壓氣機(jī)葉片振動(dòng)超限測(cè)試分析

樊嘉峰，余華蔚，張 軍，鞏歲平，趙燕立

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽(yáng) 621000)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)極其復(fù)雜，分析其流動(dòng)機(jī)理需要考慮級(jí)環(huán)境中固有的非定常流動(dòng)。隨著壓氣機(jī)氣動(dòng)負(fù)荷越來(lái)越高，以及葉片排軸向間隙減小，壓氣機(jī)內(nèi)部的非定常效應(yīng)也越來(lái)越強(qiáng)。特別是在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下，壓氣機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)更為明顯，壓氣機(jī)氣動(dòng)性能受到非定常效應(yīng)的影響更加突出[1-2]。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)部件試驗(yàn)件，在某靜葉角度調(diào)節(jié)狀態(tài)、換算轉(zhuǎn)速0.9 時(shí)進(jìn)行了性能參數(shù)錄取試驗(yàn)。逼喘過(guò)程中，在距喘振邊界還有一段距離時(shí)，粘貼在壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上的應(yīng)變片檢測(cè)到明顯的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，測(cè)試值超過(guò)1 000με，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定現(xiàn)象。迅速降低壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，退出不穩(wěn)定工作狀態(tài)。由于此次高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)前，制定了精細(xì)化的測(cè)試方案，不僅在壓氣機(jī)級(jí)間轉(zhuǎn)子葉尖沿弦向分布了動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)，而且在壓氣機(jī)出口安裝了動(dòng)態(tài)總背壓測(cè)點(diǎn)。此外，前期經(jīng)過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了一種小型管腔動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)[3]的技術(shù)轉(zhuǎn)化，完成了動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試技術(shù)在葉型探針上的應(yīng)用，并利用所設(shè)計(jì)的新型動(dòng)壓葉型探針[4]，開(kāi)展了壓氣機(jī)級(jí)間轉(zhuǎn)子出口沿徑向尾跡流的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。為此，本文依據(jù)以上試驗(yàn)情況，結(jié)合動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)，開(kāi)展對(duì)該壓氣機(jī)葉片振動(dòng)超限現(xiàn)象的分析。

2 試驗(yàn)件和測(cè)試結(jié)構(gòu)

2.1 試驗(yàn)件和測(cè)試布局

試驗(yàn)件主體為某型六級(jí)高壓壓氣機(jī)。在第一級(jí)和第二級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖，沿弦向布置了動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)量葉尖泄漏流；在第一級(jí)和第二級(jí)靜子前緣，沿徑向布置了動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)，且測(cè)點(diǎn)涵蓋近葉根、葉中和近葉尖位置，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子出口尾跡流；在壓氣機(jī)出口沿流道中間，布置了總背壓測(cè)點(diǎn)，用于氣動(dòng)失穩(wěn)綜合評(píng)估測(cè)量。試驗(yàn)件測(cè)試布局見(jiàn)圖1。

圖1 六級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)件測(cè)試布局簡(jiǎn)圖Fig.1 Test layout diagram of the six-stage compressor

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、電子壓力掃描閥、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)壓力傳感器、動(dòng)壓探針和打印機(jī)等組成。其中，動(dòng)態(tài)壓力傳感器選用Kulite 公司的062 型壓阻式傳感器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用DEWESoft 動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)自帶多功能調(diào)理電路，可直接連接動(dòng)態(tài)壓力傳感器，動(dòng)態(tài)信號(hào)采樣率設(shè)置為200 kHz；測(cè)試系統(tǒng)帶寬設(shè)置為35 kHz，可實(shí)現(xiàn)高頻數(shù)據(jù)采集。

2.3 動(dòng)應(yīng)力測(cè)試

試驗(yàn)前，在第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片一彎節(jié)線處粘貼了應(yīng)變片，用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的振動(dòng)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

錄取了高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)件在某靜葉角度調(diào)節(jié)狀態(tài)、相對(duì)換算轉(zhuǎn)速=0.9 時(shí)的氣動(dòng)性能參數(shù)。隨著同轉(zhuǎn)速下逼喘過(guò)程的深入，在距喘振邊界尚有一段距離時(shí)，通過(guò)粘貼在壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上的應(yīng)變片，監(jiān)測(cè)到第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)超限，測(cè)量值超過(guò)1 000με，迅速降低壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，退出不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

