葉型探針級間堵塞對壓氣機性能的影響

劉緒鵬，閆久坤，王英鋒

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015；2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016）

0 引言

葉型探針是目前壓氣機級間流場測量中常用的測試探針。這種探針借助靜子葉片作為支撐元件，在葉片表面徑向布置多個探頭，可以測量壓氣機各級轉子后的壓力、溫度場，較為準確地反映級間流場氣動參數。與插入式探針相比，葉型探針能夠有效地減小堵塞效應對壓氣機性能的影響。一般情況下這種影響可以忽略，但工程實踐表明，當葉型探針安裝超過一定數量后，也將引起流道堵塞和流線扭曲，改變壓氣機的工況，以致產生測量誤差。壓氣機試驗要求氣動參數具有非常高的測量精度，這就需要考慮流道堵塞帶來的影響[1]。對此，國外研究機構在堵塞影響方面開展了研究工作。lewis研究中心曾開展探針測量對風扇性能的影響研究[2]；美國GE公司在E3高壓壓氣機特性處理中，對進氣道測量耙和葉型探針考慮了1.4%的效率損失[3]；另外還有多項關于測試裝置對壓氣機性能試驗影響的研究[4-6]。近年來，中國對葉形探針進行了大量研究及用于壓氣機參數測量工作[7-14]。向宏輝等通過試驗分析表明，葉型探針對軸流壓氣機的特性會產生一定負面影響[15]。因此亟需開展葉型探針對壓氣機性能的影響研究。

本文結合試驗及數值分析方法，對葉型探針的堵塞影響進行定量研究，并嘗試給出壓氣機級間葉型探針的最佳設計方案。

1 研究內容與方案

研究內容主要包括2級壓氣機試驗、數值模擬計算、4級壓氣機試驗等。

1.1 2級壓氣機試驗方案

1.1.1 試驗器簡介

2級低速軸流壓氣機試驗器結構如圖1所示。

圖1 試驗器結構

在進口截面（第1截面）布置壁面靜壓、梳狀總壓和總溫探針，測量氣流靜壓、總溫和總壓以計算流量。

在第1、2級轉子出口（第2、3截面）分別采用位移機構帶動5孔探針測量其轉子后的氣流參數，并布置葉型探針。

第4～6截面為壓氣機出口截面。第4截面測量壓氣機出口靜壓，并用位移機構帶動5孔探針測量出口氣流參數。第5、6截面布置梳狀總溫和總壓探針，測量總溫和總壓。

1.1.2 試驗方案

（1）原始壓氣機試驗。該項試驗是在不安裝葉型探針的壓氣機試驗器上進行，目的是為分析葉型探針堵塞對壓氣機流場和特性的影響提供對比參照基準。

（2）安裝葉型探針的壓氣機試驗。在壓氣機各級靜子葉片上分別安裝不同尺寸和不同數量的探頭進行試驗。

此項試驗除在葉片上裝有探頭外，試驗條件、測量手段及測量內容等均與原始壓氣機試驗的相同，以對比二者試驗結果的差異，并進行定量研究。

1.1.3 試驗內容

（1）第1級靜葉4個葉片上安裝5點Φ3mm探頭的壓氣機試驗。

（2）第2級靜葉4個葉片上安裝5點Φ3mm探頭的壓氣機試驗。

（3）第1級靜葉4個葉片上安裝5點Φ5mm探頭的壓氣機試驗。

葉型探針實物如圖2所示。

1.2 數值模擬計算方案

采用CFX商業(yè)軟件進行2級和4級壓氣機數值模擬計算。

圖2 葉型探針實物

（1）2級壓氣機數值模擬計算方案。利用壓氣機3維數值模擬軟件，分別計算2級低速壓氣機試驗器靜葉前緣在安裝和不安裝不同尺寸與數量的探頭情況下，壓氣機內及出口3維流場；對比分析壓氣機在不同情況下的流動堵塞和壓力損失；模擬研究各種葉型探針對壓氣機特性的影響。計算結果與試驗相互驗證，分析葉型探針影響壓氣機性能的關鍵因素和量值。

