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动/静叶相干对轴流压缩机内部流动影响的试验研究

吕伟领 顾军威 乐维健/上海船舶设备研究所 席 光/西安交通大学    

摘要: 利用 PIV 和锁相技术相结合的手段,对一轴流压缩机动 / 静叶相干现象对内部流动的影响做了测量试验,提出了数据的处理方法,并对试验结果进行了分析。

关键词: 轴流式压缩机;动 / 静叶相干;内部流动

中图分类号: TH453 文献标识码: B

文章编号: 1006 - 8155 ( 2008 ) 02-0017-04

Test Research on the In fl uence of Rotor/and Stator Interaction on Internal Fl ow of Axial- fl ow Compressor

Abstract: The measurement test for the in fl uence of rotor/and stator interaction on internal fl ow of axial- fl ow compressor is carried out based on the combination of PIV and PLL technology. The treatment for the data is pointed out and the analysis on test result is specified.

Key words: axial- fl ow compressor; rotor/stator interaction; internal fl ow

0  引言

  压缩机内部流动的好坏对整台压缩机的综合性能有较大的影响,开展对压缩机内部流动的研究显得尤为重要。目前对压缩机内部流动非定常的研究越来越多,从内容来看主要集中在数值研究和试验研究上。 在文献[1] 中,用 PIV 测量仪器测量了动叶和静叶不同相对位置下的流动情况;文献[2] 在叶尖处详细测量了不同位置上的流动情况。郑新前、周盛对低速轴流压缩机尾部撞击效应做了数值模拟[3] ,文中验证了低速压缩机中尾流撞击效应正效果的有效性,指出在低速轴流压缩机中,尽管时序效应对提高整机的性能没有明显的效果,但是动静叶相干这一固有非定常现象存在着巨大的潜能,这将为固有非定常的利用开辟一条新的途径。杨海涛、杨洪雁等采用二维非定常数值模拟的方法研究了动叶相对位置的改变对整个压缩机性能的影响[4] ,结果显示不同的动叶相对位置,会改变上游动叶尾迹与下游动叶之间的相对位置,以及下游周围的周期性和湍流性速度波动。研究发现,上游尾迹被输运到下游叶列前缘附近的时候对应较高的级效率,当上游尾迹被输运到下游叶排叶道中部的时候,对应的级效率较低,正确的分布动叶的相对位置会减少第二列动叶表面上的非定常性,对叶片性能有改善的作用。从研究和工程应用表明:叶排间尾迹的撞击作用,对叶轮机械整体的气动性能有显著的影响[ 5-6 ] 。 不同的研究者得出的结果可能差异很大,如Simt h 关于一台低速压缩机的试验表明 [7] :将轴向间距由37 %弦长缩短至 7 %时,压缩机的效率将提高1 %~2 %,静压提高 2 %~ 4 %;然而, Hetherington 和 Moritz 关于另一台压缩机的研究 [8] 得到了相反的趋势,他们发现将轴向间距增大 3 倍,压缩机的性能反而提高;还有Dorney 等 [9] 研究发现,通过调节转子上游静叶排与下游静叶排的相对位置( clocking 现象),让第一级静叶的尾迹打到第二级静叶的压力面上时,压缩机的效率可提高 0.6 %~ 0.7 %。可见叶排之间的相互影响对整个压缩机内部流动影响是比较显著的,把PIV 技术和相位锁定触发技术结合起来研究动 / 静叶相干现象,对整个流场产生的影响具有重要的意义。本文利用PIV 和锁相技术相结合的技术对一 11/2级(导叶、动叶、静叶)压缩机内部流动做了测量,对工程实际设计有一定的参考价值,也弥补了国内用试验测量研究压缩机内部动 / 静叶相干非定常流动现象较少的不足。


1   试验装置及过程

 