4 數(shù)據(jù)分析

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)多達(dá)30 個(gè)，為說(shuō)明主要特征截面動(dòng)態(tài)壓力的變化，選取第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖沿弦向1/3 處(葉尖泄漏流測(cè)試位置)、第一級(jí)轉(zhuǎn)子出口沿徑向近葉根處(轉(zhuǎn)子尾跡流測(cè)試位置)，以及壓氣機(jī)出口流道中間這3 個(gè)位置的動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。另外，3 個(gè)位置的脈動(dòng)壓力具有典型的特征，不僅始終存在分離流性質(zhì)的特征頻率987.2 Hz 和1 倍轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率(1 BPF)，而且其幅值呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。基于此，分析的數(shù)據(jù)為振動(dòng)超限前近10 s 的頻譜數(shù)據(jù)，取5 個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)來(lái)表征試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化情況。

4.1 階段一數(shù)據(jù)

圖2 示出了時(shí)間階段一試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出，時(shí)間經(jīng)歷了1 s(時(shí)間坐標(biāo)黃色標(biāo)線位置)后，即壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速下拉前9 s，第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖1/3弦長(zhǎng)處和第一級(jí)轉(zhuǎn)子出口近葉根處，不僅存在轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率1 BPF，而且還同時(shí)出現(xiàn)了分離流性質(zhì)的特征頻率987.2 Hz。該特征頻率不是轉(zhuǎn)子葉片差值頻率及其倍頻，且幅值很小，均不超過(guò)0.1 kPa。此刻，壓氣機(jī)出口位置僅僅存在轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率1 BPF，沒(méi)有出現(xiàn)特征頻率987.2 Hz。需要說(shuō)明的是，同時(shí)刻，其他位置(第一級(jí)/第二級(jí)葉尖測(cè)點(diǎn)和徑向測(cè)點(diǎn))的特征頻率987.2 Hz 的幅值，均不超過(guò)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖1/3 弦長(zhǎng)處的脈動(dòng)壓力幅值，說(shuō)明特征頻率987.2 Hz 起源于壓氣機(jī)第一級(jí)。分析認(rèn)為，該特征頻率是整個(gè)展向葉片出現(xiàn)分離流產(chǎn)生的頻率，也是最終導(dǎo)致葉片振動(dòng)超限的氣動(dòng)不穩(wěn)定頻率。這種不穩(wěn)定頻率發(fā)生的現(xiàn)象與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[5-7]的相吻合，說(shuō)明氣動(dòng)不穩(wěn)定并非由葉尖泄漏流引發(fā)，而是與葉片進(jìn)氣攻角有關(guān)。此外，這種在壓氣機(jī)流道內(nèi)環(huán)近葉根處監(jiān)測(cè)到的氣動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，也印證了國(guó)外研究機(jī)構(gòu)提出的不僅要在轉(zhuǎn)子葉尖開(kāi)展動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試，還應(yīng)在流道內(nèi)葉片表面開(kāi)展動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的論點(diǎn)[8]。

圖2 時(shí)間階段一試驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜圖Fig.2 Time phase 1 test data spectrum

4.2 階段二數(shù)據(jù)

圖3 示出了時(shí)間階段二試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出，時(shí)間經(jīng)歷了近5 s(時(shí)間坐標(biāo)黃色標(biāo)線位置)后，即壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速下拉前5 s，各測(cè)點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率的幅值沒(méi)有明顯的變化，但特征頻率987.2 Hz 的幅值明顯增大，尤以第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖1/3 弦長(zhǎng)處增大最為明顯。說(shuō)明泄漏渦和分離流相互作用，導(dǎo)致特征頻率的幅值劇烈變化。此時(shí)，壓氣機(jī)出口也出現(xiàn)了該特征頻率，但幅值偏小。需要說(shuō)明的是，同時(shí)刻其他位置(第一級(jí)/第二級(jí)葉尖測(cè)點(diǎn)和徑向測(cè)點(diǎn))的特征頻率987.2 Hz 的幅值，同樣不超過(guò)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖1/3 弦長(zhǎng)處的脈動(dòng)壓力幅值。這充分印證了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)工程應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，在特定PS251 位置安裝動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)的重要性。

圖3 時(shí)間階段二試驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜圖Fig.3 Time phase 2 test data spectrum

4.3 階段三數(shù)據(jù)

