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《大連海事大學學報》2016年第二期

摘要：

在一臺低速軸流壓氣機實驗臺上測量壓氣機失速時轉子前三維流場，測量范圍從轉子向前延伸到8倍弦長（或0．6倍機匣內徑）上游，目的是考察整個失速流場結構，為研究失速團的保持和旋轉機理提供豐富的數據支持．通過對壁面動態壓力信號分析可知，該壓氣機失速過程中存在一個失速團，轉速為轉子轉速的37．7％．使用新研制的全流向旋轉五孔壓力探針測量整個轉子前三維速度場和壓力場．從結果的S1流面內看，失速團內流動大體上分為正流區、偏轉區、回流區和強剪切區．轉子前緣附近的流體在30％葉高以上存在回流，并且存在較大的徑向和周向旋轉速度，其中葉尖附近失速團內流體的周向旋轉速度明顯大于前方來流速度．在靠近機匣壁面處，回流區一直延伸到轉子上游的5．5倍弦長（或40％機匣內徑）處．

關鍵詞：

壓氣機；旋轉失速；失速團；轉子前；失速流場

人們針對失速后流場做了一系列研究．最初，Stenning等［1］認為失速團的邊界由一系列小渦組成，其內部流量為零．后來，Fabri［2］提出了“死區”的概念，認為在失速團內部并沒有流體流動．之后，Day等［3－5］對于失速后流場研究發現，在一個3級的壓氣機中，出現失速團后，沒有失速的流場部分還是與正常工作狀態有一樣的流動結構．而且，失速團在運動過程中呈扭曲的形狀，不同于前面研究中所說的是一個流動“死區”，并且猜想失速團在旋轉方向上會受到葉片的作用力的影響［6－9］，從而沿壓氣機旋轉相同方向旋轉．然而，一直以來，對于軸流式壓氣機旋轉失速的流動機理并未形成最終定論，其中一個主要原因就是失速團內強烈的三維非定常流動導致失速后的流場信息很難獲得，而轉子前流場作為整個失速流場不可或缺的一部分，對于失速團流動機理和旋轉機制的研究具有重要意義．因此，對于轉子前失速后流場的測量和分析很有必要．本文實驗在一臺低速軸流壓氣機上進行，使用動態壓力傳感器和旋轉五孔壓力探針分別測量壓氣機旋轉失速時轉子前的動態壓力信號和三維流場，獲得該壓氣機失速之后失速團的個數及傳播速度等基本特性，并最終獲得該壓氣機失速之后轉子前詳細的三維流場結構［10］．

1實驗方案

1．1實驗設備及儀器實驗用低速軸流壓氣機形式和參數分別如圖1和表1所示．動態壓力信號的采集使用美國Kulite公司生產的XT－190型號的動態壓力傳感器，其頻響可達100kHz以上．三維失速流場的測量使用的是課題組自行研制的可用于全流向測量的旋轉五孔探針［12］，探針頭部為球頭，五個孔的定義及相對位置如圖2所示．傳感器使用的是美國AllSen－sors公司生產的型號為10INCH－D－4V的高頻壓力傳感器．探針整體的響應時間為6．8ms，基本可滿足實驗對頻響的要求．探針可測范圍為不高于0．3Ma．使用旋轉五孔壓力探針，通過放置四個角向位置，四次測量各孔壓力值，然后將其轉換為十七孔探針數據格式，通過十七孔探針的數據處理方法處理數據［13］，最終可得到轉子前失速流場信息．旋轉五孔探針在來流速度為50m／s的開式風洞下進行，圓周角從－180°轉動到175°，錐角從－150°到0°，間隔均為5°，最后得到2232個角度位置的標定數據．可信度在95％時，速度幅和誤差分布如圖3所示，大致滿足高斯分布．

1．2測點分布壓氣機壁面的靜壓測點如圖4所示，4個傳感器均布在距轉子前緣5mm的機匣上．通過比較各個傳感器信號的相位差，結合安裝位置的角度差，分析失速團的個數及傳播速度等基本特征．使用旋轉五孔壓力探針測量失速后轉子前的三維失速流場，測點分布如圖5所示，從距轉子前21mm開始，沿軸向布置9個軸向位置，旋轉五孔壓力探針從機匣伸入，沿徑向布置6個徑向位置．

2失速流場基本特征

2．1總體特性壓氣機的特性線如圖6所示．圖中壓升系數（φ）和流量系數（）的計算公式如下：從失速特性可以看出，本實驗所用的壓氣機屬于“突躍型失速”．實驗過程中，壓氣機從B點迅速突變到C點，進入旋轉失速狀態，從圖6特性線可以看出，此時壓升系數迅速下降到0．11，流量系數下降到0．37．壓升系數規律與Day［14］所總結的規律相符，即φ≈0．11N．其中，N為壓氣機級數．

