低速風(fēng)扇氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究

梁東，王同慶

低速風(fēng)扇氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究

梁東，王同慶

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

闡述了對(duì)國(guó)內(nèi)外風(fēng)扇氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀，并總結(jié)出一些特征。然后介紹了北京航空航天大學(xué)的低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了風(fēng)扇氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用了管道聲模態(tài)的測(cè)量和分析技術(shù)。結(jié)果表明：風(fēng)扇氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的頻率特征表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻的非整數(shù)倍，并且隨著節(jié)流工況的改變，1階葉片通過(guò)頻率處的純音會(huì)被削弱；同時(shí)，旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性還存在一定的模態(tài)特征。

低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)；氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性；聲模態(tài)；實(shí)驗(yàn)研究

1 引言

風(fēng)扇氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性是航空動(dòng)力學(xué)中較為普遍的現(xiàn)象，通常被認(rèn)為是由于轉(zhuǎn)子葉片葉尖泄漏渦或尾緣脫落渦產(chǎn)生，并引起流場(chǎng)內(nèi)高的壓力擾動(dòng)。文獻(xiàn)[1]對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)描述，即旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性可理解為流場(chǎng)中的一個(gè)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)源，該振動(dòng)源可類(lèi)比為固定頻率下的一個(gè)旋轉(zhuǎn)聲激勵(lì)，并沿圓周方向傳播。

氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的存在能引起流場(chǎng)內(nèi)的振動(dòng)，進(jìn)而作用在下游的后導(dǎo)葉上，引起轉(zhuǎn)子下游導(dǎo)葉和機(jī)匣振動(dòng)，甚至產(chǎn)生風(fēng)扇壓氣機(jī)的聲共振。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定現(xiàn)象得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

1995年，Baumgartner等[2]在一臺(tái)10級(jí)壓氣機(jī)上發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子葉片非同步振動(dòng)現(xiàn)象，并用旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性理論對(duì)葉片振動(dòng)機(jī)理做了解釋。1996年，Liu和Neise等在DLR(德國(guó)航空航天研究院)的低速壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，得到了一些關(guān)于旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性分量的規(guī)律[3，4]。2004年，王同慶等在高速(跨聲和超聲)壓氣機(jī)上進(jìn)行了不穩(wěn)定流動(dòng)聲測(cè)量技術(shù)研究[5]。2010年，林左鳴等對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)高壓轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)故障原因進(jìn)行了分析，指出壓氣機(jī)在某種非正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的高聲強(qiáng)噪聲中所包含的高強(qiáng)度聲波，可能是激起轉(zhuǎn)子葉片共振或顫振的原因[6]。文獻(xiàn)描述出了旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的特征：旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的純音分量表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻的非整數(shù)階，且該分量的模態(tài)存在一定規(guī)律；同時(shí)，隨著節(jié)流的增加，1階葉片通過(guò)頻率(BPF)處的純音分量減小，但1階BPF前的寬帶噪聲會(huì)逐漸增加。

本文介紹了北京航空航天大學(xué)一臺(tái)采用前導(dǎo)葉的低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在該實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了風(fēng)扇氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性研究。實(shí)驗(yàn)使用了文獻(xiàn)[3]和[5]的分析方法，得到了旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的一些相關(guān)特征。

2 低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用前導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，由30 kW變頻電機(jī)提供動(dòng)力。為使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在變頻器中使用了PID反饋控制，轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍在3 r/min以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)造及測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，具體參數(shù)見(jiàn)表1。表中，V為靜子葉片數(shù)，B為轉(zhuǎn)子葉片數(shù)，N為實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速，r1為輪轂半徑，r2為實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)匣半徑。實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作轉(zhuǎn)速為4 472.7 r/min，風(fēng)扇1階BPF為820 Hz。

表1 風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)Table 1 Parameters of the facility

