張愷悅，楊名洋，舒夢(mèng)影，鄧康耀

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

渦輪增壓技術(shù)是提高推進(jìn)系統(tǒng)升功率的重要方法之一[1]。離心壓氣機(jī)是增壓系統(tǒng)的核心部件，其性能及氣動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)增壓系統(tǒng)的性能以及發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行都十分重要[2]。離心壓氣機(jī)運(yùn)行與入口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3-6]。因此，離心壓氣機(jī)入口流場(chǎng)的測(cè)量對(duì)開(kāi)展離心壓氣機(jī)性能，尤其是穩(wěn)定性的研究十分關(guān)鍵。

目前已有部分針對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的試驗(yàn)研究。由于離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，其流場(chǎng)的測(cè)量工作具有一定難度，一般采用特定的技術(shù)對(duì)壓氣機(jī)入口進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)量。Han等利用球形五孔探針測(cè)量了離心壓氣機(jī)入口進(jìn)氣道內(nèi)的壓力、氣流角與速度分布，試驗(yàn)采取非對(duì)向與半對(duì)向測(cè)量結(jié)合的方法得到入口氣流角[7]，并利用數(shù)值仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)較為準(zhǔn)確地測(cè)量了入口的總壓、速度和氣流角的分布。五孔探針可同時(shí)獲得氣流角、總壓、靜壓以及速度等氣動(dòng)參數(shù)，但其常用于測(cè)量低速、定常不可壓流場(chǎng)[8]，而渦輪增壓離心壓氣機(jī)中流場(chǎng)具有強(qiáng)烈非定常性，五孔探針難以適應(yīng)高速瞬態(tài)測(cè)量要求。 Matthieu等[9]利用粒子成像技術(shù)(PIV)測(cè)量了離心壓氣機(jī)入口速度，比較了有無(wú)入口自循環(huán)擴(kuò)穩(wěn)處理對(duì)壓氣機(jī)入口流動(dòng)的影響。Bhattacharya等[10]利用三維PIV技術(shù)測(cè)量了多級(jí)離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，該方法較為準(zhǔn)確直觀，但光路布置十分復(fù)雜。Fagan等[11-12]采用激光多普勒測(cè)速技術(shù)(LDV)測(cè)量了離心壓氣機(jī)葉輪流道在設(shè)計(jì)工況與近喘振點(diǎn)的流場(chǎng)，但其僅限單點(diǎn)測(cè)量，獲得全場(chǎng)流動(dòng)信息則較為困難。

渦輪增壓器的離心壓氣機(jī)與內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣歧管連接，導(dǎo)致壓氣機(jī)出口面臨強(qiáng)瞬變背壓條件[13]。因其結(jié)構(gòu)緊湊、高頻強(qiáng)非定常的流場(chǎng)特征，目前基于光學(xué)的和多孔探針的測(cè)量技術(shù)難以滿足該條件下的流場(chǎng)測(cè)量。熱線風(fēng)速儀響應(yīng)頻率、測(cè)量精度均較高，對(duì)所測(cè)流場(chǎng)侵?jǐn)_小，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)步進(jìn)，因而適用于緊湊空間內(nèi)高頻變化的強(qiáng)非定常三維流場(chǎng)[14-15]。因此，本研究通過(guò)自主研發(fā)全自動(dòng)高頻響步進(jìn)流場(chǎng)測(cè)量裝置，配合一維熱線風(fēng)速儀，同時(shí)開(kāi)展離心壓氣機(jī)入口在穩(wěn)態(tài)及脈沖背壓工況下流場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量研究。

1 壓氣機(jī)性能與流動(dòng)非定常測(cè)試平臺(tái)

