压气机失速团流动结构的实验范文

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《大连海事大学学报》2016年第二期

摘要：

在一台低速轴流压气机实验台上测量压气机失速时转子前三维流场，测量范围从转子向前延伸到8倍弦长（或0．6倍机匣内径）上游，目的是考察整个失速流场结构，为研究失速团的保持和旋转机理提供丰富的数据支持．通过对壁面动态压力信号分析可知，该压气机失速过程中存在一个失速团，转速为转子转速的37．7％．使用新研制的全流向旋转五孔压力探针测量整个转子前三维速度场和压力场．从结果的S1流面内看，失速团内流动大体上分为正流区、偏转区、回流区和强剪切区．转子前缘附近的流体在30％叶高以上存在回流，并且存在较大的径向和周向旋转速度，其中叶尖附近失速团内流体的周向旋转速度明显大于前方来流速度．在靠近机匣壁面处，回流区一直延伸到转子上游的5．5倍弦长（或40％机匣内径）处．

关键词：

压气机；旋转失速；失速团；转子前；失速流场

人们针对失速后流场做了一系列研究．最初，Stenning等［1］认为失速团的边界由一系列小涡组成，其内部流量为零．后来，Fabri［2］提出了“死区”的概念，认为在失速团内部并没有流体流动．之后，Day等［3－5］对于失速后流场研究发现，在一个3级的压气机中，出现失速团后，没有失速的流场部分还是与正常工作状态有一样的流动结构．而且，失速团在运动过程中呈扭曲的形状，不同于前面研究中所说的是一个流动“死区”，并且猜想失速团在旋转方向上会受到叶片的作用力的影响［6－9］，从而沿压气机旋转相同方向旋转．然而，一直以来，对于轴流式压气机旋转失速的流动机理并未形成最终定论，其中一个主要原因就是失速团内强烈的三维非定常流动导致失速后的流场信息很难获得，而转子前流场作为整个失速流场不可或缺的一部分，对于失速团流动机理和旋转机制的研究具有重要意义．因此，对于转子前失速后流场的测量和分析很有必要．本文实验在一台低速轴流压气机上进行，使用动态压力传感器和旋转五孔压力探针分别测量压气机旋转失速时转子前的动态压力信号和三维流场，获得该压气机失速之后失速团的个数及传播速度等基本特性，并最终获得该压气机失速之后转子前详细的三维流场结构［10］．

1实验方案

1．1实验设备及仪器实验用低速轴流压气机形式和参数分别如图1和表1所示．动态压力信号的采集使用美国Kulite公司生产的XT－190型号的动态压力传感器，其频响可达100kHz以上．三维失速流场的测量使用的是课题组自行研制的可用于全流向测量的旋转五孔探针［12］，探针头部为球头，五个孔的定义及相对位置如图2所示．传感器使用的是美国AllSen－sors公司生产的型号为10INCH－D－4V的高频压力传感器．探针整体的响应时间为6．8ms，基本可满足实验对频响的要求．探针可测范围为不高于0．3Ma．使用旋转五孔压力探针，通过放置四个角向位置，四次测量各孔压力值，然后将其转换为十七孔探针数据格式，通过十七孔探针的数据处理方法处理数据［13］，最终可得到转子前失速流场信息．旋转五孔探针在来流速度为50m／s的开式风洞下进行，圆周角从－180°转动到175°，锥角从－150°到0°，间隔均为5°，最后得到2232个角度位置的标定数据．可信度在95％时，速度幅和误差分布如图3所示，大致满足高斯分布．

1．2测点分布压气机壁面的静压测点如图4所示，4个传感器均布在距转子前缘5mm的机匣上．通过比较各个传感器信号的相位差，结合安装位置的角度差，分析失速团的个数及传播速度等基本特征．使用旋转五孔压力探针测量失速后转子前的三维失速流场，测点分布如图5所示，从距转子前21mm开始，沿轴向布置9个轴向位置，旋转五孔压力探针从机匣伸入，沿径向布置6个径向位置．

2失速流场基本特征

2．1总体特性压气机的特性线如图6所示．图中压升系数（φ）和流量系数（）的计算公式如下：从失速特性可以看出，本实验所用的压气机属于“突跃型失速”．实验过程中，压气机从B点迅速突变到C点，进入旋转失速状态，从图6特性线可以看出，此时压升系数迅速下降到0．11，流量系数下降到0．37．压升系数规律与Day［14］所总结的规律相符，即φ≈0．11N．其中，N为压气机级数．

