葉型面壓力測試技術(shù)研究

樊嘉峰，黃明鏡，鐘 敏，唐 磊，吳 晨

(中國燃氣渦輪研究院，四川 江油621703)

1 引言

葉輪機級間存在著非常復(fù)雜的氣流流動現(xiàn)象，探索這些現(xiàn)象內(nèi)部隱含的流動機理，揭示葉輪機內(nèi)部的流動規(guī)律，是目前航空發(fā)動機研制領(lǐng)域最具活力的研究方向。

以往國內(nèi)在進行風(fēng)扇/壓氣機/渦輪的級間壓力流場研究中，多采用在靜子前緣焊裝穩(wěn)態(tài)受感部來測取壓氣機/渦輪級間總壓，以用于分析級壓比和級效率等性能參數(shù)。對于高性能航空發(fā)動機來說，詳細測量葉柵槽道內(nèi)氣流流動的信息(包含速度峰值位置、激波位置、附面層的發(fā)展和分離、二次流動等)十分必要。

國外對葉柵槽道內(nèi)氣流壓力的研究中[1，2]，多通過測量靜葉表面測量沿S1流面的3個或5個截面的葉盆和葉背壓力分布來分析加功量、效率、失速裕度等情況，而這些測量參數(shù)又多以沿軸向分布的壓力系數(shù)、靜壓升和表面馬赫數(shù)表達，然后結(jié)合數(shù)值模擬程序開展針對葉片槽道三維效應(yīng)的深入研究。

國內(nèi)在相關(guān)葉柵槽道領(lǐng)域的研究中[3]，開展了一些基于平面葉柵內(nèi)葉尖間隙泄漏渦和通道渦的測量，但相關(guān)測試技術(shù)還略顯單一，表現(xiàn)在僅僅為基元級測量，并且測量參數(shù)也僅為穩(wěn)態(tài)量，測量區(qū)域范圍小(僅限于相鄰兩個葉片)等。對于發(fā)動機型號研制，壓氣機/渦輪設(shè)計軟件缺乏系統(tǒng)的試驗驗證，為此，利用更多的測試技術(shù)進行詳細的試驗測量，驗證設(shè)計軟件和技術(shù)，已成當(dāng)務(wù)之急。

針對上述情況，本課題組開展了一些具有創(chuàng)新性和前瞻性的測試技術(shù)研究，內(nèi)容涉及根據(jù)葉型面測試技術(shù)展開的包括小型化探針的技術(shù)應(yīng)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可行性加工方法及相關(guān)技術(shù)驗證，以期通過這些基礎(chǔ)研究工作的深入開展，實現(xiàn)槽道葉型面壓力測試技術(shù)的應(yīng)用性研究。

2 小型化測試技術(shù)

之前利用級間總溫/總壓葉型探針成功實現(xiàn)了壓氣機各級轉(zhuǎn)子出口穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)的詳細測量，為深入了解壓氣機內(nèi)部流場以及級間匹配關(guān)系提供了重要的試驗數(shù)據(jù)支持，也校核了相關(guān)設(shè)計軟件。但目前測試采用的葉型探針，都會對多級壓氣機的總體性能產(chǎn)生一定的負面影響。文獻[4]采用數(shù)值模擬方法就葉型探針對軸流壓氣機性能的影響進行了研究，在如何有效預(yù)估和減小現(xiàn)有葉型探針對性能造成的測量誤差方面取得了一定的成效，但還不夠充分，測試受感部的小型化設(shè)計是必然的選擇。

2.1 管腔材料和布置

減小對流場的影響，不影響氣流的流動特性，需要測試系統(tǒng)小型化。而小型化設(shè)計受測試元件的截面大小、形狀、長度和安裝位置影響，特別是管腔材料直徑的影響。隨著材料工藝水平的提高，一些小型化管材成為可使用的元件，其管徑分別為φ0.3 mm，φ0.4 mm，φ0.5 mm，相比以往使用的φ1.0 mm的管徑有了很大的減小。選用這些管徑材料的管腔有三個方面的好處：第一，更小的結(jié)構(gòu)，對氣動性能的影響更小；第二，由于管腔需焊在開孔的葉片上，更小的靜壓孔對葉片的強度影響更加有限；第三，針對壓氣機可調(diào)靜子葉片，管腔須從軸頸內(nèi)穿出，在有限的空間內(nèi)管腔愈小可布置的測點就越多。