本研究采用上海交通大學(xué)離心壓氣機(jī)性能與內(nèi)部流場(chǎng)非定常測(cè)試平臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖1a所示，實(shí)物如圖1b所示。離心壓氣機(jī)由功率132 kW的ABB變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到90 000 r/min。出口段放置V錐流量計(jì)。出口主管與支管安裝有2個(gè)閥門(A和B)用于試驗(yàn)時(shí)的壓氣機(jī)流量調(diào)節(jié)。主閥門(A)用于同一轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)流量的粗調(diào)，支管閥(B)用于流量的微調(diào)以調(diào)整壓氣機(jī)流量并捕捉壓氣機(jī)喘振點(diǎn)。試驗(yàn)所測(cè)離心壓氣機(jī)如圖2所示。葉輪出口直徑約為110 mm，無(wú)葉擴(kuò)壓器出口直徑約為120 mm。試驗(yàn)臺(tái)裝配氣流脈沖發(fā)生器，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)部閥片轉(zhuǎn)動(dòng)可產(chǎn)生用于研究模擬壓氣機(jī)出口段真實(shí)存在的脈沖背壓。

圖1 離心壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

圖2 離心壓氣機(jī)關(guān)鍵部件

壓氣機(jī)性能可以由所測(cè)的進(jìn)出口流動(dòng)參數(shù)獲得。壓氣機(jī)進(jìn)出口穩(wěn)態(tài)壓力由壓力掃描閥PSI9116測(cè)得，其測(cè)量誤差為±0.05%FS；穩(wěn)態(tài)流量由出口管道布置的V錐流量計(jì)測(cè)得，其測(cè)量誤差為±0.5%FS；進(jìn)出口溫度通過(guò)Pt100鉑熱電阻測(cè)量，其測(cè)量誤差為±0.15 K；壓氣機(jī)進(jìn)出口布置有HM90瞬態(tài)壓力傳感器，其測(cè)量誤差為±0.4%FS；瞬態(tài)流量由入口處的一維熱線風(fēng)速儀測(cè)得，測(cè)量誤差為±0.5%FS。具體瞬態(tài)流量測(cè)量方法在文獻(xiàn)[16-17]中有詳細(xì)報(bào)道。通過(guò)NI多通道高速采集卡可以實(shí)現(xiàn)各信號(hào)的同步采集，試驗(yàn)采樣率根據(jù)壓氣機(jī)的工況設(shè)置為12～18 kHz，以獲得壓氣機(jī)入口的流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化。

2 離心壓氣機(jī)入口流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

選取離心壓氣機(jī)入口前一特定截面，利用自主研發(fā)的全自動(dòng)流場(chǎng)步進(jìn)測(cè)量裝置以及一維熱線風(fēng)速儀探針對(duì)所選取的該截面測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，制作截面完整速度分布云圖，探明壓氣機(jī)在不同運(yùn)行工況下入口流場(chǎng)畸變規(guī)律。

2.1 基于步進(jìn)熱線風(fēng)速儀的非定常流場(chǎng)測(cè)量裝置

如圖3所示，熱線風(fēng)速儀流場(chǎng)測(cè)量裝置主要架構(gòu)分為兩部分：底座支撐結(jié)構(gòu)和組合測(cè)量結(jié)構(gòu)。底座與試驗(yàn)臺(tái)連接保證整個(gè)裝置的穩(wěn)定性。測(cè)量結(jié)構(gòu)由周向及徑向步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)管道、熱線風(fēng)速儀探針、升降平臺(tái)等部件組成。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制測(cè)量探針在徑向及周向動(dòng)作，可使旋轉(zhuǎn)管360°轉(zhuǎn)動(dòng)；徑向螺桿可帶動(dòng)升降平臺(tái)上下移動(dòng)，探針即可測(cè)量離心壓氣機(jī)入口截面任意點(diǎn)的流場(chǎng)信息。

圖3 離心壓氣機(jī)入口流場(chǎng)測(cè)量裝置

本研究采用Dantec一維恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀對(duì)壓氣機(jī)入口速度進(jìn)行測(cè)量，恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀利用特制的通電金屬絲與來(lái)流發(fā)生換熱，在不同的流速下，金屬絲與流體的換熱量不同，內(nèi)部電橋通過(guò)改變電壓的方式使熱線絲處于恒溫狀態(tài)，此時(shí)測(cè)量熱線風(fēng)速儀的電壓信號(hào)便可獲得相應(yīng)的流體速度。熱線探針與Dantec多通道轉(zhuǎn)換器相連(見(jiàn)圖4a)，可實(shí)現(xiàn)6通道同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)帶有溫度通道及熱敏電阻通道以保證測(cè)量的精度及穩(wěn)定性。熱線電壓信號(hào)通過(guò)此轉(zhuǎn)換器與NI采集卡相連，利用PXI采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見(jiàn)圖4b)，實(shí)現(xiàn)與壓氣機(jī)性能參數(shù)采集的同步測(cè)量。