2．2失速团传播速度通过对失速后压气机壁面的静压信号进行傅里叶变换得到图7．由图7可见，幅值最大的信号频率为14．75Hz，并且相邻信号频率均为其倍数，表明失速团转动频率为14．75Hz．另一幅值较为明显的信号频率为2347Hz，为叶片通过频率．从而可知，失速团频率为压气机旋转频率的37．7％．图8为压气机刚进入失速时（即图5中的C点）1～4号传感器采集的壁面动态压力信号随时间的变化．传感器的测点布置如图3所示，相邻两个传感器相差1／4圈，而图8所示两者压力扰动变化也相差1／4周期，说明该压气机在失速过程中只存在一个失速团．随着流量减小，压力扰动幅值逐渐增大，并且以转子转速的37．7％沿转子转动方向运动；而在压气机完全失速之后，失速团尺寸基本不再变化，转速也保持在转子转速的37．7％左右．

3流场结构

3．1二维流动结构分析将三维流场分解为二维展开面可以更清晰地看到流场细节．下面分别从轴向周向（图9）和轴向径向（图10）两个面分析失速流场．图9为转子前失速流场不同叶高圆柱面上的绝对速度流线和静压云图，其中横轴为周向，纵轴为轴向，尺寸均用压气机外径无量纲化．从下至上依次对应7％叶高～87％叶高6个不同位置．从图9可以看出，从叶根到叶尖失速团尺寸不断增大．结合图10（G）可以看出，气流在30％叶高以上出现倒流，直到87％叶高处回流区所占比例约占整个周向的1／3；流场可以大致分为正流区、偏转区、回流区和强剪切区，其中强剪切区一侧为偏转区，另一侧为回流区，此处出现气流强烈的剪切流动，形成一条明显的汇合线．图10为转子前失速流场在子午面上的流线和静压云图，其中横轴为径向，纵轴为轴向，来流方向沿纵轴负方向，A到H对应从失速团前缘到尾缘不同周向位置．从图中可以看出，B到F位置时气流在轴向倒流的同时从叶尖向叶根流动；从D位置开始，回流区流体受到上游正流区流体的影响转而向叶根偏转，同时上游正流区流体受到回流流体影响也向叶根偏转，两股气流在靠近叶根部分汇合，如图10（D）所示．从10（G）部分矢量图可以看出，失速团23％叶高处全部正流，39％叶高出现部分回流，由此可以判定30％叶高处以上出现回流．

3．2三维流场结构为更直观地看清失速团信息，下面从三维速度矢量图和速度等值面两个方面分析流场结构．图11为转子前主流区失速流场的三维速度矢量图，其中每一个箭头代表一个测点，转子旋转方向和进气方向如图11所示．从图中可以看出，失速团大概位置在图左上方，靠近转子部分有较明显的径向运动；另外可以大致看出整个失速团轴向尺寸到达4倍弦长（或28．4％机匣内径），周向约占全环的1／3，径向大约为叶高的70％．图12为速度矢量图和轴向速度等值面图，由于取Z轴负方向为来流方向，所以轴向速度vz为负代表正流区．图中2号等值面表示轴向速度为零，即为是否回流的临界面，可以更直观地看到失速团的整体尺寸．

4结论

本文通过测量压气机旋转失速时转子前的动态压力信号和三维流场，考察失速流场结构，结论如下：（1）该压气机为“突跃型失速”，失速过程中只存在一个失速团，失速团转速约为转子转速的37．7％，失速后压升系数为0．11，压升系数规律与Day的结论相符；（2）获得转子前三维失速流场结构较为详细的信息．从结果的S1流面内看，失速团内的流动可以大体上分为正流区、偏转区、回流区和强剪切区．转子前缘附近的流体在30％叶高以上存在回流，并且存在较大的径向和周向旋转速度，其中，叶尖附近失速团内流体的周向旋转速度明显大于前方来流速度，为经过转子做功的结果；（3）在靠近机匣壁面处，回流区周向约占全环的1／3，沿轴向一直延伸到转子上游的5．5倍弦长（或40％机匣内径）处。

作者：张倩 王洪伟 单位：北京航空航天大学 能源与动力工程学院／航空发动机气动热力国家级重点实验室