曹傳軍,黃國平,

(南京航空航天大學微型發(fā)動機研究所,南京 210016)

0 引 言

微型渦輪發(fā)動機(MTE)是一種新興的動力裝置,具有廣闊的軍民用前景。微葉輪作為核心部件,其設(shè)計的優(yōu)劣直接影響著MT E的性能。目前對微葉輪的研究還處于探索階段,且由于微葉輪的特征尺寸在厘米甚至毫米級[1-2],按照常規(guī)葉輪設(shè)計方法設(shè)計出的微葉輪效率較低。而改進設(shè)計所必需的實驗測量環(huán)節(jié)在采用傳統(tǒng)測壓技術(shù)時遇到了尺度限制,在毫米級的尺度上加工足夠數(shù)量的靜壓孔或預埋壓力傳感器相當困難,且改變了微葉輪表面形貌,對流場產(chǎn)生較大影響,無法藉此獲得詳實的實驗數(shù)據(jù)來指導微葉輪的設(shè)計,對MTE的性能提高產(chǎn)生了很大的阻礙。

針對傳統(tǒng)測壓技術(shù)的不足,上世紀90年代以來,一種非接觸式壓力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint,PSP)測壓技術(shù)越來越受到世界各國航空航天界的重視[3-6]。它與傳統(tǒng)的壓力測量技術(shù)相比,具有顯著的優(yōu)點：第一,獲得的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的測量技術(shù)豐富,可以獲得整個模型表面的壓力;第二,涂層較薄,對流場特性的影響較小;第三,空間分辨率高,可以應(yīng)用于微小模型表面壓力的測量;第四,涂料的響應(yīng)時間較短,可以測量一定頻率范圍內(nèi)的非定常流壓力變化。國外對PSP測壓技術(shù)進行了大量研究和改進,已成功將其應(yīng)用在高超聲速、低溫、低速流場和旋轉(zhuǎn)機械中,得到了常規(guī)測壓手段無法獲得的實驗數(shù)據(jù)。國內(nèi)起步較晚,技術(shù)相對不成熟,中國航空工業(yè)空氣動力研究院在這方面做了一些嘗試,測量了L-8全機模型的表面壓力[7]。但是目前國內(nèi)外還未看到PSP測壓技術(shù)在毫米級葉片表面測量應(yīng)用的報道。

PSP測壓技術(shù)具有的空間分辨率(0.1mm量級)和壓力分辨率(30～100Pa)足夠滿足毫米級葉片表面的壓力測量需求,作者研究將PSP技術(shù)應(yīng)用在毫米尺度渦輪平面葉柵壓力測量領(lǐng)域,設(shè)計了一套可拆卸式毫米級平面葉柵實驗段,利用PSP技術(shù)測量了有/無葉尖間隙和不同來流速度條件下葉背表面的壓力分布,開拓了PSP新的應(yīng)用領(lǐng)域,同時為設(shè)計高效率的微葉輪提供了一種很有潛力的實驗技術(shù)。

1 PSP測壓技術(shù)

PSP測壓是基于氧猝滅效應(yīng)的原理,用適當波長的激勵光照射PSP中熒光分子時,熒光分子吸收能量后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),處于激發(fā)態(tài)的分子會自發(fā)從激發(fā)態(tài)衰減到基態(tài),發(fā)出比激勵光波長更長的光,當處于激發(fā)態(tài)的熒光分子與處于基態(tài)的氧分子相遇時,氧分子會奪取處于激發(fā)態(tài)涂料分子的能量并使其返回基態(tài)而不發(fā)出光子。通過標定將壓力與涂料物質(zhì)的光強關(guān)系準確的測量下來,就可以根據(jù)測得的某處光強得到該處的壓力。