圖4 試驗(yàn)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)通過(guò)Dantec熱線風(fēng)速儀標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)一維探針進(jìn)行標(biāo)定，其內(nèi)置限流器可通過(guò)改變流通面積將氣流控制在1.46 m/s和53.4 m/s這2個(gè)恒定速度。通過(guò)采集這2個(gè)速度下的熱線電壓，并使用兩點(diǎn)標(biāo)定法繪制出速度與輸出電壓的曲線。使用5次函數(shù)擬合即可將采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為流動(dòng)速度，平均標(biāo)定誤差小于0.26%。圖5示出連續(xù)4日試驗(yàn)熱線風(fēng)速儀探針的速度-電壓標(biāo)定曲線。

圖5 熱線風(fēng)速儀標(biāo)定曲線

2.2 壓氣機(jī)入口流場(chǎng)測(cè)量方法

壓氣機(jī)入口流場(chǎng)測(cè)量截面距離葉輪入口110 mm，入口段管徑為82 mm，本研究將該測(cè)量面均勻分為54個(gè)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖6)。周向控制電機(jī)單次步進(jìn)30°，徑向控制電機(jī)單次步進(jìn)9 mm。

測(cè)量開(kāi)始后，旋轉(zhuǎn)管沿周向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)徑向電機(jī)控制升降平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)。待觸發(fā)限位器后進(jìn)行復(fù)位，實(shí)現(xiàn)周向及徑向的初始位置標(biāo)定。周向與徑向均標(biāo)定完畢后即開(kāi)始一輪測(cè)量。熱線風(fēng)速儀探針進(jìn)行第一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，采集完畢后測(cè)量探針徑向步進(jìn)一個(gè)測(cè)點(diǎn)的距離，等待流場(chǎng)穩(wěn)定后開(kāi)始第二個(gè)點(diǎn)的流場(chǎng)測(cè)量，直至最后一個(gè)點(diǎn)測(cè)量完畢后進(jìn)行徑向復(fù)位。隨后周向旋轉(zhuǎn)30°，隨即開(kāi)始第二輪徑向測(cè)量直至整周測(cè)量結(jié)束。測(cè)量流程見(jiàn)圖7。

圖6 離心壓氣機(jī)入口流場(chǎng)信息采集

圖7 控制采集程序框圖

圖8 后處理程序框圖

如圖8所示，在后處理程序中輸入相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，在非定常工況中獲得相應(yīng)數(shù)量的完整波形，對(duì)該波形進(jìn)行疊加、求平均及濾波處理得到一個(gè)完整周期的波形。將所有波形進(jìn)行鎖相對(duì)波后，即獲得有效可用的原始數(shù)據(jù)，最后將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流場(chǎng)云圖。

3 結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)量了離心壓氣機(jī)在40 000 r/min穩(wěn)態(tài)工況下近堵塞流量點(diǎn)，最高效率點(diǎn)及20 Hz脈沖背壓條件下近堵塞點(diǎn)入口流場(chǎng)分布。圖9示出試驗(yàn)工況下壓氣機(jī)的性能曲線。穩(wěn)態(tài)工況下離心壓氣機(jī)壓比-流量線為一條平滑曲線。在脈沖背壓條件下，壓氣機(jī)入口流量呈現(xiàn)包圍穩(wěn)態(tài)曲線的遲滯環(huán)。非穩(wěn)態(tài)工況流量最低點(diǎn)為“A”，沿逆時(shí)針?lè)较蚪?jīng)過(guò)遲滯環(huán)平均流量“B”點(diǎn)后，到達(dá)最大流量點(diǎn)“C”，經(jīng)過(guò)另一側(cè)平均流量點(diǎn)“D”最終回到 “A”點(diǎn)，完成一輪循環(huán)。脈沖產(chǎn)生后，系統(tǒng)產(chǎn)生“充滿-排空”效應(yīng)?！癆”—“C”為排空段，進(jìn)入系統(tǒng)的流量低于離開(kāi)系統(tǒng)的流量；而“C”—“A”則為充滿段，進(jìn)入系統(tǒng)的流量高于離開(kāi)系統(tǒng)的流量。

