小型探针在小尺寸压气机性能试验中的应用

吴森林，胡骏，向宏辉，唐磊，任铭林

(1.南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016；2.中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

小型探针在小尺寸压气机性能试验中的应用

吴森林1，2，胡骏1，向宏辉2，唐磊2，任铭林2

(1.南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016；2.中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

根据某小尺寸压气机试验测试的需要，先后研制了两种(1#、2#探针)结构形式的总压、总温复合探针。分别介绍了两种探针的优缺点和校准结果，并对探针进行了数值模拟和出口流场测量，对比分析了两种探针测取的总压、总温及总性能间的差异。结果表明：两种探针均能满足小尺寸压气机出口流道堵塞比要求，有效地测取出口流场参数。

探针；压气机；流场；性能；应用

1 引言

测试设备及测试技术是整个试验技术的核心，试验测试技术已发展成一种多学科相互渗透的综合应用技术。随着发动机测试技术日新月异的变化，及时采用最新测试技术全面准确地测取各种数据，系发动机试验技术先进的重要标志。发动机试验测量的特点是：试验过程短，被测介质速度大、温度高、流动状态复杂，所测数据量大，各测量参数之间的同步性要求高。为适应这些要求，测量系统必须具有精度高、工作可靠、测量速度快、实时性好等特点。

用于测量压气机出口总压、总温的传统探针采用多点带导流套梳状凸嘴型复合探针。为提高其结构强度，探针支杆采用了条形孔形式的导管(用于埋置空气管和温度偶丝)，壁厚约为1 mm，支杆迎风面宽度为6 mm。由于这种带套梳状凸嘴型总压管结构对气流干扰大，且受某小尺寸压气机出口流道尺寸小的限制，传统的总压、总温复合梳状探针不能满足多测点径向分布的要求，并且堵塞比约为5.32%，大于规范要求的5%[1](一般将堵塞比控制在3%左右)。如果测试探针设计成移动耙的形式，则试验耗时，大大增加试验成本，同时又不能保证径向测点的同步性。为此，先后研制了两种总压、总温复合梳状探针，并利用其准确测取了压气机出口流场参数，满足了某小尺寸压气机出口参数测量的要求[2]。

2 测试探针

2.1 探针特点

1#探针如图1所示。该探针中的铠装热电偶从空气管(起压力测量和电偶穿装的作用)内穿过[3]，空气管尾端通过一个三通转接座实现压力与电偶引线的分离。测点所需的三根空气管从安装座伸出后直接前后并排贴焊、弯曲成型，省去了传统的支杆。由空气管前后并排组成的支杆迎风面窄(宽度为空气管道直径)，对气流通道的堵塞非常小(周向按6点布局的堵塞比约为2.0%)。同时，该探针的整个结构十分简单，容易制造。但缺点是：空气管头部伸出的一小段铠装热电偶很容易受外物碰击而损坏，安装时要特别注意；同时，该热电偶无法固定，受气流影响可能会晃动，从而影响压力测量结果的准确性。

针对1#探针的缺点，在其基础上进行了优化设计，得到了2#探针(如图2所示)。该探针每个测点由两根空气管并排组成，其中一根用于测量压力，另一根用于穿装铠装热电偶；同时还增设了整流罩，该整流罩除具有整流作用外，还起到保护铠装热电偶的作用；在堵塞比方面，周向按6点布局的堵塞比约为2.4%。

图1 1#复合探针结构Fig.1 1#multiple probe structure

图2 2#复合探针结构Fig.2 2#multiple probe structure

2.2 探针校准结果

图3给出了两种探针的角度特性校准结果。从图中可以看出，2#探针在-25°～25°攻角内的相对误差最大为0.02%，且在所给攻角范围内的误差变化不大；1#探针仅在-6°～6°攻角内的相对误差最小为0.07%，且随着攻角绝对值的增大，误差呈增大趋势。在0.3%误差下，1#探针总压测量的不敏感角为± 15°，2#探针可达±25°。由此可以说明，2#探针的应用范围(气流角)更广。

图3 探针校准结果Fig.3 Probe calibration results

2.3 探针模拟

为了更准确地说明1#、2#探针的区别，在同一流道中采用非结构网格对两种探针进行了数值模拟。如图4所示，网格数22.1万，壁面附近采用边界层网格递进加密；并将探针引起的流道堵塞比与压气机试验时保持一致，控制在2%；进出口边界与真实的试验工况一致，进口总压取230 kPa，出口静压取186 kPa；湍流模型采用工程应用最广泛的k-ε两方程模型[4]。

图4网格示意图Fig.4 The sketch of grids

图5 、图6给出了两种探针的空间速度矢量分布。从图5可以看出，由于电偶的影响，空气管端口处出现了回流，降低了动压头，从而影响到总压的测量。图6给出的2#探针，由于带了整流罩，且空气管前端与电偶齐平，所以测压管端口处无回流现象，从而保证了压力测量的精度。数值模拟得到的1#、2#探针空气管内总压分别是228 kPa和230 kPa，与来流总压230 kPa相比，2#探针测取的压力更能表达流场压力。在温度测量方面，1#、2#探针的电偶均正对来流，测量结果一致。