2．2失速團傳播速度通過對失速后壓氣機壁面的靜壓信號進行傅里葉變換得到圖7．由圖7可見，幅值最大的信號頻率為14．75Hz，并且相鄰信號頻率均為其倍數，表明失速團轉動頻率為14．75Hz．另一幅值較為明顯的信號頻率為2347Hz，為葉片通過頻率．從而可知，失速團頻率為壓氣機旋轉頻率的37．7％．圖8為壓氣機剛進入失速時（即圖5中的C點）1～4號傳感器采集的壁面動態壓力信號隨時間的變化．傳感器的測點布置如圖3所示，相鄰兩個傳感器相差1／4圈，而圖8所示兩者壓力擾動變化也相差1／4周期，說明該壓氣機在失速過程中只存在一個失速團．隨著流量減小，壓力擾動幅值逐漸增大，并且以轉子轉速的37．7％沿轉子轉動方向運動；而在壓氣機完全失速之后，失速團尺寸基本不再變化，轉速也保持在轉子轉速的37．7％左右．

3流場結構

3．1二維流動結構分析將三維流場分解為二維展開面可以更清晰地看到流場細節．下面分別從軸向周向（圖9）和軸向徑向（圖10）兩個面分析失速流場．圖9為轉子前失速流場不同葉高圓柱面上的絕對速度流線和靜壓云圖，其中橫軸為周向，縱軸為軸向，尺寸均用壓氣機外徑無量綱化．從下至上依次對應7％葉高～87％葉高6個不同位置．從圖9可以看出，從葉根到葉尖失速團尺寸不斷增大．結合圖10（G）可以看出，氣流在30％葉高以上出現倒流，直到87％葉高處回流區所占比例約占整個周向的1／3；流場可以大致分為正流區、偏轉區、回流區和強剪切區，其中強剪切區一側為偏轉區，另一側為回流區，此處出現氣流強烈的剪切流動，形成一條明顯的匯合線．圖10為轉子前失速流場在子午面上的流線和靜壓云圖，其中橫軸為徑向，縱軸為軸向，來流方向沿縱軸負方向，A到H對應從失速團前緣到尾緣不同周向位置．從圖中可以看出，B到F位置時氣流在軸向倒流的同時從葉尖向葉根流動；從D位置開始，回流區流體受到上游正流區流體的影響轉而向葉根偏轉，同時上游正流區流體受到回流流體影響也向葉根偏轉，兩股氣流在靠近葉根部分匯合，如圖10（D）所示．從10（G）部分矢量圖可以看出，失速團23％葉高處全部正流，39％葉高出現部分回流，由此可以判定30％葉高處以上出現回流．

3．2三維流場結構為更直觀地看清失速團信息，下面從三維速度矢量圖和速度等值面兩個方面分析流場結構．圖11為轉子前主流區失速流場的三維速度矢量圖，其中每一個箭頭代表一個測點，轉子旋轉方向和進氣方向如圖11所示．從圖中可以看出，失速團大概位置在圖左上方，靠近轉子部分有較明顯的徑向運動；另外可以大致看出整個失速團軸向尺寸到達4倍弦長（或28．4％機匣內徑），周向約占全環的1／3，徑向大約為葉高的70％．圖12為速度矢量圖和軸向速度等值面圖，由于取Z軸負方向為來流方向，所以軸向速度vz為負代表正流區．圖中2號等值面表示軸向速度為零，即為是否回流的臨界面，可以更直觀地看到失速團的整體尺寸．

4結論

本文通過測量壓氣機旋轉失速時轉子前的動態壓力信號和三維流場，考察失速流場結構，結論如下：（1）該壓氣機為“突躍型失速”，失速過程中只存在一個失速團，失速團轉速約為轉子轉速的37．7％，失速后壓升系數為0．11，壓升系數規律與Day的結論相符；（2）獲得轉子前三維失速流場結構較為詳細的信息．從結果的S1流面內看，失速團內的流動可以大體上分為正流區、偏轉區、回流區和強剪切區．轉子前緣附近的流體在30％葉高以上存在回流，并且存在較大的徑向和周向旋轉速度，其中，葉尖附近失速團內流體的周向旋轉速度明顯大于前方來流速度，為經過轉子做功的結果；（3）在靠近機匣壁面處，回流區周向約占全環的1／3，沿軸向一直延伸到轉子上游的5．5倍弦長（或40％機匣內徑）處。

作者：張倩 王洪偉 單位：北京航空航天大學 能源與動力工程學院／航空發動機氣動熱力國家級重點實驗室