圖4 示出了時(shí)間階段三試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出，時(shí)間經(jīng)歷了7 s(時(shí)間坐標(biāo)黃色標(biāo)線位置)后，即壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速下拉前3 s，各測(cè)點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率的幅值依然沒(méi)有明顯變化，但特征頻率987.2 Hz 的幅值持續(xù)增大，增大幅度相比前一階段接近或達(dá)到2 倍量級(jí)，其中尤以第一級(jí)轉(zhuǎn)子出口近葉根處增大最為明顯，幅值已明顯大于轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率1 BPF 的幅值。與此同時(shí)，壓氣機(jī)出口處的特征頻率的幅值，也大于轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率1 BPF的幅值。這種在多級(jí)壓氣機(jī)前面級(jí)早期出現(xiàn)氣動(dòng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，即特征頻率幅值相比通過(guò)頻率幅值驟然增大的現(xiàn)象，被認(rèn)為是提前判定壓氣機(jī)處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)的試驗(yàn)方法[9]。

圖4 時(shí)間階段三試驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜圖Fig.4 Time phase 3 test data spectrum

4.4 階段四數(shù)據(jù)

圖5 示出了時(shí)間階段四試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出，時(shí)間經(jīng)歷了約9.8 s(時(shí)間坐標(biāo)黃色標(biāo)線位置)后，即壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速下拉前0.2 s，各測(cè)點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率的幅值發(fā)生了明顯的變化，其中第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖1/3 弦長(zhǎng)處和第一級(jí)轉(zhuǎn)子出口近葉根處的變化特別明顯。變化情況是轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率幅值相比前一階段嚴(yán)重衰減，衰減幅度接近或達(dá)到2 倍量級(jí)。此刻，各測(cè)點(diǎn)位置的特征頻率987.2 Hz的幅值，均大于轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率1 BPF 的幅值。需要說(shuō)明的是，同時(shí)刻，其他位置(第一級(jí)/第二級(jí)葉尖測(cè)點(diǎn)和徑向測(cè)點(diǎn))的變化情況均如此。分析認(rèn)為，此刻整個(gè)壓氣機(jī)流道出現(xiàn)了嚴(yán)重的氣動(dòng)不穩(wěn)定[10-12]，而不是單一的特征頻率987.2 Hz 的出現(xiàn)和發(fā)展。

圖5 時(shí)間階段四試驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜圖Fig.5 Time phase 4 test data spectrum

4.5 階段五數(shù)據(jù)

圖6 示出了時(shí)間階段五試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出，時(shí)間經(jīng)歷了10 s(時(shí)間坐標(biāo)黃色標(biāo)線位置)后，該時(shí)間段為葉片振動(dòng)超限、下拉轉(zhuǎn)速的狀態(tài)。試驗(yàn)件下拉轉(zhuǎn)速后，特征頻率987.2 Hz 的幅值明顯減小，壓氣機(jī)試驗(yàn)件退出不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖6 時(shí)間階段五試驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜圖Fig.6 Time phase 5 test data spectrum

5 結(jié)論

針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)部件試驗(yàn)件開(kāi)展的精細(xì)化動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量中，葉片振動(dòng)超限現(xiàn)象的脈動(dòng)壓力測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 壓氣機(jī)流道內(nèi)氣動(dòng)不穩(wěn)定因素，造成了轉(zhuǎn)子葉片的振動(dòng)超限。

(2) 壓氣機(jī)流道內(nèi)的氣動(dòng)不穩(wěn)定，起源于第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片整個(gè)展向葉身處，具體位置可能位于轉(zhuǎn)子葉尖1/3 弦向處，初步認(rèn)為與進(jìn)口攻角有關(guān)，與葉尖泄漏流無(wú)關(guān)。

(3) 壓氣機(jī)流道內(nèi)的氣動(dòng)不穩(wěn)定，具有一定的時(shí)間發(fā)展規(guī)律。先是表征早期不穩(wěn)定分離流現(xiàn)象的特征頻率出現(xiàn)，隨著逼喘歷程的深入其幅值不斷增大；然后是轉(zhuǎn)子葉片尾跡區(qū)通過(guò)頻率的幅值明顯衰減，減至低于分離流特征頻率的幅值。這種相比葉片振動(dòng)超限提前1～2 s 的氣動(dòng)變化規(guī)律，能夠?yàn)閴簹鈾C(jī)各種復(fù)雜的氣動(dòng)不穩(wěn)定性提供預(yù)警性的技術(shù)支撐。

(4) 通過(guò)壓氣機(jī)級(jí)間脈動(dòng)壓力信號(hào)的精細(xì)化測(cè)量，印證了國(guó)外研究機(jī)構(gòu)主張?jiān)趬簹鈾C(jī)流道內(nèi)開(kāi)展相關(guān)測(cè)量的論點(diǎn)，這也表明針對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性的研究，不能單一的只在葉尖機(jī)匣處開(kāi)展。