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浙江降溫設備動 靜葉相干對軸流壓縮機內部流動影響的試驗研究通
摘要： 利用 PIV 和鎖相技術相結合的手段，對一軸流壓縮機動 / 靜葉相干現象對內部流動的影響做了測量試驗，提出了數據的處理方法，并對試驗結果進行了分析。
關鍵詞： 軸流式壓縮機；動 / 靜葉相干；內部流動
中圖分類號： TH453 文獻標識碼： B
文章編號： 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
壓縮機內部流動的好壞對整臺壓縮機的綜合性能有較大的影響，開展對壓縮機內部流動的研究顯得尤為重要。目前對壓縮機內部流動非定常的研究越來越多，從內容來看主要集中在數值研究和試驗研究上。 在文獻[1] 中，用 PIV 測量儀器測量了動葉和靜葉不同相對位置下的流動情況；文獻[2] 在葉尖處詳細測量了不同位置上的流動情況。鄭新前、周盛對低速軸流壓縮機尾部撞擊效應做了數值模擬[3] ，文中驗證了低速壓縮機中尾流撞擊效應正效果的有效性，指出在低速軸流壓縮機中，盡管時序效應對提高整機的性能沒有明顯的效果，但是動靜葉相干這一固有非定常現象存在著巨大的潛能，這將為固有非定常的利用開辟一條新的途徑。楊海濤、楊洪雁等采用二維非定常數值模擬的方法研究了動葉相對位置的改變對整個壓縮機性能的影響[4] ，結果顯示不同的動葉相對位置，會改變上游動葉尾跡與下游動葉之間的相對位置，以及下游周圍的周期性和湍流性速度波動。研究發現，上游尾跡被輸運到下游葉列前緣附近的時候對應較高的級效率，當上游尾跡被輸運到下游葉排葉道中部的時候，對應的級效率較低，正確的分布動葉的相對位置會減少第二列動葉表面上的非定常性，對葉片性能有改善的作用。從研究和工程應用表明：葉排間尾跡的撞擊作用，對葉輪機械整體的氣動性能有顯著的影響[ 5-6 ] 。 不同的研究者得出的結果可能差異很大，如Simt h 關于一臺低速壓縮機的試驗表明 [7] ：將軸向間距由37 ％弦長縮短至 7 ％時，壓縮機的效率將提高1 ％～2 ％，靜壓提高 2 ％～ 4 ％；然而， Hetherington 和 Moritz 關于另一臺壓縮機的研究 [8] 得到了相反的趨勢，他們發現將軸向間距增大 3 倍，壓縮機的性能反而提高；還有Dorney 等 [9] 研究發現，通過調節轉子上游靜葉排與下游靜葉排的相對位置（ clocking 現象），讓第一級靜葉的尾跡打到第二級靜葉的壓力面上時，壓縮機的效率可提高 0.6 ％～ 0.7 ％�？梢娙~排之間的相互影響對整個壓縮機內部流動影響是比較顯著的，把PIV 技術和相位鎖定觸發技術結合起來研究動 / 靜葉相干現象，對整個流場產生的影響具有重要的意義。本文利用PIV 和鎖相技術相結合的技術對一 11/2級（導葉、動葉、靜葉）壓縮機內部流動做了測量，對工程實際設計有一定的參考價值，也彌補了國內用試驗測量研究壓縮機內部動 / 靜葉相干非定常流動現象較少的不足。
1 試驗裝置及過程
