多級軸流壓氣機(jī)內(nèi)部聲共振的噪聲特征研究

欒孝馳，沙云東，趙奉同，崔現(xiàn)智

(沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽110136)

航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)是發(fā)動機(jī)的核心部分，壓氣機(jī)的工作的穩(wěn)定性直接決定著整臺發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)性能。通常在航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計過程中都會考慮機(jī)械激勵和氣動激勵對葉片的影響，使其在各種預(yù)設(shè)的工作狀態(tài)下不會激起葉片的共振和顫振，可是即便如此，在國內(nèi)外仍然不斷出現(xiàn)了一些航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片因振動而出現(xiàn)裂紋甚至折斷的惡性事故［1］。近些年，國內(nèi)外一些學(xué)者開始普遍關(guān)注聲激勵對葉片的作用，并且圍繞著壓氣機(jī)內(nèi)高強(qiáng)聲波在壓氣機(jī)環(huán)形空間中的聲共振激起轉(zhuǎn)子葉片的高振幅級葉片振動進(jìn)行了相關(guān)研究。聲共振現(xiàn)象是葉片振動的獨特來源，具有以下幾個特征:①聲共振發(fā)生在壓氣機(jī)環(huán)形空間內(nèi)的葉柵中;②聲共振頻率一般為轉(zhuǎn)頻的非整數(shù)倍，并且共振轉(zhuǎn)速附近存在鎖頻現(xiàn)象和聲共振頻率與轉(zhuǎn)子葉片通過頻率之間的調(diào)制現(xiàn)象;③多級壓氣機(jī)聲共振時，壓氣機(jī)內(nèi)部聲場呈現(xiàn)螺旋狀傳播形式，且軸向為駐波;④旋渦脫落被假設(shè)是激發(fā)共振的主要因素。在國外:1999 年，T.R.Camp［2］在劍橋大學(xué)的四級低速壓氣機(jī)試驗器C106上進(jìn)行試驗時，觀測到與聲共振非常類似的螺旋聲模態(tài)，并且認(rèn)為葉片的渦旋脫落是激發(fā)機(jī)理。2001年，Mailach等人［3］提出葉尖流動不穩(wěn)定性激勵空腔聲模態(tài)，從而激起葉片非同步振動;2005年，Vignau － Tuquet和 Girardeau［4］在一個三級高速壓氣機(jī)試驗臺上測量到了在轉(zhuǎn)頻和葉片通過頻率(BPF)之間的離散頻率;2008年，漢諾威大學(xué)的B.Helmich 和 Joerg R.Seume［5］在一個四級高速軸流壓氣機(jī)上發(fā)現(xiàn)了管道聲共振現(xiàn)象，并且聲共振頻率呈現(xiàn)鎖頻鎖相現(xiàn)象。他們認(rèn)為聲共振就是圍繞壓氣機(jī)圓周三周的旋轉(zhuǎn)聲模態(tài)的軸向駐波。在國內(nèi):2010年，林左鳴等人［1］對某型航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)高壓轉(zhuǎn)子葉片振動故障的原因進(jìn)行了分析，指出壓氣機(jī)在某種非定常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的高強(qiáng)度聲波是激起轉(zhuǎn)子葉片共振主要原因;2011—2012 年，沙云東教授等人［6，7］在某型渦扇發(fā)動機(jī)整機(jī)和壓氣機(jī)部件試驗上都觀測到了高壓一級轉(zhuǎn)子葉片非同步振動現(xiàn)象，并得出誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片非同步振動的聲源可能僅存在壓氣機(jī)局部范圍內(nèi)［8］。

本文基于某型多級軸流壓氣機(jī)部件試驗，主要研究高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時，壓氣機(jī)流道內(nèi)部的噪聲特性。重點分析換算流量(ma)的變化和靜子導(dǎo)流葉片連動角度(S0)的變化對壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的影響。研究結(jié)果對進(jìn)一步研究聲共振現(xiàn)象有一定的參考價值。

1 某型軸流壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲測試

某型軸流壓氣機(jī)部件試驗中，在特殊的結(jié)構(gòu)調(diào)整狀態(tài)和特定的轉(zhuǎn)速工況下，壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)了高振幅級葉片振動，振動應(yīng)力足以使葉片發(fā)生疲勞斷裂故障，以前試驗證明了出現(xiàn)這種現(xiàn)象與壓氣機(jī)內(nèi)部聲激勵有關(guān)［6－8］。本次試驗為了進(jìn)一步研究出現(xiàn)這種現(xiàn)象時壓氣機(jī)流道內(nèi)部的噪聲特性，重點分析ma的變化和S0的變化對壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的影響。