對于型面上測點的布置，針對風(fēng)扇/壓氣機葉片較薄的特點，采用在葉片上打靜壓孔，管線焊接在葉型面上，形成一面測量、另一面走線引出的結(jié)構(gòu)形式，以此通過在相鄰兩個葉片不同側(cè)型面布點的方法實現(xiàn)對吸力面和壓力面的測量。這樣設(shè)計的好處在于測點不會對氣動型面造成干擾，而管腔走線引出的一側(cè)因小型化設(shè)計對流場的擾動有限。同時，對于小管腔材料，往往存在壓力衰減和響應(yīng)時間慢、強度低的情況，對這些情況的綜合分析，通常采用強度校核來驗證。

2.2 強度校核

強度校核是保證葉型靜壓探針在試驗時正常使用的前提，一般由理論計算、有限元ANSYS結(jié)構(gòu)分析和強度振動試驗共同完成。由于葉片上有打孔、開槽、鋪設(shè)管路和密封等要求，會影響葉片本身的固有頻率。課題組對設(shè)計的葉型靜壓探針利用理論計算和有限元方法進行分析，并通過振動試驗加以驗證。其中振動試驗在SAI60-H560BAC/A振動試驗系統(tǒng)上進行，測試系統(tǒng)主要包括K8734A500加速度傳感器、OR38動態(tài)信號分析儀和動態(tài)電阻應(yīng)變儀。試驗內(nèi)容包括確定樣件的一、二、三階自振頻率，各階振型下的節(jié)線位置；分別在一階自振頻率下施加6g和10g激振力測量葉身的應(yīng)力分布情況。

3 管腔的動態(tài)標(biāo)定

葉輪機內(nèi)需要對各種非定常參數(shù)(動態(tài)參數(shù))進行測量。鑒于動態(tài)測量范圍的廣泛性和結(jié)構(gòu)形式的多樣性，這里僅對用于葉型面動態(tài)測量的方法進行闡述。

基于對槽道葉型面動態(tài)壓力的測量，采用“齊平安裝”的結(jié)構(gòu)形式雖然能夠測量固有頻率高達20 kHz的動態(tài)信號，但存在結(jié)構(gòu)尺寸大、安裝方式受限、耐溫能力差的特點。因此，另外一種稱之為“外置安裝”的結(jié)構(gòu)形式在國外的動態(tài)壓力測量中被廣泛采用[5，6]。該測量中被測點的壓力脈動通過一定長度的小直徑管腔系統(tǒng)傳輸?shù)綁毫鞲衅魃?，這樣可減小測點尺寸(迎風(fēng)面積)和隔熱；但這種結(jié)構(gòu)在測壓點和傳感器之間的管腔會存在壓力測量中的管腔效應(yīng)。而管腔效應(yīng)會造成動態(tài)系統(tǒng)的頻域特性呈現(xiàn)不同的動態(tài)規(guī)律，如動態(tài)系統(tǒng)工作頻率的降低，幅值比的下降和相位差的產(chǎn)生。這些動態(tài)壓力規(guī)律需要用試驗方法標(biāo)定出來，為后續(xù)的工程化技術(shù)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

3.1 測試系統(tǒng)簡介

模擬工程實際應(yīng)用狀態(tài)，在DP-SPG系列正弦壓力校準裝置上對管腔系統(tǒng)的頻域特性進行標(biāo)定。并通過設(shè)計的幾套管路系統(tǒng)對每種結(jié)構(gòu)形式分別進行接和不接半無限長管結(jié)構(gòu)形式的測試，管腔測試系統(tǒng)如圖1所示；壓力傳感器采用ICP通用型石英壓力傳感器M111A21型，采集系統(tǒng)包括交流供電信號適調(diào)儀和Genesis數(shù)據(jù)采集/瞬態(tài)記錄儀。工作原理是將標(biāo)準傳感器和裝有被檢傳感器的管路系統(tǒng)安裝在正弦壓力校準臺上，通過工控機控制正弦壓力校準臺使其產(chǎn)生一定壓力和一定頻率的正弦壓力信號，對比標(biāo)準傳感器和被檢傳感器的輸出值，工作原理框圖見圖2。

圖1 管腔測試系統(tǒng)Fig.1 Tube cavity test system

圖2 工作原理圖Fig.2 Function diagram

3.2 試驗結(jié)果

按測試內(nèi)容對數(shù)據(jù)進行處理，主要對幾種結(jié)構(gòu)形式的管腔系統(tǒng)進行了測試。其中根據(jù)圖1中第一種結(jié)構(gòu)形式(從上向下看，管腔直徑為φ1.1 mm)的測試數(shù)據(jù)繪制的特性曲線如圖3和圖4所示。