試驗裝置如圖1所示，氣體由集流器進入風道，經過導葉、轉子和靜葉最后從出口排出。試驗裝置參數：導葉為 40 片，動葉為19片，靜葉為13片；機殼內徑為450mm ，輪轂比為0.75，葉高為56.25mm ，轉子與靜子之間的間隙為3.6mm ，導葉與動葉距離可調（試驗時距離為13mm）。為了保證光路順利進入所測區域，把動葉周圍外側加工成為有機玻璃材質。由于激光片光源有一定的焦距，為了保證激光光路在所要求的距離范圍內，在風道進口和導葉之間合適的位置開一小孔，內側安裝一光學反光鏡，用反光鏡反射的激光進入動葉葉道內部，就保證了測試區域在激光片光源焦距上。在測量過程中，葉片表面對激光的反光作用很強，反射的激光不僅使靠近葉片區域無法測量，強烈的激光也會對CCD造成損害，所以要避免強烈的激光反射，這就需要對葉片表面進行處理。先在葉片表面用噴霧器噴上一層薄薄的黑漆，然后再撒一層碳粉，最后用棉布打磨平整，不僅遏制了強烈的激光反射，而且也沒有改變葉片的形狀，對流場不會造成影響。用鎖相技術對動葉不同位置進行鎖相，測量了動/ 靜葉3個不同相對位置上的流場。把導葉一個葉道平均分成3個位置，對每個位置進行鎖相，具體操作時先把動葉掃過每個位置時所用的時間確定好，通過調節編碼器脈沖延遲時間加以改變鎖相位置。具體鎖相位置如圖2所示。受結構的限制，測量區域只能測量葉道內吸力面附近的區域，壓力面流動無法進行測量，如圖3 所示，矩形區域代表激光進入葉道前情形，近似梯形為測量區域。用 PIV 測量時，示蹤粒子的選取與播撒也是一個較為重要的環節，選取祭祀用的香作為示蹤粒子，粒子直徑較小，跟隨性好；但是煙霧容易在壁面上凝結，做一個工況要停機擦拭一次，以保證激光順利通過。
2 數據的處理
數據的后期處理對試驗結果的表達有較大的影響，沒有詳細的數據處理也不能很好地表現結果。在數據處理上分為兩步，先用 PIV 專用軟件 Insight 對所拍圖片進行處理，得到vector文件；然后用所編程序和tecplot 做進一步處理。由于用 PIV 測量的速度都是用絕對速度表示，在旋轉的葉輪機械里面往往用相對速度表達更為合適，用所編程序對絕對速度文件進行處理，將其轉化為相對速度，在轉化時用絕對速度減去牽連速度（葉輪圓周速度）得到。在測量過程中測量了設計流量、近失速流量和失速流量下的速度分布情況；沿葉高測量了葉根（距葉根 20 ％處），葉中（葉片中部）和葉高（距葉頂 20 ％處）3個位置；每個位置測量了不同鎖相位置上的流動情況。由于數據量較多，在數據處理時采取用多個時刻平均進行處理，即在結果中用平均場來表示，把3個相位上的平均場進行比較得到鎖相位置對內部流動的影響。
3 試驗結果
由于測量工況較多，數據量較大，限于篇幅，不能把所有結果加以表現，現只把設計流量 (2.46 ～ 2.50kg/s) 和失速流量（ 1.79 ～ 1.95kg/s ）工況下，葉片中部和葉尖處不同相位的結果加以表達，葉片根部流動情況只作簡單描述，葉根流動情況圖片就不再顯示，葉片根部的流動情況比較穩定，出現分離現象較少，在葉片根部失速流量只有下相位3上出現了完全分離現象，而在葉中和葉尖各個相位都出現了分離現象。
首先分析葉片中部流動情況，其中，圖4為設計流量下葉片中部在不同相位上的流動情況；圖5是失速流量下葉片中部在不同相位上的流動情況；圖6是失速流量下葉片中部某一時刻在分離情況下的流動情況。從葉中流動情況可以看到，流動在相位1時最為穩定，在相位3上流動最為紊亂，在設計流量下和失速流量下都是這種現象，都符合從相位 1 到相位3流動是從穩定到紊亂的發展過程。在失速流量下瞬時時刻頻繁出現了分離現象，其中相位1上出現完全分離的時刻較少，而在相位3上較多，相位2居中。分離時絕對速度表現為氣流跟著葉片一起旋轉，很少氣流從葉道流出，相對速度表現為氣流在葉道內部有大量的漩渦。在每個相位上經過大量數據進行平均，用平均流場表現了動 / 靜葉相干在流道內部的非定常現象，流動在相位 1 上情況良好，在相位3上流動最為紊亂，說明分離漩渦在相位1上是產生的過程，經過相位2 加強，到相位3 上達到最大，這種現象在葉道里面是周期性重復的過程。