图5 1#探针空间速度矢量图Fig.5 The vector distribution of 1#probe

3 数据处理方法

(1)压气机流量系数-Wc为：

(2)压气机压比系数πc为：

(3)压气机效率系数ηc为：

式中：Ca为空气流量系数；A为测量截面面积；Pt0、Ps0、Tt0分别为流量测量截面总压，静压和总温；Pt,in、Tt,in分别为压气机进口总压和总温；Pt,ex、Tt,ex分别为出口总压和总温；Wd、πd、ηd分别为设计点流量，压比和效率；γ为气体导热系数。

4 探针的应用与结果

为保证1#、2#探针在测点位置和应用环境上的一致性，两种探针的测点布局在周向和径向分布上完全相同，试验时压气机级间不引气，导叶调至设计角度，同时进气调节阀保持不变。先后采用1#和2#探针分别录取60%、70%、75%、80%等转速特性线的压气机出口流场参数。

图7～图9分别给出了1#探针和2#探针在80%转速时测取的流场参数对比(▲为1#探针、◆为2#探针)，两支探针所取的压比点相差0.009，1#探针测取的压比略高。从图7可以看出，两支探针测取的总温重合性较好，对应点的偏差在±0.28%之间。从图8可以看出，两支探针测取的总压重合性略差，对应点的偏差在±0.80%之间；2#探针测取的总压更能表现一个物理栅距内的压力分布趋势，而1#探针略差，主要表现在第1测点稍低，第2测点稍高。这是由于1#探针中的热电偶导致空气管端口处发生了回流(如图5所示)，且受压气机末排静叶尾迹区气流的影响，电偶产生了小幅晃动，从而使进入空气管的气流偏角不断变化，导致测取的总压误差较大；2#探针带有整流罩，空气管前端的气流比较均匀，端口处无回流(如图6所示)，因此1#、2#探针测取压力的重合性稍差。从图9给出的总压、总温沿径向分布可以看出，1#、2#探针测量结果重合性较好，对应半径的总压、总温偏差均在±0.1%之间，所以可以认为两种探针的测试结果一致[3]。

图7 出口温度周向分布Fig.7 Outlet total temperature distribution along circumferential direction

图8 出口压力周向分布Fig.8 Outlet total pressure distribution along circumferential direction

图9 出口总压、出口总温径向分布Fig.9 Outlet total pressure and temperature distribution along radial direction

对1#、2#探针测取的出口参数进行了总性能计算，图10、图11分别给出了流量-压比曲线和流量-效率曲线(空心为1#探针、粗线为2#探针)。从图中可以看出，1#探针测取的状态点均在2#探针测取的特性线上，且两支探针测取的最高效率点也比较接近，在80%转速时，最高效率点的偏差为0.8%(2#探针测取的效率略高)。另外，还对温升效率误差进行了计算，结果为1.18%，两支探针测取的效率偏差均在误差范围内[5]，这说明该效率比较接近真实值，同时也说明1#、2#探针的结构差异对压气机总性能的影响较小。

5 结束语

图10 流量-压比曲线Fig.10 Mass flow versus pressure ratio curve

图11 流量-效率曲线Fig.11 Mass flow versus efficiency curve

新研制的两种小型探针在保证小尺寸压气机出口流道堵塞比的同时，也有效地测取了流场参数。与1#探针相比，2#探针使用更方便可靠，稳定性更好。所以今后在小尺寸压气机试验中建议采用2#探针的结构形式。

[1]刘大响，叶培梁，胡骏，等.航空燃气涡轮发动机稳定性设计与评定技术[M].北京：航空工业出版社，2004.

[2]吴岳庚.国内外压气机试验与测试技术[R].贵州：贵州航空发动机研究所，1993.

[3]吕崇德.热工参数测量与处理[M].2版.北京：清华大学出版社，2001.

[4]温正，石良辰，任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[5]HB 7115-1994，压气机气动性能试验[S].

Application of New Structure Probes to Performance Test of a Small Scale Compressor

WU Sen-lin1，2，HU Jun1，XIANG Hong-hui2，TANG Lei2，REN Ming-lin2
(1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Two types of total pressure and temperature multiple probes(No.1 and 2)were developed accord⁃ing to measuring requirements of a small scale compressor experiment.The numerical simulation and outlet flowfiled measurements of the probes were presented.In addition,the differences between the two types of probes in measuring total pressure,total temperature and overall performance were compared.The results show that both two types of the probes can meet the demand of the blockage ratio of the compressor outlet flow path and measure successfully the outlet flowfield parameters.

probe；compressor；flow field；performance；application

V241.06

A

1672-2620(2011)04-0040-04

2010-11-09；

2011-09-09

吴森林(1979-)，男，四川邻水人，工程师，主要从事压气机试验研究。