近失速状态下压气机静子通道内的三维流动

　　0引言

　　压气机转静子的端区和角区流动非常复杂,在复杂的二次流的相互作用下,这里通常会出现三维性很强的旋涡或者分离流动,并会带来很大的流动堵塞和损失。对角区和端区流动的研究一直以来都是压气机内流研究中的重点和难点。

　　在早期,由于实验测试技术和测试方法的限制,对压气机内部流动的研究大多局限于局部区域的压力和速度的测量,测试方法主要是气动探针,热线/膜和LDV等点测量方法,这些研究虽然屡次证明了端区/角区流动的复杂性和重要性,但是由于没有建立起流场全三维流动图画,对一些典型流动的发展机理的认识还不很清楚。随着流动测试技术的发展和三维数值模拟技术的进步,近年来依托于这些手段,国内外又掀起了叶轮机内部三维复杂流动研究的高潮。可是,这些研究大多集中在平面叶栅实验台上。相对于真实压气机,叶栅中的流动三维性和非定常性都较弱。因此,在旋转压气机试验台上做进一步深入的实验测量很有必要。

　　本文首先采用适用于多级叶轮机械内部流场测量的体式粒子图像测速技术(SPIV)在北京航空航天大学低速大尺寸压气机试验台上详细测量了设计和近失速状态下静子通道内部的三维非定常流场,并结合静子通道内部流动油流显示的结果,着重分析了近失速状态下静子通道内的复杂三维流动结构及其产生、发展和演化的机制,旨在为发展流动控制技术,指导优化设计,以及校验数值模拟程序提供必要的实验和理论支持。

　　1实验设备和测试方法

　　1.1压气机实验台

　　实验是在北京航空航天大学低速大尺寸压气机实验台上进行的。实验台是典型的单级布局,包括进口导叶,动叶和静叶。气流通道外径1m,轮毅比为0.6,叶型均为C4低速叶型,等环量设计。静子悬臂,径向间隙约为1mm(0.5%叶高)。转子设计转速1200r/min,基于动叶叶尖弦长的雷诺数为7.5x10⁵。实验台详细设计参数见文献。

　　1.2测试方法

　　本文采用了美国TSI公司的SPIv系统。激光器是双腔Nd:YAG激光器,能量150mJ/pulse,频率15Hz;CCD相机采用PIVCAM13一8,128Ox1024P议els,12bit;测量控制采用Insights。

　　由于轮毅反光很强,数据污染严重,本文用油流显示技术对通道内部流场做了补充观测。角区旋涡等复杂的三维流动结构[i]。细致的观测可以发现,设计状态时转子尾迹在静子通道中耗散较慢,在70%测量截面处还清晰可辨;而在近失速状态,上游动叶尾迹(速度亏损较大)在静叶通道内部发生强烈的扭曲,50%测量截面后就很难被识别,可见,此时湍流扩散起到了重要作用。

　　在近失速状态,静子通道内同时出现了根部失2SPIV实验测量方案和数据处理方法为了更好地研究压气机内部的二次流动结构,本实验采用了两个相机位于片光异侧的SPw测量模式。用SPIv测量了图1中所示的静子通道近叶尖区域的12个截面(每个截面约占半个通道)的流场。试验中,每个测量工况都采集了至少100个数据样本。数据处理过程中采用了多重网格的方法,先后采用的查问域窗口大小为32x32像素和16x16像素。经分析,瞬态场的速度测量精度在3%、7%之间(主流区3%、4.5%,60%叶高以下区域5%,近叶尖区域7%),而系综平均的速度场的测量精度在2%~6%之间(主流区2%,60%叶高以下区域3%,近叶尖区域6%)。详细的测量方案和数据处理方法参见文献。