  试验装置如图1所示,气体由集流器进入风道,经过导叶、转子和静叶最后从出口排出。试验装置参数:导叶为 40 片,动叶为19片,静叶为13片;机壳内径为450mm ,轮毂比为0.75,叶高为56.25mm ,转子与静子之间的间隙为3.6mm ,导叶与动叶距离可调(试验时距离为13mm)。为了保证光路顺利进入所测区域,把动叶周围外侧加工成为有机玻璃材质。由于激光片光源有一定的焦距,为了保证激光光路在所要求的距离范围内,在风道进口和导叶之间合适的位置开一小孔,内侧安装一光学反光镜,用反光镜反射的激光进入动叶叶道内部,就保证了测试区域在激光片光源焦距上。在测量过程中,叶片表面对激光的反光作用很强,反射的激光不仅使靠近叶片区域无法测量,强烈的激光也会对CCD造成损害,所以要避免强烈的激光反射,这就需要对叶片表面进行处理。先在叶片表面用喷雾器喷上一层薄薄的黑漆,然后再撒一层碳粉,最后用棉布打磨平整,不仅遏制了强烈的激光反射,而且也没有改变叶片的形状,对流场不会造成影响。用锁相技术对动叶不同位置进行锁相,测量了动/ 静叶3个不同相对位置上的流场。把导叶一个叶道平均分成3个位置,对每个位置进行锁相,具体操作时先把动叶扫过每个位置时所用的时间确定好,通过调节编码器脉冲延迟时间加以改变锁相位置。具体锁相位置如图2所示。受结构的限制,测量区域只能测量叶道内吸力面附近的区域,压力面流动无法进行测量,如图3 所示,矩形区域代表激光进入叶道前情形,近似梯形为测量区域。用 PIV 测量时,示踪粒子的选取与播撒也是一个较为重要的环节,选取祭祀用的香作为示踪粒子,粒子直径较小,跟随性好;但是烟雾容易在壁面上凝结,做一个工况要停机擦拭一次,以保证激光顺利通过。



2  数据的处理

  数据的后期处理对试验结果的表达有较大的影响,没有详细的数据处理也不能很好地表现结果。在数据处理上分为两步,先用 PIV 专用软件 Insight 对所拍图片进行处理,得到vector文件;然后用所编程序和tecplot 做进一步处理。由于用 PIV 测量的速度都是用绝对速度表示,在旋转的叶轮机械里面往往用相对速度表达更为合适,用所编程序对绝对速度文件进行处理,将其转化为相对速度,在转化时用绝对速度减去牵连速度(叶轮圆周速度)得到。在测量过程中测量了设计流量、近失速流量和失速流量下的速度分布情况;沿叶高测量了叶根(距叶根 20 %处),叶中(叶片中部)和叶高(距叶顶 20 %处)3个位置;每个位置测量了不同锁相位置上的流动情况。由于数据量较多,在数据处理时采取用多个时刻平均进行处理,即在结果中用平均场来表示,把3个相位上的平均场进行比较得到锁相位置对内部流动的影响。

3  试验结果

  由于测量工况较多,数据量较大,限于篇幅,不能把所有结果加以表现,现只把设计流量 (2.46 ~ 2.50kg/s) 和失速流量( 1.79 ~ 1.95kg/s )工况下,叶片中部和叶尖处不同相位的结果加以表达,叶片根部流动情况只作简单描述,叶根流动情况图片就不再显示,叶片根部的流动情况比较稳定,出现分离现象较少,在叶片根部失速流量只有下相位3上出现了完全分离现象,而在叶中和叶尖各个相位都出现了分离现象。

  首先分析叶片中部流动情况,其中,图4为设计流量下叶片中部在不同相位上的流动情况;图5是失速流量下叶片中部在不同相位上的流动情况;图6是失速流量下叶片中部某一时刻在分离情况下的流动情况。从叶中流动情况可以看到,流动在相位1时最为稳定,在相位3上流动最为紊乱,在设计流量下和失速流量下都是这种现象,都符合从相位 1 到相位3流动是从稳定到紊乱的发展过程。在失速流量下瞬时时刻频繁出现了分离现象,其中相位1上出现完全分离的时刻较少,而在相位3上较多,相位2居中。分离时绝对速度表现为气流跟着叶片一起旋转,很少气流从叶道流出,相对速度表现为气流在叶道内部有大量的漩涡。在每个相位上经过大量数据进行平均,用平均流场表现了动 / 静叶相干在流道内部的非定常现象,流动在相位 1 上情况良好,在相位3上流动最为紊乱,说明分离漩涡在相位1上是产生的过程,经过相位2 加强,到相位3 上达到最大,这种现象在叶道里面是周期性重复的过程。

