低速風扇氣動旋轉不穩定性問題的實驗研究

梁東，王同慶

低速風扇氣動旋轉不穩定性問題的實驗研究

梁東，王同慶

(北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191)

闡述了對國內外風扇氣動旋轉不穩定性研究現狀，并總結出一些特征。然后介紹了北京航空航天大學的低速風扇實驗臺，并在該實驗臺上進行了風扇氣動旋轉不穩定性的實驗探究。實驗中，應用了管道聲模態的測量和分析技術。結果表明：風扇氣動旋轉不穩定性的頻率特征表現為轉頻的非整數倍，并且隨著節流工況的改變，1階葉片通過頻率處的純音會被削弱；同時，旋轉不穩定性還存在一定的模態特征。

低速風扇實驗臺；氣動旋轉不穩定性；聲模態；實驗研究

1 引言

風扇氣動旋轉不穩定性是航空動力學中較為普遍的現象，通常被認為是由于轉子葉片葉尖泄漏渦或尾緣脫落渦產生，并引起流場內高的壓力擾動。文獻[1]對該現象進行了詳細描述，即旋轉不穩定性可理解為流場中的一個旋轉振動源，該振動源可類比為固定頻率下的一個旋轉聲激勵，并沿圓周方向傳播。

氣動旋轉不穩定性的存在能引起流場內的振動，進而作用在下游的后導葉上，引起轉子下游導葉和機匣振動，甚至產生風扇壓氣機的聲共振。隨著航空發動機的發展，旋轉不穩定現象得到了越來越多的關注。

1995年，Baumgartner等[2]在一臺10級壓氣機上發現了轉子葉片非同步振動現象，并用旋轉不穩定性理論對葉片振動機理做了解釋。1996年，Liu和Neise等在DLR(德國航空航天研究院)的低速壓氣機實驗臺上，對旋轉不穩定性進行了大量實驗研究，得到了一些關于旋轉不穩定性分量的規律[3，4]。2004年，王同慶等在高速(跨聲和超聲)壓氣機上進行了不穩定流動聲測量技術研究[5]。2010年，林左鳴等對某型航空發動機壓氣機高壓轉子葉片振動故障原因進行了分析，指出壓氣機在某種非正常工作狀態下產生的高聲強噪聲中所包含的高強度聲波，可能是激起轉子葉片共振或顫振的原因[6]。文獻描述出了旋轉不穩定性的特征：旋轉不穩定性的純音分量表現為轉頻的非整數階，且該分量的模態存在一定規律；同時，隨著節流的增加，1階葉片通過頻率(BPF)處的純音分量減小，但1階BPF前的寬帶噪聲會逐漸增加。

本文介紹了北京航空航天大學一臺采用前導葉的低速風扇實驗臺，并在該實驗臺上進行了風扇氣動旋轉不穩定性研究。實驗使用了文獻[3]和[5]的分析方法，得到了旋轉不穩定性的一些相關特征。

2 低速風扇實驗臺

本實驗臺采用前導葉結構，由30 kW變頻電機提供動力。為使轉速穩定，在變頻器中使用了PID反饋控制，轉速波動范圍在3 r/min以內。實驗臺的構造及測試系統如圖1所示，具體參數見表1。表中，V為靜子葉片數，B為轉子葉片數，N為實驗臺轉速，r1為輪轂半徑，r2為實驗臺機匣半徑。實驗臺工作轉速為4 472.7 r/min，風扇1階BPF為820 Hz。

表1 風扇實驗臺參數Table 1 Parameters of the facility

3 低速風扇旋轉不穩定性實驗及分析

3.1實驗研究的節流工況

在進口安裝進氣節流錐實現節流。實驗研究的節流工況共5個，各工況的流量測量結果見表2。

表2 各流動工況對應流量Table 2 Condition of the mass flow

3.2測量結果及討論

在風扇進口段內壁面均勻平齊安裝8個傳聲器，分別記為ch1～ch8通道，采樣率50 kHz，分析點數4×104，頻率分辨率1.25 Hz。

3.2.11 250 Hz內的頻譜聲能量分析

由于聲模態測量時得到的各測點頻譜并不相同，為得到管道內某頻率下的總聲能頻譜，對8個測點的聲壓平方求和，結果如圖2和表3～表7所示。圖表中，SPL為聲壓級。

圖1 低速風扇實驗臺構造圖Fig.1 Conformation of low speed fan facility

表4 節流工況2下1階BPF內的純音信息Table 4 Pure tone of the 2#condition of mass flow including the 1BPF