為了便于與試驗對比，計算時均采用與壓氣機試驗相同的探針形式及布點方式。即每個靜子葉片沿徑向按等環(huán)面規(guī)律安裝5個探頭。探頭的尺寸分為Φ3mm和Φ5mm。通過改變安裝葉片數改變堵塞比。

（2）4級壓氣機數值模擬計算方案

通過4級壓氣機數值模擬計算驗證2級壓氣機試驗及數值計算得到的結論，以擴大結論的使用范圍。

1.3 4級壓氣機試驗方案

在1臺4級低速軸流壓氣機試驗器上進行葉型探針對壓氣機流場和特性影響的試驗研究。通過在不同條件下的壓氣機流場和特性的對比，驗證在2級壓氣機試驗和數值模擬計算中獲得的修正方法。

2 試驗及計算結果分析

2.1 2級壓氣機試驗結果分析

2.1.1 壓氣機流場分析

在轉速為800r/min，3個不同流量系數下，第2截面的總壓和切向氣流角的徑向分布如圖3、4所示。3個流量系數的選擇涵蓋了從大流量到近失速的較寬廣流量范圍。圖中，none為沒有裝葉型探針的原始壓氣機，3mm為在4個第1級靜子葉片上各安裝5點Φ3mm探頭，5mm為在4個第1級靜子葉片上各安裝5點Φ5mm探頭。

從圖3、4中可見，在各流量系數下，原始壓氣機、安裝Φ3mm和Φ5mm探頭3種狀態(tài)，第2截面的總壓和切向氣流角的徑向分布一致。說明葉型探針對壓氣機級間平均氣流參數的分布沒有影響。

圖3 第2截面總壓徑向分布

圖4 第2截面切向氣流角徑向分布

同時還得到了以下試驗結果：

（1）在轉速為600、1000r/min，3種不同流量系數下，原始壓氣機和第1級靜葉安裝Φ3mm和Φ5mm探頭3種狀態(tài)下的第2截面總壓和切向氣流角徑向分布。

（2）在轉速為800r/min，3種不同流量系數下，原始壓氣機和第2級靜葉各有4個葉片安裝5點Φ3mm探頭和第1級靜葉4個葉片安裝5點Φ5mm探頭3種狀態(tài)下的第3截面總壓和切向氣流角的徑向分布。

試驗結果表明：安裝葉型探針后，氣流參數分布基本一致，說明葉型探針對轉子出口流場以及壓氣機出口流場的平均氣流參數的分布均沒有顯著影響。

2.1.2 壓氣機特性分析

在600、800和1000r/min，3種轉速下，不同安裝方式下的壓氣機總壓升特性的對比如圖5所示。圖中，3mm-2為2級靜葉每級4個葉片上安裝Φ3mm探頭，3mm-1為第1級靜葉4個葉片上安裝Φ3mm探頭，5mm為第1級靜葉4個葉片上安裝Φ5mm探頭，none為原始壓氣機。

圖5 壓氣機壓升特性對比

從圖5中可見，只在第1級靜葉4個葉片上安裝Φ3mm探頭時，在3種轉速下，壓氣機的總壓升特性線與原始壓氣機的幾乎重合，探針對壓氣機特性無顯著影響。在這種狀態(tài)下，20個探頭的總迎風面積占壓氣機氣流通道面積的比例（即堵塞比）約為0.347‰?？梢姡谶@種狀態(tài)下，葉形探針對壓氣機特性的影響可以忽略。

另外，試驗在每個葉形探針的壓力面上布置了5根Φ1mm測試引線。單根測試引線直徑約為葉片最大厚度的1/8；第1級靜子葉片數為22片，布置測試引線的葉片數量占葉片數的18%。此時壓氣機特性線幾乎與原始壓氣機的重合，表明測試引線對壓氣機特性的影響可以忽略。

在2級每級4個靜子葉片上安裝Φ3mm探頭、轉速為600r/min時，總壓升特性線幾乎與原始壓氣機的重合；而在較大轉速（800r/min和1000r/min）時，總壓升特性明顯低于原始壓氣機的。數據分析表明，在相同流量系數下，轉速為800r/min時，4個靜子葉片上安裝Φ3mm探頭的總壓升系數比原始壓氣機的約低0.8%；在1000r/min時，約低1%。說明在同樣的單級堵塞比情況下，安裝葉型探針的級數越多，對壓氣機特性的不利影響越大；且壓氣機的轉速越高，葉型探針對壓氣機特性的影響也越大。

