称的。图10为测量到的三维速度场，可以看出左侧区域平面外的速度分量占主导地位，这显然是不合理的。实际上，相机3以后向散射方式观察流场，片光照亮的靠近机匣的平面边缘处出现了强烈的激光反射，在该区域第三个速度分量重构的残差在15～20px左右，表明三维重构存在问题。在排除因校准不足而带来的误差后，为了更精确地识别误差来源，作者采用Raffel 等[31]提出的最小二乘法进行手动三维速度场重构，发现平面外过大的速度分量与由激光反射引起的错误的X方向速度分量直接相关。通过对相机1中未受激光反射干扰的平面内二维位移的交叉检验，考虑到手动三维重建结果以及相机1 和相机2、相机3 组合时不确定性增加，因此只有基于相机2和相机3的三维成像结果才能进行合理可靠的三维速度场计算。以上研究揭示了在进行SPIV实验时相机的合理布置，即两台关于测量区域片光平面成对称的相机组合。

图9 SPIV相机布置[44]Fig.9 Layout of SPIV cameras[44]

图10 SPIV测量结果[44]Fig.10 Measuring result of SPIV[44]

与Voges 等[44]将三台相机水平对称布置不同，Wernet等[45]在NASA Glenn研究中心4.5级低速大尺寸试验台上进行SPIV 实验时，将两台相机竖直非对称布置。如图11 所示，上方相机在水平线上20°，下方相机在水平线下10°以减少叶片吸力面的反光。为了进一步减少叶片的反光，将测量区域的铝制动叶刷成黑色，并且在测量时锁相于铝制叶片。如图12 所示，内窥镜位于进口导叶出口，片光没有照到叶片压力面。尽管内窥镜直接安装在测量区域的上游，但进口导叶使流动朝转子旋转方向偏转，从而使内窥镜的尾迹沿片光上边缘移动，最终离开了相机视野。图13为DPIV和CFD结果的比较。

图11 SPIV相机布置[45]Fig.11 Layout of SPIV cameras[45]

图12 激光内窥镜布置[45]Fig.12 Layout of laser periscope[45]

图13 DPIV测量结果（上）与CFD结果（下）比较[45]Fig.13 Measuring results of DPIV(up)and CFD(down)[45]

在以上几个实验中，片光平面都垂直于径向，Zhu等[46]在一台轴流风机上对靠近机匣的三个不同相位的子午平面区域进行了DPIV测量。如图14和图15所示，该测量区域部分在动叶道内，片光探头和相机都位于机匣外部，且相机拍摄角度和片光平面相互垂直。能够采取这种布置是因为实验对象是轴流风机，叶片的稠度小、安装角大，不会遮挡测量区域的光路。实际上，在轴流压气机中很难采取这种布置，因为压气机稠度大且叶片扭曲，严重遮挡了光路。于贤君等[47]在北京航空航天大学的单级低速大尺寸轴流压气机试验台上采用SPIV技术结合锁相技术测量了动叶道内的流动。如图16所示，片光探头和相机同样都位于机匣外部。实验中，两个CCD 相机位于片光平面的两侧，片光厚度为1.5mm。为了使相机能够无遮挡地拍摄到片光平面，片光平面与叶尖弦长相垂直，因而基本上垂直于流向。但是，轴流压气机中的许多流动结构，如复杂的涡结构和二次流的结构，主要是沿着流向的，因而沿着流向的信息是最有价值的，该布置只能作为沿流向平面PIV测量的补充。图17为设计工况下垂直于测量平面的无量纲速度分量和涡量的分布。

图14 三个测量平面[46]Fig.14 Three measuring planes[46]

图15 DPIV布置[46]Fig.15 Schematic Layout of DPIV[46]

图16 片光和相机布置[47]Fig.16 Layout of light sheet and cameras[47]

图17 SPIV测量得到的流向速度和涡量的分布[47]Fig.17 Distributions of SPIV measured streamwise velocity and vorticity[47]

实际上，PIV测量的是示踪粒子的速度，因而示踪粒子与PIV 的测量精度直接相关。示踪粒子应满足良好跟随性、待测区域示踪粒子的浓度适中且分布均匀等要求。大多数轴流压气机PIV 实验中，粒子直径小于10μm[43,45-47]。示踪粒子的投放位置主要有进气喇叭口上游的大空间[44,47]和压气机上游一定距离处的管道内[45]。为了更均匀地投放示踪粒子，投放装置可以做成由一系列小管道组成的格栅状投放器[31,47]。

在进行PIV实验前，应对待测平面进行校准。于贤君等[47]用一块尺寸为200×150×2mm的黑板作为标定靶，上面有间距为5mm、直径为1mm 的透明点状网格，点与点的中心用直线相连，并且其一条边是弯曲的，以贴合观察窗口的内表面。校准时，对于每个待测平面，通过精确控制的位移机构控制标定靶位移，每隔0.2mm 校准一次，共校准11 个平面位置。Tan 等[3]采用Wieneke[48]提出的SPIV 校准方法，即先用标定靶进行粗校准，再用记录的粒子图像进行精细校准。另外，在机匣窗口比较薄的情况下，也可以不进行校准[49]。

20 世纪80 年代以来，PSP 被广泛应用于流体力学、空气动力学领域。与传统测压孔和内嵌式压力传感器相比，PSP 具有空间分辨率高、不受模型几何限制等优点。PSP测量系统主要包括PSP涂料、激发光源和相机三部分[50]，测量过程主要分为涂料校准和表面压力测量两部分[51]。由于轴流压气机结构复杂、空间狭小，PSP实验难度大，而在应用于压气机转子叶片时问题更多。1997 年，普渡大学Liu等[52]首先在压气机转子叶片上开展PSP实验。本世纪初开始，西北工业大学对PSP技术及其在轴流压气机中的应用进行了深入研究：高丽敏等以国产PSP涂料和自建的涂料校准装置研究了激发光强度、CCD相机光圈对涂料校准结果的影响，试验结果表明需要足够的激发光强度以使光敏分子能级跃迁，相机光圈值却大采集图像信噪比越高[53]；在基础上测得了某叶栅二维压力图谱，并进行了三维重构，得到了三维叶片表面压力分布[54]，发展了自主PSP 图像三维重构程序[51]；在完成静子叶片表面PSP 压力测量后，将PSP技术扩展到低速转子叶片，提出了基于CCD的短曝光图像增强采集方法以解决转子运动带来的图像模糊问题[55]。而在高速转子叶片PSP 实验中，图像模糊问题更加严重，同时还存在温度误差、PSP 涂料高温失效等问题[56]。上海交通大学彭迪等[56]在高速离心叶轮两个叶片上喷涂PSP 用于压力测量，并在另一个叶片上喷涂TSP 测量温度分布以修正PSP 结果。在公开文献中，还未见PSP 技术在高速轴流压气机中的应用。

3 总结与展望

本文结合国内外轴流压气机研究型台位的现状，总结了进气系统、排气系统、驱动系统以及常用的流场测量技术。面向不断挑战极限的航空发动机和燃气轮机的发展需求，轴流压气机研究型台位将朝着更高负荷、更大流量方向发展，此外，轴流压气机流场测量技术是接触式和非接触是测量技术的结合，如何更好解决“测得到”、“测得准”、“测得起”的问题，是轴流压气机流场测量始终面临的关键问题所在。