PSP測量精度受溫度影響較大,隨著溫度的升高,涂料分子受激后從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)時可能不發(fā)出光子,發(fā)生溫度猝滅效應(yīng),使得測得的光強值偏低;另外溫度也影響著氧氣分子在基底涂層內(nèi)的擴散能力。其他影響PSP測量精度的因素有：圖像采集設(shè)備的噪音、模型的變形和移位、標定的偏差和光源不穩(wěn)定性等[8]。

2 實驗系統(tǒng)介紹

2.1 壓敏涂料測壓系統(tǒng)

壓敏涂料測壓系統(tǒng)主要包括：激勵系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、濾光系統(tǒng)、壓力敏感涂料及后處理軟件(如圖1)。激勵系統(tǒng)采用陣列LED光源,輸出光波長405nm;圖像采集系統(tǒng)為美國Cooke公司的PCO.1600型高敏感相機及配套采集軟件;濾光系統(tǒng)包含三種波長,可以通過550nm、610nm和645nm光;壓敏涂料是購自美國ISSI公司的UF405型涂料,此涂料在405nm波長光激勵下輻射出610nm波長光,涂料的壓力敏感度高且溫度影響較小。涂料的壓力分辨率為30～100Pa,空間分辨率與涂層厚度有關(guān),約是涂層厚度的3～4倍,此涂料涂層厚度在0.015～0.02mm,所以空間分辨率在0.08mm量級,因此作者采用的壓敏涂料測壓系統(tǒng)能夠滿足毫米級葉柵表面壓力的測量需求。實驗前首先進行涂料的標定,得到光強比和壓力比的對應(yīng)關(guān)系,實驗時通過圖像采集系統(tǒng)采集參考壓力情況下(通常為1×105Pa)和實驗狀態(tài)時模型表面的光強值,將標定結(jié)果帶入到后處理軟件中,從而根據(jù)采集到的模型表面光強比得到模型表面二維壓力值,最后建立三維模型,通過插值的方法將二維壓力值轉(zhuǎn)換為模型三維表面壓力值。

圖1 PSP測壓系統(tǒng)組成圖Fig.1 PSP pressure measurement system

建立壓敏涂料測壓系統(tǒng)測量毫米級葉柵葉背表面壓力時,解決了幾個關(guān)鍵問題：(1)激勵光源問題。在使用單個光源對葉柵葉背表面進行激勵時,靠近端壁角落的地方可能無法被激勵或者激勵不完全,影響測量的準確性。針對這一問題,自主開發(fā)了多個陣列LED光源,每個光源由144個發(fā)光二極管組成,功率15W,采用多個激勵光源進行照射,端壁角落區(qū)域可以被激勵到,增加了葉背表面的被激勵面積;(2)圖像采集系統(tǒng)分辨率問題。圖像采集系統(tǒng)硬件的像素有限,在測量毫米尺度表面時分辨率不夠,因此在圖像采集系統(tǒng)前加裝了GL-99型高性能連續(xù)變倍體視顯微鏡,放大倍數(shù)6.5～90,有效地提高了圖像采集系統(tǒng)的分辨率(如圖2);(3)微小葉片表面噴涂方法的研究。葉片表面涂層質(zhì)量影響測壓系統(tǒng)的準確性,特別是尺寸微小化之后。為了使葉背表面噴涂均勻,專門設(shè)計了一套轉(zhuǎn)動夾持機構(gòu),噴涂過程中保持噴槍位置不變,均勻轉(zhuǎn)動夾持機構(gòu),使得葉片表面能夠噴涂均勻(如圖3)。噴涂過程中,涂料的霧化效果直接決定著噴涂的質(zhì)量,在實際噴涂涂料之前,使用乙醇進行了多次的試噴涂,發(fā)現(xiàn)噴槍內(nèi)壓力1.4×105Pa,距離模型表面15～20cm時,霧化效果較好,涂料利用率較高。

圖2 具有光學放大功能的壓敏涂料測壓系統(tǒng)Fig.2 PSP pressure measurement system with optical magnification function