圖3 不接半無限長管頻域特性圖Fig.3 Frequency domain performance without half-infinity tube

圖4 接半無限長管頻域特性圖Fig.4 Frequency domain performance with half-infinity tube

3.3 數(shù)據(jù)參考公式

管腔測試系統(tǒng)固有頻率f0和阻尼比ζ的估算公式[7]為：

3.4 數(shù)據(jù)分析

從圖3中可以看出，在60～1 800 Hz頻率范圍，幅值比從量值接近于1上升到最大值9，而后下降到最小值，相位差從量值接近于0上升到接近于π的位置。由此可以看出，管腔中形成了二階系統(tǒng)的壓力共振現(xiàn)象，該特性曲線符合二階系統(tǒng)的動態(tài)特性。確定該曲線形狀的是影響二階系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，按頻率響應(yīng)法得到該小型化管腔系統(tǒng)的固有頻率為670 Hz，阻尼比為0.10。通過估算公式(1)和(2)，可得出該系統(tǒng)的固有頻率為680 Hz，阻尼比為0.08。不難看出，固有頻率和阻尼比的試驗值與估算值比較接近。

從圖4中可以看出，在20～1 800 Hz頻率范圍，幅值比在一均值范圍上下波動，相位差在0和-π范圍內(nèi)上下波動。由此可以看出，接半無限長管的管腔系統(tǒng)使壓力波在經(jīng)過一段相當(dāng)長的距離后在管腔中無反射地傳播，由于介質(zhì)阻尼作用而最終消失，管腔中不會形成駐波，即不會形成壓力共振現(xiàn)象，改善了管腔的頻率特性，因此可將該結(jié)構(gòu)確定為小型化動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的形式。

4 特種加工工藝

測試系統(tǒng)不僅需具備采集能力，同時還應(yīng)滿足測試精度的要求，但測試數(shù)據(jù)往往因加工工藝的限制，導(dǎo)致其與真實試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，這是因為常規(guī)加工手段很難滿足設(shè)計的要求。對于不斷深入的技術(shù)研究，需要運用特種加工工藝完成對復(fù)雜型面的精密加工。

4.1 激光打孔技術(shù)

孔口倒角、圓角及小孔軸線傾斜都會對靜壓測量產(chǎn)生影響，孔口處要求光滑無毛刺，保持銳邊，其軸線應(yīng)與測量端面垂直。文獻[8]就孔軸方向的傾斜度對靜壓測量的影響給出了實驗性的結(jié)論，提出不規(guī)范的靜壓孔容易造成3%的測量誤差。對于那些高性能、高負荷的葉片，型面扭曲大，加工靜壓孔時更容易發(fā)生靜壓孔軸偏心現(xiàn)象，因此在加工時需特別注意。

在加工高溫合金葉片和渦輪葉片的靜壓孔時，用機械加工的方法加工出直徑為0.4～1.2 mm的孔是不可能的，現(xiàn)越來越多地采用激光打孔方法。該方法無需接觸，保證了加工區(qū)的污染達到最小，在進行直徑為0.6 mm的打孔時，打孔的圓柱度位于0.15 mm的公差范圍內(nèi)，熱力作用區(qū)為10～20 μm，沒有微裂紋，因此能夠保證加工時生產(chǎn)效率高，被加工零件的精度和質(zhì)量較好。五自由度激光打孔機構(gòu)能夠執(zhí)行這樣的工作，它可根據(jù)設(shè)計要求實現(xiàn)任意位置的定位，加工過程不會對葉型表面造成損傷，不會出現(xiàn)熱應(yīng)力引起的疲勞微裂紋。

4.2 EBM金屬快速成形技術(shù)

傳統(tǒng)的以渦輪葉片為載體的葉型面測試系統(tǒng)，是以葉片和測試傳感器為互相獨立的單元，結(jié)構(gòu)形式為在葉片上開槽、鉆孔，將測試傳感器敷埋在槽內(nèi)或孔內(nèi)，但這種形式會影響葉型面結(jié)構(gòu)和自身強度。葉型面壓力測試技術(shù)嘗試在某些領(lǐng)域開展相關(guān)技術(shù)研究，通過信息整理和反饋，針對渦輪葉片相對較厚的特點，采用特種加工工藝和場外管腔連接技術(shù)，并借鑒先進的特種加工設(shè)備，開展了相應(yīng)的工作。