3 低速風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)及分析

3.1實(shí)驗(yàn)研究的節(jié)流工況

在進(jìn)口安裝進(jìn)氣節(jié)流錐實(shí)現(xiàn)節(jié)流。實(shí)驗(yàn)研究的節(jié)流工況共5個(gè)，各工況的流量測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各流動(dòng)工況對(duì)應(yīng)流量Table 2 Condition of the mass flow

3.2測(cè)量結(jié)果及討論

在風(fēng)扇進(jìn)口段內(nèi)壁面均勻平齊安裝8個(gè)傳聲器，分別記為ch1～ch8通道，采樣率50 kHz，分析點(diǎn)數(shù)4×104，頻率分辨率1.25 Hz。

3.2.11 250 Hz內(nèi)的頻譜聲能量分析

由于聲模態(tài)測(cè)量時(shí)得到的各測(cè)點(diǎn)頻譜并不相同，為得到管道內(nèi)某頻率下的總聲能頻譜，對(duì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓平方求和，結(jié)果如圖2和表3～表7所示。圖表中，SPL為聲壓級(jí)。

圖1 低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)構(gòu)造圖Fig.1 Conformation of low speed fan facility

表4 節(jié)流工況2下1階BPF內(nèi)的純音信息Table 4 Pure tone of the 2#condition of mass flow including the 1BPF

圖2 各節(jié)流工況下的聲壓頻譜Fig.2 Acoustic frequency spectrum for condition of each mass flow

表5 節(jié)流工況3下1階BPF內(nèi)的純音信息Table 5 Pure tone of the 3#condition of mass flow including the 1BPF

表6 節(jié)流工況4下1階BPF內(nèi)的純音信息Table 6 Pure tone of the 4#condition of mass flow including the 1BPF

表7 節(jié)流工況5下1階BPF內(nèi)的純音信息Table 7 Pure tone of the 5#condition of mass flow including the 1BPF

可見(jiàn)，在各節(jié)流工況下，1階BPF內(nèi)存在很多明顯純音，且大多為轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍；但也存在一些非轉(zhuǎn)頻整數(shù)倍的純音(如245.0 Hz、572.5 Hz等)，可能為旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的頻率。隨著節(jié)流的增加，1階BPF內(nèi)的寬帶噪聲增加，1階BPF(820 Hz分量)處的純音逐漸減小，轉(zhuǎn)頻的非整數(shù)倍純音減小、以至消失。

3.2.2實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲模態(tài)結(jié)果

各節(jié)流工況下1階BPF分量模態(tài)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。由靜/轉(zhuǎn)干涉分析可知，周向模態(tài)數(shù)m=sB-qV。其中，s為BPF階數(shù)；q為任意整數(shù)，這里取q=2。得到1階BPF分量可能存在的靜/轉(zhuǎn)干涉噪聲的模態(tài)階數(shù)為-1階，可判定1階BPF處-1階模態(tài)是由于靜/轉(zhuǎn)干涉作用產(chǎn)生。由圖中可看出，1階BPF-1階模態(tài)處的聲壓級(jí)隨著節(jié)流的增大而減小。

對(duì)1 250 Hz內(nèi)的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析，各節(jié)流工況的模態(tài)-頻譜圖如圖4～圖8所示。每個(gè)圖中的9條線，分別表示-3～+4階模態(tài)幅值隨頻率變化和用帕斯維爾等式算出的管道總聲壓級(jí)。為分析關(guān)注頻段頻譜特點(diǎn)，所取頻率段的頻率范圍分別為0～1 250 Hz、70～200 Hz、450～550 Hz和750～900 Hz。

從圖中可看出，在70～200 Hz頻率范圍內(nèi)，節(jié)流工況1下0階模態(tài)明顯高于其余階模態(tài)，但隨著節(jié)流的增加，0階模態(tài)與其余階模態(tài)的差別越來(lái)越小，節(jié)流工況5下各階模態(tài)相差不大。75 Hz處存在明顯的尖峰，且各模態(tài)聲壓級(jí)分布比較均勻。節(jié)流工況1頻譜中520 Hz附近，+1階模態(tài)比較明顯，但隨著節(jié)流的增加，+1階模態(tài)越來(lái)越不明顯。在各節(jié)流工況下，1階BPF(820 Hz)處都存在尖峰，但峰值隨著節(jié)流的增加而減小。