本次試驗克服了受實際發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)測點布置、傳感器安裝以及數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)壤щy，基于剛性壁聲波導(dǎo)管技術(shù)，采用沈航自主研制的聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)直接在壓氣機(jī)內(nèi)涵機(jī)匣上開孔進(jìn)行內(nèi)部噪聲測量。該系統(tǒng)已經(jīng)成功完成了某型發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)部噪聲測試，試驗驗證了該系統(tǒng)對高溫、高壓聲場測量的準(zhǔn)確性。此次試驗采用1/4英寸的電容式傳聲器測量機(jī)匣壁面聲壓，同步測量壓氣機(jī)內(nèi)部壓力脈動和轉(zhuǎn)子葉片的振動情況。實驗前，傳聲器系統(tǒng)通過聲波導(dǎo)管和引氣管連接到壓氣機(jī)內(nèi)涵機(jī)匣上，保證引氣管孔口與機(jī)匣內(nèi)壁齊平安裝。本次試驗在壓氣機(jī)內(nèi)涵機(jī)匣沿同一軸向不同周向位置布置6個測點，分別為零級導(dǎo)向葉片(IGV)槽道(測點1)、IGV與一級轉(zhuǎn)子葉片(Rotor1)級間(測點2)、Rotor1正上方(測點3)、一級靜子葉片(Stator1)正上方(測點4)、二級轉(zhuǎn)子葉片(Rotor2)正上方(測點5)和二級靜子葉片(Stator2)正上方(測點6)。

2 壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號分析

某型軸流壓氣機(jī)部件試驗時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速沿工作線緩慢上推過程中，在特定的結(jié)構(gòu)調(diào)整狀態(tài)和轉(zhuǎn)速工況下，壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子葉片突然出現(xiàn)高振幅級葉片振動，此時壓氣機(jī)高壓二級轉(zhuǎn)子葉片與高壓一級轉(zhuǎn)子葉片振動并不同步，高壓二級轉(zhuǎn)子葉片振動不大。壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與壓氣機(jī)環(huán)形空間中的聲共振有關(guān)，故對壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的特性研究具有重要意義。

為了研究壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的頻譜特性，對6個測點的噪聲信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，分析頻率間隔為15 Hz，噪聲信號頻譜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某型軸流壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號頻譜結(jié)構(gòu)

分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時，壓氣機(jī)內(nèi)涵機(jī)匣上6個測點位置處都測出共有的共振頻率(AR)，說明了壓氣機(jī)中發(fā)生的所有共振都在一個頻率下，即聲共振頻率呈現(xiàn)鎖頻現(xiàn)象;共振頻率/基頻=7.8階次，即共振頻率不與軸轉(zhuǎn)頻(基頻)及其諧波發(fā)生共振;同時噪聲信號頻譜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)特殊的結(jié)構(gòu)關(guān)系和特定的頻率組合關(guān)系，即出現(xiàn)了1BPF±AR;通常認(rèn)為旋渦脫落作為聲共振的激發(fā)機(jī)制，故特征頻率1BPF－AR與1BPF+AR可能是旋渦脫落頻率(AR)與轉(zhuǎn)子葉片通過頻率(1BPF)調(diào)制后產(chǎn)生的頻率。以上出現(xiàn)的現(xiàn)象與德國漢諾威大學(xué)的B.Helmich 和 Joerg R.Seume［6］在四級高速軸流壓氣機(jī)中觀測到的聲共振現(xiàn)象相類似，如圖2和圖3所示，當(dāng)壓氣機(jī)在近喘振邊界運行時，在機(jī)匣壁面壓力脈動傳感器上觀測到與軸轉(zhuǎn)頻非整數(shù)倍關(guān)系的聲共振頻率，并且造成第一級靜子葉片根部斷裂;壓氣機(jī)各級壁面均測量到聲共振頻率AR、2AR、3AR，以及AR與BPF調(diào)制產(chǎn)生的頻率;聲共振發(fā)生時，共振頻率處的聲壓級已經(jīng)大大超過了BPF處的聲壓級。

3 壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號影響因素分析

3.1 換算流量(ma)變化對噪聲信號的影響

圖2 漢諾威大學(xué)四級高速軸流壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲測試結(jié)果

當(dāng)壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時，保持轉(zhuǎn)速不變，調(diào)整壓氣機(jī)進(jìn)口流量(a～e流量逐漸減小，即ma↓)，研究壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲和轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)力幅值的變化情況。對5個狀態(tài)點下高壓一級轉(zhuǎn)子葉片正上方(測點3)測得噪聲信號進(jìn)行聲壓級譜分析，如圖4所示;聲共振頻率處聲壓級、1BPF處聲壓級和噪聲信號總聲壓級隨ma↓的變化情況，如圖5所示。

圖3 壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲各測點處頻譜結(jié)構(gòu)