圖9 離心壓氣機(jī)性能曲線

圖10示出40 000 r/min穩(wěn)態(tài)工況下近堵塞流量點(diǎn)與最高效率點(diǎn)壓氣機(jī)入口速度分布云圖。穩(wěn)態(tài)工況下壓氣機(jī)入口近壁面位置氣流速度較低，高速氣流出現(xiàn)在中部位置。另一方面，壓氣機(jī)入口段截面的整體流場(chǎng)出現(xiàn)明顯周向不對(duì)稱現(xiàn)象，由圖10a可見(jiàn)，分界線AB兩側(cè)流速差異較大。在壓氣機(jī)蝸舌下游方向速度較大，而上游的速度較小，此周向速

圖10 穩(wěn)態(tài)工況壓氣機(jī)入口速度分布

度分布畸變是由壓氣機(jī)蝸殼的周向幾何不對(duì)稱性導(dǎo)致的。高低速區(qū)域分界線以蝸舌為起點(diǎn)，沿直徑延伸至入口截面另一側(cè)。相比之下，非定常畸變效應(yīng)不明顯(見(jiàn)圖10b)。

圖11示出40 000 r/min，20 Hz脈沖背壓條件下近堵塞流量工況點(diǎn)在同一遲滯環(huán)內(nèi)最低流量點(diǎn)(“A”)、最高流量點(diǎn)(“C”)與平均流量點(diǎn)(“B”、“D”)入口速度分布云圖。與穩(wěn)態(tài)工況類似，脈沖背壓工況下同樣在壓氣機(jī)入口截面下方產(chǎn)生高速區(qū)，并出現(xiàn)周向非對(duì)稱流場(chǎng)畸變。此外，在脈沖背壓工況下，隨著入口流量在遲滯環(huán)上的波動(dòng)，入口平均流速產(chǎn)生顯著變化，壓氣機(jī)入口截面平均流速首先急劇增加到達(dá)峰值后最終逐漸回到最小值，呈現(xiàn)出明顯的周期波動(dòng)性。其中“B”、“D”兩點(diǎn)瞬時(shí)流量相同，但其速度及周向非對(duì)稱畸變卻明顯不同：“B”點(diǎn)的速度及其非對(duì)稱畸變強(qiáng)度高于“D”點(diǎn)?！癆”時(shí)刻分界線兩側(cè)未出現(xiàn)明顯差異，在 “A”—“C”“排空”階段，分界線兩側(cè)速度差逐漸增大；在 “C”—“A”“充滿”階段，分界線兩側(cè)速度差逐漸減小。

圖11 40 000 r/min，20 Hz工況壓氣機(jī)入口速度分布

4 結(jié)論

a) 壓氣機(jī)入口截面速度分布在近堵塞流量工況下出現(xiàn)明顯周向非對(duì)稱性，高低速區(qū)的分界線以蝸舌為起始點(diǎn)沿直徑延伸至入口截面另一側(cè)；而在最高效率點(diǎn)工況下，該分布非對(duì)稱性明顯減弱；

b) 20 Hz脈沖背壓下離心壓氣機(jī)非定常性能與穩(wěn)態(tài)工況性能曲線存在顯著差異，離心壓氣機(jī)入口流量-壓比曲線呈現(xiàn)一個(gè)圍繞穩(wěn)態(tài)曲線的遲滯環(huán)，且壓氣機(jī)入口流場(chǎng)存在顯著的非定常特征：在排空階段，流場(chǎng)存在較強(qiáng)的畸變分布，但在充滿階段該流場(chǎng)畸變特征明顯減弱。