圖3 微小葉片葉背表面噴涂Fig.3 Painting of suction surface of micro blade

2.2 壓敏涂料的標定

實驗時圖像采集系統(tǒng)采集到模型表面光強數(shù)據(jù)后,需要預先知道光強比值和壓力比值的對應(yīng)關(guān)系才能將模型表面光強值轉(zhuǎn)換成壓力值,因此需要對所用的壓力敏感涂料進行標定,得到壓敏涂料在不同溫度下的光強比和壓力比關(guān)系。設(shè)計并搭建了一套標定系統(tǒng)(如圖4),采用日本SMC公司的IR2010型精密減壓閥和美國PSI公司9816型智能壓力掃描器精確控制和測量標定腔內(nèi)壓力,通過一個小型電爐對標定腔加熱改變腔內(nèi)溫度,利用熱電偶測量溫度。標定時,選擇3個溫度分別是28.2、33.8和37.8℃,每個溫度下壓力變化從1.0～2.0×105Pa,每間隔0.1×105Pa采集一次數(shù)據(jù)。以溫度28.2℃,壓力1×105Pa時采集到的光強值為參考,其它壓力和溫度下的光強值均與其相比,進行數(shù)據(jù)處理后即得到不同溫度和壓力下涂料的光強比與壓力比的關(guān)系。

圖5為UF405涂料標定結(jié)果,由圖中可以看出涂料特性曲線平直光滑,線性度較好,在溫度變高時,同一壓力下光強減弱,但曲線斜率并沒有明顯的變化。

圖4 標定系統(tǒng)搭建Fig.4 Establishment of calibration system

圖5 UF405涂料標定結(jié)果Fig.5 Calibration result of paint UF405

2.3 微小葉柵實驗段設(shè)計及實驗測量方案

(1)微小葉柵實驗段設(shè)計

選擇某典型常規(guī)尺度渦輪轉(zhuǎn)子葉型[9]進行縮比(表1),根據(jù)供氣系統(tǒng)的供氣量和擬達到的葉片出口馬赫數(shù),保持進氣角、安裝角、稠度和展弦比等相同,縮比后葉片弦長9.11mm,柵距7.11mm。PSP系統(tǒng)壓力分辨率30～100Pa,空間分辨率在0.08mm量級,縮比后的葉片葉高方向和弦長方向大約能夠測量到約70～100個點,因此PSP系統(tǒng)是適合測量縮比后葉柵表面壓力的。為了減小來流湍流度,保持進口氣流均勻,風洞出口和微小葉柵實驗段進口采用維托辛斯基收縮型線連接。微小平面葉柵排設(shè)計成可更換式,每個葉柵排由6個葉片組成,形成5個通道(如圖6)。保持通道高度不變,通過改變?nèi)~柵高度來實現(xiàn)不同葉尖間隙與葉高比,無間隙時葉柵高度為7.36mm,有間隙時(葉尖間隙與葉高比為5%)葉柵高度為7.01mm。為了便于PSP測壓系統(tǒng)對測量表面進行激勵和數(shù)據(jù)采集,實驗段上表面和靠近葉背的側(cè)壁面安裝了強度和光學性能優(yōu)異的石英玻璃。為了方便壓敏涂料的噴涂,保證噴涂質(zhì)量,將葉柵排的中間兩個葉片設(shè)計成可拆卸式的(如圖7),噴好涂料后再將葉片安裝到葉片排上。

表1 常規(guī)葉柵和微小葉柵尺寸對比Table 1 Size comparision of traditional and micro cascade

圖6 微小葉柵排出口Fig.6 Outlet of micro cascade

圖7 可拆卸式葉柵排Fig.7 Removable cascade

實驗對加工和裝配的精度要求較高,葉片及葉片安裝槽通過慢走絲線切割加工,精度5μ m,保證葉片形狀精確、統(tǒng)一。采用厚薄尺對裝配后葉尖間隙的大小進行檢驗(葉尖間隙0.35mm,如圖8～9)。檢驗結(jié)果表明：實驗件裝配精度符合實驗要求。

