欒孝馳,沙云東,趙奉同,崔現(xiàn)智
(沈陽航空航天大學航空航天工程學部(院),沈陽110136)
航空發(fā)動機壓氣機是發(fā)動機的核心部分,壓氣機的工作的穩(wěn)定性直接決定著整臺發(fā)動機的運轉(zhuǎn)性能。通常在航空發(fā)動機的設計過程中都會考慮機械激勵和氣動激勵對葉片的影響,使其在各種預設的工作狀態(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)動機壓氣機葉片因振動而出現(xiàn)裂紋甚至折斷的惡性事故[1]。近些年,國內(nèi)外一些學者開始普遍關注聲激勵對葉片的作用,并且圍繞著壓氣機內(nèi)高強聲波在壓氣機環(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行了相關研究。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多級壓氣機聲共振時,壓氣機內(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]在劍橋大學的四級低速壓氣機試驗器C106上進行試驗時,觀測到與聲共振非常類似的螺旋聲模態(tài),并且認為葉片的渦旋脫落是激發(fā)機理。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,漢諾威大學的B.Helmich 和 Joerg R.Seume[5]在一個四級高速軸流壓氣機上發(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。他們認為聲共振就是圍繞壓氣機圓周三周的旋轉(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)動機壓氣機高壓轉(zhuǎn)子葉片振動故障的原因進行了分析,指出壓氣機在某種非定常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的高強度聲波是激起轉(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)動機整機和壓氣機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局部范圍內(nèi)[8]。
本文基于某型多級軸流壓氣機部件試驗,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)的變化和靜子導流葉片連動角度(S0)的變化對壓氣機內(nèi)部噪聲信號的影響。研究結果對進一步研究聲共振現(xiàn)象有一定的參考價值。
某型軸流壓氣機部件試驗中,在特殊的結構調(diào)整狀態(tài)和特定的轉(zhuǎn)速工況下,壓氣機高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)了高振幅級葉片振動,振動應力足以使葉片發(fā)生疲勞斷裂故障,以前試驗證明了出現(xiàn)這種現(xiàn)象與壓氣機內(nèi)部聲激勵有關[6-8]。本次試驗為了進一步研究出現(xiàn)這種現(xiàn)象時壓氣機流道內(nèi)部的噪聲特性,重點分析ma的變化和S0的變化對壓氣機內(nèi)部噪聲信號的影響。
本次試驗克服了受實際發(fā)動機壓氣機測點布置、傳感器安裝以及數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)壤щy,基于剛性壁聲波導管技術,采用沈航自主研制的聲波導管測試系統(tǒng)直接在壓氣機內(nèi)涵機匣上開孔進行內(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、高壓聲場測量的準確性。此次試驗采用1/4英寸的電容式傳聲器測量機匣壁面聲壓,同步測量壓氣機內(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)通過聲波導管和引氣管連接到壓氣機內(nèi)涵機匣上,保證引氣管孔口與機匣內(nèi)壁齊平安裝。本次試驗在壓氣機內(nèi)涵機匣沿同一軸向不同周向位置布置6個測點,分別為零級導向葉片(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)。
某型軸流壓氣機部件試驗時,發(fā)動機轉(zhuǎn)速沿工作線緩慢上推過程中,在特定的結構調(diào)整狀態(tài)和轉(zhuǎn)速工況下,壓氣機高壓一級轉(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。壓氣機高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與壓氣機環(huán)形空間中的聲共振有關,故對壓氣機內(nèi)部噪聲信號的特性研究具有重要意義。
為了研究壓氣機高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時壓氣機內(nèi)部噪聲信號的頻譜特性,對6個測點的噪聲信號進行快速傅里葉變換(FFT),分析頻率間隔為15 Hz,噪聲信號頻譜結構如圖1所示。
圖1 某型軸流壓氣機內(nèi)部噪聲信號頻譜結構
分析發(fā)現(xiàn):當壓氣機高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時,壓氣機內(nèi)涵機匣上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構呈現(xiàn)特殊的結構關系和特定的頻率組合關系,即出現(xiàn)了1BPF±AR;通常認為旋渦脫落作為聲共振的激發(fā)機制,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的B.Helmich 和 Joerg R.Seume[6]在四級高速軸流壓氣機中觀測到的聲共振現(xiàn)象相類似,如圖2和圖3所示,當壓氣機在近喘振邊界運行時,在機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。
圖2 漢諾威大學四級高速軸流壓氣機內(nèi)部噪聲測試結果
當壓氣機高壓一級轉(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)整壓氣機進口流量(a~e流量逐漸減小,即ma↓),研究壓氣機內(nèi)部噪聲和轉(zhuǎn)子葉片振動應力幅值的變化情況。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 壓氣機內(nèi)部噪聲各測點處頻譜結構
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地位;隨著壓氣機流道內(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,此結論 T.R.Camp[2]在劍橋大學的四級低速壓氣機試驗器C106上觀測到的結果相同;隨著壓氣機流道內(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,壓氣機內(nèi)部噪聲信號總聲壓級基本保持不變,葉片振動應力呈現(xiàn)增大趨勢,說明聲共振頻率處的能級與葉片振動應力幅值同步變化,諧振最大時,ma↓的變化對壓氣機內(nèi)部總聲壓級的影響較小。
當壓氣機高壓一級轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)高振幅級葉片振動時,研究靜子導流葉片連動角度(S0)的變化對壓氣機內(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,壓氣機內(nèi)部噪聲信號的聲壓級譜結構發(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,壓氣機內(nèi)部噪聲信號的聲壓級譜結構發(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。
本文基于某型多級軸流壓氣機內(nèi)部噪聲測試,進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。得出結論如下:
(1)在特定的結構調(diào)整狀態(tài)和轉(zhuǎn)速工況下,壓氣機高壓一級轉(zhuǎn)子葉片突然出現(xiàn)高振幅級葉片振動,此現(xiàn)象可能與壓氣機環(huán)狀空間中的聲共振有關;壓氣機內(nèi)涵機匣上6個測點位置處均存在與轉(zhuǎn)頻非整數(shù)倍關系的共振頻率(AR),說明壓氣機中發(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;噪聲信號頻譜結構呈現(xiàn)特殊的頻率組合關系;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;隨著壓氣機流道內(nèi)部ma↓,高壓一級轉(zhuǎn)子葉片的振動應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的變化對壓氣機內(nèi)部噪聲信號特征和轉(zhuǎn)子葉片振動應力幅值的影響較大。
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