圖4 諧振最大時測點3處噪聲信號的頻譜

圖5 諧振最大時噪聲信號聲壓級隨的變化規(guī)律

分析發(fā)現(xiàn):諧振最大時，聲共振頻率(AR)處的聲能量超過了通常較大的葉片通過頻率(BPF)處的聲能量，在整個聲壓級譜中占主導(dǎo)地位;隨著壓氣機(jī)流道內(nèi)部ma↓，聲共振頻率沒有改變，即在一定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，聲共振頻率不受ma↓的變化的影響，此結(jié)論 T.R.Camp［2］在劍橋大學(xué)的四級低速壓氣機(jī)試驗器C106上觀測到的結(jié)果相同;隨著壓氣機(jī)流道內(nèi)部ma↓，聲共振頻率處聲壓級呈現(xiàn)上升趨勢，1BPF處聲壓級呈現(xiàn)下降趨勢，壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號總聲壓級基本保持不變，葉片振動應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢，說明聲共振頻率處的能級與葉片振動應(yīng)力幅值同步變化，諧振最大時，ma↓的變化對壓氣機(jī)內(nèi)部總聲壓級的影響較小。

3.2 可調(diào)靜子導(dǎo)流葉片連動角度(S0)的變化對噪聲信號的影響

當(dāng)壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時，研究靜子導(dǎo)流葉片連動角度(S0)的變化對壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的影響。下面分析隨著S0的變化，測點3處測得的噪聲信號的聲壓級譜如圖6和圖7所示。

圖6 諧振最大時測點3處噪聲信號的頻譜(S0增大)

圖7 諧振最大時測點3處噪聲信號的頻譜(S0減小)

(1)S0增大

由圖6分析發(fā)現(xiàn):諧振最大時，隨著S0增大，聲共振頻率(AR)處的聲壓級和1BPF處的聲壓級同步減小，壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的聲壓級譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，1BPF±AR頻率消失;同時1BPF處的聲能量超過了聲共振頻率處的聲能量，在聲壓級譜中占主導(dǎo)地位，此時高壓一級轉(zhuǎn)子葉片的振動幅值也明顯降低;壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的總聲壓級基本保持不變，說明諧振最大時，S0增大對壓氣機(jī)內(nèi)部總聲壓級的影響較小;聲共振的頻率隨著S0增大未發(fā)生變化，說明聲共振的頻率不受S0減小的影響;

(2)S0減小

由圖7分析發(fā)現(xiàn):諧振最大時，隨著S0減小，聲共振頻率(AR)處的聲壓級逐漸減小，而1BPF處的聲壓級逐漸增大，壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的聲壓級譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，1BPF±AR頻率消失;同時1BPF處的聲能量超過了聲共振頻率處的聲能量，在聲壓級譜中占主導(dǎo)地位，此時高壓一級轉(zhuǎn)子葉片的振動幅值也明顯降低;壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號的總聲壓級基本保持不變，說明諧振最大時，S0增大對壓氣機(jī)內(nèi)部總聲壓級的影響較小;聲共振的頻率隨著S0減小未發(fā)生變化，說明聲共振的頻率不受S0減小的影響。

4 結(jié)論

本文基于某型多級軸流壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲測試，進(jìn)一步研究高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時，壓氣機(jī)流道內(nèi)部的噪聲特性，重點分析ma的變化和S0的變化對噪聲信號的影響。得出結(jié)論如下:

(1)在特定的結(jié)構(gòu)調(diào)整狀態(tài)和轉(zhuǎn)速工況下，壓氣機(jī)高壓一級轉(zhuǎn)子葉片突然出現(xiàn)高振幅級葉片振動，此現(xiàn)象可能與壓氣機(jī)環(huán)狀空間中的聲共振有關(guān);壓氣機(jī)內(nèi)涵機(jī)匣上6個測點位置處均存在與轉(zhuǎn)頻非整數(shù)倍關(guān)系的共振頻率(AR)，說明壓氣機(jī)中發(fā)生的所有共振都在一個頻率下，即聲共振頻率呈現(xiàn)鎖頻現(xiàn)象;噪聲信號頻譜結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)特殊的頻率組合關(guān)系;同時諧振最大時，聲共振頻率處的聲能量超過了通常較大的葉片通過頻率處的聲能量，在整個聲壓級譜中占主導(dǎo)地位;

(2)諧振最大時，ma和S0變化對聲共振的頻率不產(chǎn)生影響;隨著壓氣機(jī)流道內(nèi)部ma↓，高壓一級轉(zhuǎn)子葉片的振動應(yīng)力幅值和聲共振頻率處聲壓級都呈現(xiàn)增大趨勢，而1BPF處聲壓級呈現(xiàn)下降趨勢;隨著S0增大或減小，高壓一級轉(zhuǎn)子葉片的振動應(yīng)力幅值和聲共振頻率處的聲壓級都呈現(xiàn)減小的趨勢，而1BPF處的聲壓級的變化趨勢相反;以上說明ma和S0的變化對壓氣機(jī)內(nèi)部噪聲信號特征和轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)力幅值的影響較大。

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