EBM金屬快速成形技術(shù)是以電子束熔融為基礎(chǔ)的智能工程技術(shù)，在加工過程中，設(shè)計模型從3D、CAD模板輸出，電子束融化金屬粉末后一層層制造零件，對于通孔、盲孔、圓角、平面和任意結(jié)構(gòu)設(shè)計都是一次加工完成，目前可使用鈦合金粉末及其它多種粉末生產(chǎn)，成形零件組織致密度達100%，晶粒細小，性能超過鑄件，優(yōu)于鍛件，并可輕易制造出復(fù)雜幾何形狀，生產(chǎn)速度快。其特點是不用模具，快速制造金屬零件。

針對其技術(shù)特點，使用鈦合金粉末，設(shè)計加工了內(nèi)部空腔自成形的渦輪葉型面測試試件，如圖5和圖6所示。該試件有三處內(nèi)部空腔，空腔從前緣沿葉片中弧線延伸到葉尖處，直徑不超過φ1.2 mm，試件未經(jīng)任意機械加工，各通道具備獨立性、氣密性和通氣性。

圖5 葉片吸力面主視圖Fig.5 Front view of blade suction surface

圖6 X光透視圖Fig.6 Rendering of blade under X-ray

以往平面葉柵和渦輪部件級間性能試驗中采用的常規(guī)葉型探針，多是在葉片前緣焊接測壓管或在葉片表面敷埋空氣管來測量穩(wěn)態(tài)壓力，某些處于高溫環(huán)境的測試管腔，其相對尺寸往往較大，在有限空間內(nèi)管腔對氣動性能的擾動很難用數(shù)值模擬或修正程序來計算。而應(yīng)用EBM金屬快速成形技術(shù)，省去了測壓管腔及相關(guān)的加工步驟，可實現(xiàn)流道內(nèi)部無測試系統(tǒng)的測量。該技術(shù)結(jié)合小型化測試技術(shù)和管腔動態(tài)測試技術(shù)，能同時實現(xiàn)流道內(nèi)葉型面的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)壓力測量。

5 結(jié)論

葉柵槽道內(nèi)壓力分布情況愈來愈受到關(guān)注，以葉型面壓力分布為代表的測試技術(shù)是量化這一現(xiàn)象的重要手段。長期以來，相關(guān)測試技術(shù)在結(jié)構(gòu)形式、測量參數(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域還不夠完善，不足以為高性能、高負荷的葉輪機研制提供強有力的技術(shù)支撐，同時也限制了數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，咎其原因是相關(guān)基礎(chǔ)研究工作的匱乏。本文通過所掌握的國內(nèi)外有關(guān)研究領(lǐng)域的信息，開展了大量的基礎(chǔ)研究工作和一系列技術(shù)驗證試驗，可得出下列結(jié)論：

(1)在減少流道堵塞比和增強葉型面氣動載荷方面，小型化測試技術(shù)是一種趨勢，它受管腔直徑、結(jié)構(gòu)布置和數(shù)據(jù)采集等方面的影響，合理的設(shè)計布局和技術(shù)驗證是保證這一技術(shù)應(yīng)用的前提。

(2)管腔動態(tài)標(biāo)定表明，直徑為φ1.1 mm的管腔結(jié)構(gòu)具有二階系統(tǒng)特性，為葉型面的動態(tài)壓力測試提供了理論依據(jù)。

(3)特種加工工藝的實施，優(yōu)化了葉型面測試技術(shù)的工藝流程，與傳統(tǒng)的加工方法相比，提高了測量精度，減少了零件的損傷程度，縮短了加工時間。

[1]Wheeler A P S，Miller R J，Hodson H P.The Effect of Wake Induced Structures on Compressor Boundary-layers[R].ASME GT2006-90892，2006.

[2]高效節(jié)能發(fā)動機文集編委會.高效節(jié)能發(fā)動機文集[M].北京：航空工業(yè)出版社，1991.

[3]周正貴.模擬葉尖間隙流的轉(zhuǎn)動平面葉柵實驗方案[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002，34(2)：182—185.

[4]向宏輝，任銘林，馬宏偉，等.葉型探針對軸流壓氣機性能影響的數(shù)值模擬[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008，21(4)：28—33.

[5]Yang H，He L.Experiment on Linear Compressor Cascade with 3-D Blade Oscillation[R].ASME GT2003-38484，2003.

[6]Huang X Q，He L，Bell D L.An Experimental Investigation into Turbine Flutter Characteristic at Different Tipclearances[R].ASME GT2006-90541，2006.

[7]王維賚.動態(tài)壓力測量原理及方法[M].北京：中國計量出版社，1986.

[8]西北工業(yè)大學(xué)編.航空發(fā)動機氣動參數(shù)測量[M].北京：國防工業(yè)出版社，1980.