在第1級靜葉4個葉片上安裝Φ5mm探頭，20個探頭的堵塞比為0.96‰，對壓氣機特性的影響明顯比Φ3mm探頭的大。試驗數據表明，Φ5mm探頭對壓氣機特性的影響也與轉速有關：在相同流量系數下，相對于原始壓氣機，在600r/min的轉速時，總壓升系數值約低1%，在800r/min的轉速時，總壓升系數值約低2%，在1000r/min的轉速下，總壓升系數值約低2.4%。

2.1.3 2級壓氣機堵塞比試驗結論

（1）葉型探針并不影響壓氣機平均流場結構。葉型探針對壓氣機轉、靜子后的平均氣流參數的分布都沒有明顯影響，適用于壓氣機內部平均流場結構的研究。

（2）葉型探針在堵塞比不大于0.347‰時對壓氣機特性的影響可以忽略。

（3）安裝葉型探針的級數越多，對壓氣機特性的不利影響越大。隨轉速增高，探針的堵塞影響隨之增大。

（4）葉型探針的堵塞比大于等于0.96‰時，堵塞影響明顯增大。

2.2 數值計算

2.2.1 流場分析

由數值計算得到的2級壓氣機第1級靜葉原始狀態(tài)和安裝葉型探針時的總壓和馬赫數分布如圖6、7所示。

圖6 第2級壓氣機的第1級靜子通道截面總壓分布

圖7 第2級壓氣機的第1級靜子通道截面馬赫數分布

數值計算還得到了4級壓氣機第3級靜子安裝探頭和原始狀態(tài)的速度分布。結果顯示，在探頭附近產生了局部高損失區(qū)域，但其范圍僅局限在探頭附近及尾跡區(qū)域，沒有對流場分布造成顯著影響。這也表明采用葉型探針測量級間參數的合理性。

2.2.2 壓氣機特性分析及修正系數的確定

壓氣機特性分析主要根據2級壓氣機計算結果分析葉型探針對壓氣機特性的影響，并歸納總結葉型探針對壓氣機特性影響的修正方法。

（1）在第1級靜子葉片安裝Φ3mm探頭，每個葉片沿徑向安裝5個探頭，通過改變安裝探頭葉片的數量改變堵塞比。

壓氣機壓升特性的對比如圖8所示。圖中，unstructuremesh為原始壓氣機的壓升特性，first為第1級靜子，3mm為安裝葉型探針的探頭Φ3mm，除first_3mm表示所有第1級靜子葉片均安裝探頭，其余1b、2b……8b等分別為安裝探頭的葉片數為1、2……8。從圖中可見，隨著葉型探針數量的增加，堵塞作用增大，壓氣機的壓升下降。

圖8 第1級靜子葉片葉型探針堵塞比對壓升特性的影響（探頭Φ3mm）

計算結果表明，葉型探針的堵塞影響主要表現在流量和壓升方面。在同一轉速下，無論是否安裝葉型探針，在相同進、出口邊界條件下“壓升差與動壓頭的比值”及“流量系數差與壓升的比值”近似不隨壓氣機流量變化。

壓升差與動壓頭的比值定義為

流量系數差與壓升的比值定義為

式中：ΔP*為原始壓氣機的總壓升；Δ為安裝葉型探針的壓氣機總壓升；Um為轉子中徑處的流速；φ 為原始壓氣機流量系數；為安裝葉型探針的壓氣機流量系數；為安裝葉型探針的壓氣機總壓升系數。

在不同數量的葉片中安裝探頭時，參數CPR和CMF與壓氣機流量系數的關系分別如圖9、10所示。

圖9 壓升修正系數與壓氣機流量系數的關系

圖10 流量修正系數與壓氣機流量系數的關系

從圖9、10中可見，除所有葉片都安裝探頭（first_3mm）的特殊情況外，參數CPR和CMF幾乎不隨壓氣機的流量系數變化。在葉型探針的實際應用中，一般在1級上同時最多只有8個靜子葉片安裝探頭，所以采用這2個參數與堵塞比的關聯曲線來修正葉型探針對壓氣機特性的影響是可行的。