  
  叶尖处流动情况,其中图7 是设计流量下叶尖处在不同相位上的流动情况;图8是在失速流量下叶尖处在不同相位上的流动情况;图9是失速流量下叶尖处某一时刻在分离情况下的流动情况。从图中可以看出,在叶尖处流动情况沿着相位 1 到相位3 涡量是从弱到强的过程,也符合在相位1上流动最为稳定,在相位3上流动最为紊乱,和叶片中部流动情况相似。这就进一步说明了叶道内部的流动分离从相位1到相位3分离是逐渐加强的过程,分离漩涡沿着相位 1 到相位 3 是产生、发展和加强的过程。这里没有展示叶根处流动情况,实际上叶根处也符合这一规律。 

  从叶根到叶尖分离涡量也符合一定规律,从图中叶中和叶尖处流动可以看出,叶片中部的流动情况要比叶尖处稳定,在失速流量下,叶片中部出现完全分离的时刻要远远低于叶尖处。在叶根上流动最为稳定,失速流量下只有相位 3 上出现了完全分离现象,在相位1和相位2上没有出现分离现象。分离涡量沿叶高是逐渐增大的过程,在叶尖处分离现象最为强烈。

  动/ 静叶相干现象对内部流动的影响主要因为导叶尾迹打在动叶叶道进口位置不同而引起的,导叶尾迹在动叶叶道进口位置不同,则此时动叶叶道内部流动情况受尾迹的影响也不相同,在相位1 时,导叶尾迹对动叶内部流动影响较小甚至是起着有利作用,在相位3上时,导叶尾迹对动叶叶道内部流动影响最大,尾迹使得流动情况较为紊乱。沿叶高动叶内部流动也不相同,在叶根处流动较为稳定,在叶尖较为紊乱,首先叶尖处流动受到的影响较多,例如叶顶间隙等的影响;其次,在叶根处相对周向速度较小,叶尖处的相对周向速度较大,表现在进口附近他们的相对周向速度即为叶片的圆周速度,沿叶高从叶跟到叶尖相对周向速度越来越大,这也是叶尖处容易产生分离的一个重要原因。

4  结论

  本文利用 PIV 测试技术对轴流压缩机动/ 静叶相干现象做了试验测量,用平均场表现了轴流压缩机内部流动的固有非定常现象。得到以下结论,动叶叶道内部流动和动/ 静叶相干现象有明显的关联:不管在叶尖、叶中还是叶根上,在相位1 时,流动情况较为稳定,在相位2上流动居中,在相位3上流动最为紊乱,由此说明内部流动分离有一定规律,在相位1上是分离漩涡产生的位置,经过相位2 发展,在相位3上达到最大;内部流动沿叶高也遵循着一定规律,在叶根上流动较为稳定,很少出现分离现象,在叶尖上流动最为紊乱,出现了大量的分离现象,叶中流动情况介于两者之间。

参 考 文 献

[1] Yi -Chih Chow, Oguz Uzol, Joseph Katz, An Investigation of Axial Tbbomachinery Fl ows Using PIV in an Optically-Unobstructed Facility [C] , The 9th of International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu, 2002 .

[2] Mark P.Wernet, W.Trevor John, P.Susan Prahst, Anthony J.Strazisar, Characterization of the Tip Clearance Fl ow in An Axial Compressor Using Digital PIV [C] , 39th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 2001 .

[3] 郑新前,周盛 . 低速轴流压气机尾流撞击效应的数值模拟 [J], 推进技术 , 2004 ,25(5) : 421-425 .

[4] 杨海涛,杨洪雁,等 . 动叶 clocking 对低速压气机性能影响的数值模拟 [J], 航空学报英文版 , 2003 ,16(3):129-137.

[5] Adamc zy k,J.J.,Aerodynamic Analysis of Multistage Turbomachinery Fl ow in Support of Aerodynamic Design[C],ASME Paper,1999,99 - GT - 80 .

[6] Korakianits,T.,on the Propagation of Viscous Wake and Potential Fl ow in Axial-Turbine Cascade[J], ASME J. Of Turbomachinery, 1993, vol.115, 118-127 .

[7] Smith, L.H., Casing Boundary Layers in Multistage Axial Fl ow Compressors- Fl ow Research in Blading[M], Edited by Elsevier, Publishing Company, Amsterdam, 1970 .

[8] Hetherington, R. and Moritz R.R., In fl uence of unsteady Fl ow Phenomena on the Design and Operation of Aero Engines[J], 1975, vol.177, AGARD-CP-177 .

[9] Dorney, D.J. and Shurma, O.P. , Gundy-Burlet, K.L. , Physics of Air foil Clocking in a High Speed Axial Compressor[C] , ASME Paper , 1998 , 98-GT-82 .

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