葉尖處流動情況，其中圖7 是設計流量下葉尖處在不同相位上的流動情況；圖8是在失速流量下葉尖處在不同相位上的流動情況；圖9是失速流量下葉尖處某一時刻在分離情況下的流動情況。從圖中可以看出，在葉尖處流動情況沿著相位 1 到相位3 渦量是從弱到強的過程，也符合在相位1上流動最為穩定，在相位3上流動最為紊亂，和葉片中部流動情況相似。這就進一步說明了葉道內部的流動分離從相位1到相位3分離是逐漸加強的過程，分離漩渦沿著相位 1 到相位 3 是產生、發展和加強的過程。這里沒有展示葉根處流動情況，實際上葉根處也符合這一規律。
通焊接(fan)是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。
通焊接廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻；鍋爐和工業爐窯的通風和引風；空氣調節設備和家用電器設備中的冷卻和通風；谷物的烘干和選送；風洞風源和氣墊船的充氣和推進等。
通焊接的工作原理與透平壓縮機基本相同，只是由于氣體流速較低，壓力變化不大，一般不需要考慮氣體比容的變化，即把氣體作為不可壓縮流體處理。
通風機已有悠久的歷史。中國在公元前許多年就已制造出簡單的木制礱谷風車，它的作用原理與現代離心通風機基本相同。1862年，英國的圭貝爾發明離心通風機，其葉輪、機殼為同心圓型，機殼用磚制，木制葉輪采用后向直葉片，效率僅為40%左右，主要用于礦山通風。1880年，人們設計出用于礦井排送風的蝸形機殼，和后向彎曲葉片的離心通風機，結構已比較完善了。
1892年法國研制成橫流通風機；1898年，愛爾蘭人設計出前向葉片的西羅柯式離心通風機，并為各國所廣泛采用；19世紀，軸流通風機已應用于礦井通風和冶金工業的鼓風，但其壓力僅為100～300帕，效率僅為15～25%，直到二十世紀40年代以后才得到較快的發展。
1935年，德國首先采用軸流等壓通風機為鍋爐通風和引風；1948年,丹麥制成運行中動葉可調的軸流通風機；旋軸流通風機、子午加速軸流通風機、斜流通風機和橫流通風機也都獲得了發展。
按氣體流動的方向，通風機可分為離心式、軸流式、斜流式和橫流式等類型。
離心通風機工作時，動力機(主要是電動機)驅動葉輪在蝸形機殼內旋轉，空氣經吸氣口從葉輪中心處吸入。由于葉片對氣體的動力作用，氣體壓力和速度得以提高，并在離心力作用下沿著葉道甩向機殼，從排氣口排出。因氣體在葉輪內的流動主要是在徑向平面內，故又稱徑流通風機。
離心通風機主要由葉輪和機殼組成，小型通風機的葉輪直接裝在電動機上中、大型通風機通過聯軸器或皮帶輪與電動機聯接。離心通風機一般為單側進氣，用單級葉輪；流量大的可雙側進氣，用兩個背靠背的葉輪，又稱為雙吸式離心通風機。
葉輪是通風機的主要部件，它的幾何形狀、尺寸、葉片數目和制造精度對性能有很大影響。葉輪經靜平衡或動平衡校正才能保證通風機平穩地轉動。按葉片出口方向的不同，葉輪分為前向、徑向和后向三種型式。前向葉輪的葉片頂部向葉輪旋轉方向傾斜；徑向葉輪的葉片頂部是向徑向的，又分直葉片式和曲線型葉片；后向葉輪的葉片頂部向葉輪旋轉的反向傾斜。
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