圖3 各節(jié)流工況下的1階BPF模態(tài)譜Fig.3 Acoustic mode spectrum of the 1BPF for condition of each mass flow

圖4 節(jié)流工況1下各階模態(tài)隨頻率的變化Fig.4 Spectrum of modes for 1#condition of mass flow

圖5 節(jié)流工況2下各階模態(tài)隨頻率的變化Fig.5 Spectrum of modes for 2#condition of mass flow

圖7 節(jié)流工況4下各階模態(tài)隨頻率的變化Fig.7 Spectrum of modes for 4#condition of mass flow

圖8 節(jié)流工況5下各階模態(tài)隨頻率的變化Fig.8 Spectrum of modes for 5#condition of mass flow

4 結(jié)論

從風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)在節(jié)流工況1下的噪聲頻譜可看出，在1階BPF內(nèi)存在轉(zhuǎn)頻整數(shù)倍的純音和轉(zhuǎn)頻非整數(shù)倍的純音(如245.0 Hz、572.5 Hz等)，這些非整數(shù)倍的純音可能為旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性分量。根據(jù)測(cè)量分析結(jié)果可得出，1階BPF分量是由靜/轉(zhuǎn)干涉作用產(chǎn)生，且隨著節(jié)流的增加，1階BPF內(nèi)的寬帶噪聲增加，1階BPF分量純音逐漸減小，轉(zhuǎn)頻的非整數(shù)倍純音減小、以至消失。

通過(guò)對(duì)1階BPF內(nèi)的頻率-模態(tài)圖分析可看出：節(jié)流工況1下，在70～200 Hz頻率范圍內(nèi)，0階模態(tài)明顯高于其余階模態(tài)，但隨著節(jié)流的增加，0階模態(tài)與其余階模態(tài)的差別越來(lái)越小，到節(jié)流工況5，該頻率段各階模態(tài)相差不大。

[1]Vignau-Tuquet F，Girardeau D.Aerodynamic Rotating Vortex Instability in a Multi-Stage Axial Compressor[R]. ISABE 2005-1137，2005.

[2]Baumgartner M，Kameier F，Hourmouziadis J.Non-En?gine Order Blade Vibration in a High Pressure Compressor [R].ISABE 95-7094，1995.

[3]Liu J M，Holste F，Neise W.On the Azimuthal Mode Struc?ture of Rotating Blade Flow Instabilities in Axial Turboma?chines[R].AIAA 96-1741，1996.

[4]Kameer F，Neise W.Rotating Blade Flow Instabilities as a Source of Noise in Axial Tubomachinery[J].JSV，1997，203(5)：833—853.

[5]王同慶，吳懷宇，彭峰.高速壓氣機(jī)不穩(wěn)定流動(dòng)聲測(cè)量技術(shù)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25(1)：56—58.

[6]林左鳴，李克安，楊勝群.航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片聲激振試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2010，8(1)：12—18.

Experimental Research on Rotating Instability of the Low Speed Fan

LIANG Dong，WANG Tong-qing
(School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

At first,research status of rotating instability in home and abroad was reviewed and some charac?teristics of rotating instability were summarized.Then,low speed fan facility of Beijing University of Aero?nautics and Astronautics was introduced,on which the experimental research of rotating instability was ac?complished with application of acoustic mode measurement and analysis techniques.Results indicate that the frequency characteristic of rotating instability is non-integral times than rotating frequency and the pure tone on BPF of the first-order is weakened with the change of throttle conditions.In the meantime,there is mode characteristic of rotating instability to some degree.

low speed fan facility；aerodynamic rotating instability；acoustic mode；experimental research

V231.3

A

1672-2620(2013)03-0012-05

2013-01-17；

2013-05-20

國(guó)防973項(xiàng)目

梁東(1983-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，博士研究生，主要從事風(fēng)扇、壓氣機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)方面的研究。