（2）在第2級靜子安裝Φ3mm探頭進行模擬計算，其結果與（1）的相同。

（3）第1、2級靜子葉片分別安裝探頭與2級靜子葉片同時安裝探頭的壓氣機壓升特性比較如圖11所示。

圖11 不同級靜子安裝探頭的影響

從圖中可見，由于第2級靜子葉片數較少（20片）探頭的堵塞比也較小，在單獨安裝葉型探針情況下，其壓升特性最接近于壓氣機原始壓升特性。而2級靜子都安裝探頭對壓氣機流量系數和壓升的影響僅比單獨1級靜子安裝探頭時的略大。表明葉型探針對壓氣機特性的影響主要取決于單級的最大堵塞比，增加葉型探針的數量并不會顯著增大對壓氣機特性影響。

（4）第1級靜子安裝Φ5mm探頭對壓氣機壓升特性的影響與安裝Φ3mm探頭時得到的試驗結果相類似。即隨著安裝探頭葉片的數量增加，堵塞比增大，對壓升特性的影響也增強。

參數CPR和CMF與壓氣機流量系數的關系曲線也與安裝Φ3mm探頭的情況相類似，即除所有葉片都安裝探頭的特殊情況外，CPR和CMF幾乎不隨壓氣機的流量系數變化。

2.2.3 壓氣機流場及特性分析結論

壓氣機流場分析結論：數值計算與2級壓氣機試驗研究結果相同，即葉型探針并沒有對級間平均流場分布造成顯著影響。

壓氣機特性分析結論：通過數值模擬計算得到了可以用來修正葉型探針對壓氣機特性影響的系數CPR和CMF；對于多級安裝葉型探針的情況，葉型探針安裝級數的增加對壓氣機特性的影響不是簡單疊加，而主要取決于單級的最大堵塞比。

2.3 壓氣機特性的修正

如前所述，可以采用參數CPR和CMF與葉型探針堵塞比的關聯曲線來修正葉型探針對壓氣機特性的影響。

數值計算獲得的壓升修正系數CPR和流量修正系數CMF隨葉型探針堵塞比（BlockPercentage）的變化如圖12、13所示。圖中顯示了第1、2級靜子安裝Φ3mm探頭和第1級靜子安裝Φ5mm探頭3種情況下修正系數隨堵塞比的變化。這3種情況都是每個葉片沿徑向安裝5個探頭，通過改變安裝探頭葉片的數量改變堵塞比。

對試驗特性的修正如圖14所示。從圖中可見，采用圖12、13的曲線修正后壓升和部分流量都大于不安裝葉型探針的原始特性。這是由于數值計算與試驗存在一定偏差造成的。

圖12 壓升修正系數

圖13 流量修正系數

通過2級壓氣機試驗結果對圖12、13中給出的修正系數量值進行了校正。修正結果如圖14中的“first_5mm_4b_corrected_2”所示。從圖中可見，經過對修正系數量值的校正，第1級靜子帶Φ5mm探頭的壓升特性結果在較寬廣的流量范圍內與壓氣機的原始特性相吻合。

2.4 4級壓氣機試驗驗證

驗證內容：2級壓氣機試驗得到的葉型探針對壓氣機流場及特性影響的結論；修正模型。

通過安裝葉型探針與原始壓氣機流場和壓升特性試驗數據對比，驗證了2級試驗的結論：

圖14 對試驗特性的修正

（1）葉型探針沒有影響到級間流場參數的分布結構。

（2）2個修正系數適用于安裝葉型探針的壓氣機特性的修正。

3 結論

通過2級和4級壓氣機試驗，以及數值模擬計算得到以下結論：

（1）葉型探針對壓氣機的流場分布無顯著影響，其測量結果可作為壓氣機修改或優(yōu)化設計的依據。

（2）葉型探針對壓氣機的特性有一定影響，其影響量值與壓氣機的流量、壓升及葉型探針的堵塞比等參數有關。

（3）對于多級安裝葉型探針的情況，其對壓氣機特性的影響并不是簡單的疊加關系，主要影響因素仍是單級葉型探針數量。

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