圖8 0.35mm的厚薄尺Fig.8 Plug gauge of 0.35mm

圖9 用厚薄尺對間隙進行檢驗Fig.9 Test of the tip clearance with plug gauge

(2)實驗測量方案

實驗測量了有/無葉尖間隙毫米級葉柵中間通道處葉背表面壓力,來流速度34～85m/s。由于毫米級葉柵排的限制,實驗時不能一次性采集到葉背整個表面的壓力分布,本文實驗中首先對葉背前緣進行圖像采集(如圖10),得到不同來流速度狀態(tài)下有/無間隙葉背前緣光強數(shù)據(jù),然后改變測壓系統(tǒng)位置對葉背后緣進行圖像采集(如圖11),保持在采集前緣圖像和后緣圖像時來流速度一致,最后將兩次的實驗結(jié)果進行綜合,得到整個葉片表面的壓力分布。

圖10 葉背前緣圖像采集Fig.10 Picture acquisition of leading edge of blade suction side

圖11 葉背后緣圖像采集Fig.11 Picture acquisition of trailing edge of blade suction side

3 微葉柵實驗及結(jié)果分析

3.1 來流速度對葉背表面壓力分布的影響

以無葉尖間隙情況為例,分析不同來流速度時葉背壓力分布特性(如圖12～15,氣流方向從右至左),從圖中可以看出：葉背前段表面壓力隨著來流速度增大而升高,沿程壓力降低,而葉背后部變化并不明顯。這是因為葉背前段處于喉道前,氣流增速減壓,而葉背后部處于喉道之后,表面壓力受出口環(huán)境壓力影響較大。

3.2 間隙對葉背表面壓力分布的影響

圖12 來流速度32m/s時葉背壓力分布Fig.12 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 32m/s

圖13 來流速度50m/s時葉背壓力分布Fig.13 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 50m/s

圖14 來流速度66m/s時葉背壓力分布Fig.14 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 66m/s

以來流速度V1約為66m/s為例,分析存在葉尖間隙時葉背壓力分布特性(圖16～17分別為無間隙和葉尖間隙與葉高比5%時葉背壓力分布)：

(1)葉片中后段葉尖處壓力比葉根處壓力大很多,這是由于存在葉尖間隙,產(chǎn)生了泄漏,葉盆處高壓氣體通過間隙泄漏流入葉背,使葉背葉尖處壓力明顯大于葉根處;

(2)與無葉尖間隙相比,5%葉尖間隙時泄漏對葉背表面壓力的影響約占葉高1/3,葉背底端受泄漏的影響較小。

圖15 來流速度84m/s時葉背壓力分布Fig.15 Pressure distribution of suction surface at inlet velocity 84m/s

圖16 無間隙時葉背壓力分布(V1=66m/s)Fig.16 Pressure distribution of blade suction sucface without tip clearance(V1=66m/s)

圖17 5%間隙時葉背壓力分布(V1=68m/s)Fig.17 Pressure distribution of blade suction sucface with 5%tip clearance(V1=68m/s)

4 結(jié) 論

筆者首次將PSP技術(shù)應(yīng)用在毫米級平面葉柵研究領(lǐng)域,設(shè)計了一套可拆卸式毫米級平面葉柵實驗段并建立了相應(yīng)的壓敏涂料測壓系統(tǒng),測量了葉背表面壓力,得到以下幾點結(jié)論：

(1)無葉尖間隙時,葉背前段表面壓力隨著來流速度增大而升高,沿程壓力降低,而葉背后部變化并不明顯;

(2)葉片中后段葉尖處壓力比葉根處壓力大很多,這是由于存在葉尖間隙,產(chǎn)生了泄漏,葉盆處高壓氣體通過間隙泄漏流入葉背,使葉背葉尖處壓力明顯大于葉根處;

(3)與無葉尖間隙相比,有葉尖間隙時泄漏對葉背表面壓力的影響約占葉高1/3,葉背底端受泄漏的影響較小。

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