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

表5 節流工況3下1階BPF內的純音信息Table 5 Pure tone of the 3#condition of mass flow including the 1BPF

表6 節流工況4下1階BPF內的純音信息Table 6 Pure tone of the 4#condition of mass flow including the 1BPF

表7 節流工況5下1階BPF內的純音信息Table 7 Pure tone of the 5#condition of mass flow including the 1BPF

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

3.2.2實驗測得的聲模態結果

各節流工況下1階BPF分量模態的測量結果見圖3。由靜/轉干涉分析可知，周向模態數m=sB-qV。其中，s為BPF階數；q為任意整數，這里取q=2。得到1階BPF分量可能存在的靜/轉干涉噪聲的模態階數為-1階，可判定1階BPF處-1階模態是由于靜/轉干涉作用產生。由圖中可看出，1階BPF-1階模態處的聲壓級隨著節流的增大而減小。

對1 250 Hz內的頻譜數據進行模態分析，各節流工況的模態-頻譜圖如圖4～圖8所示。每個圖中的9條線，分別表示-3～+4階模態幅值隨頻率變化和用帕斯維爾等式算出的管道總聲壓級。為分析關注頻段頻譜特點，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，節流工況1下0階模態明顯高于其余階模態，但隨著節流的增加，0階模態與其余階模態的差別越來越小，節流工況5下各階模態相差不大。75 Hz處存在明顯的尖峰，且各模態聲壓級分布比較均勻。節流工況1頻譜中520 Hz附近，+1階模態比較明顯，但隨著節流的增加，+1階模態越來越不明顯。在各節流工況下，1階BPF(820 Hz)處都存在尖峰，但峰值隨著節流的增加而減小。

圖3 各節流工況下的1階BPF模態譜Fig.3 Acoustic mode spectrum of the 1BPF for condition of each mass flow

圖4 節流工況1下各階模態隨頻率的變化Fig.4 Spectrum of modes for 1#condition of mass flow

圖5 節流工況2下各階模態隨頻率的變化Fig.5 Spectrum of modes for 2#condition of mass flow

圖7 節流工況4下各階模態隨頻率的變化Fig.7 Spectrum of modes for 4#condition of mass flow

圖8 節流工況5下各階模態隨頻率的變化Fig.8 Spectrum of modes for 5#condition of mass flow

4 結論

從風扇實驗臺在節流工況1下的噪聲頻譜可看出，在1階BPF內存在轉頻整數倍的純音和轉頻非整數倍的純音(如245.0 Hz、572.5 Hz等)，這些非整數倍的純音可能為旋轉不穩定性分量。根據測量分析結果可得出，1階BPF分量是由靜/轉干涉作用產生，且隨著節流的增加，1階BPF內的寬帶噪聲增加，1階BPF分量純音逐漸減小，轉頻的非整數倍純音減小、以至消失。

通過對1階BPF內的頻率-模態圖分析可看出：節流工況1下，在70～200 Hz頻率范圍內，0階模態明顯高于其余階模態，但隨著節流的增加，0階模態與其余階模態的差別越來越小，到節流工況5，該頻率段各階模態相差不大。

[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.高速壓氣機不穩定流動聲測量技術研究[J].工程熱物理學報，2004，25(1)：56—58.

[6]林左鳴，李克安，楊勝群.航空發動機壓氣機轉子葉片聲激振試驗研究[J].動力學與控制學報，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

國防973項目

梁東(1983-)，男，內蒙古通遼人，博士研究生，主要從事風扇、壓氣機氣動聲學方面的研究。