航空发动机压气机声共振现象初探

杨明绥，刘思远，王德友，武 卉 ，李大鹏，刘 莹

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015；2.西北工业大学动力与能源学院，西安 710089）

航空发动机压气机声共振现象初探

杨明绥1，刘思远2，王德友1，武 卉1，李大鹏1，刘 莹1

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015；2.西北工业大学动力与能源学院，西安 710089）

航空发动机压气机声共振机理十分复杂，涉及到"气动-结构-声学"的多物理场耦合问题，能导致压气机叶片疲劳破坏，危害巨大，近年来已经成为国外压气机气动、振动、声学领域的研究热点。综述了国外流体诱发腔体发声机理的研究进展，分析了国外航空发动机压气机声共振的研究现状，总结了单级、多级压气机声共振现象的主要特征，并结合中国某型压气机的试验结果，进行了气动、振动、噪声等物理参数的特征分析，认为某型压气机虽然存在着某些独特的问题需要深入研究，但其故障特点与近年来国外开展的声共振现象具有很强的相似性，即认为该型压气机工作中可能存在声共振现象。

声共振；压气机；声模态；涡声相互作用；多物理场耦合；航空发动机

0 引言

航空发动机声学是研究发动机流体和结构以及二者之间相互作用的发声机理、传播特性和抑制技术的1门科学。就其本质而言，航空发动机声学主要研究其噪声问题。其噪声产生的危害主要有：（1）对人和外部环境的危害。主要针对航空发动机适航性的要求，研究内容涉及声源特性、传播特性和抑制技术等；（2）对发动机本身构件的危害。主要影响发动机结构的可靠性和气动稳定性，研究内容涉及声载荷的特征、传输特性和声气固耦合机制等。

压气机作为航空发动机最主要噪声源之一，多年来其噪声研究方向主要集中于声源特性、传播特性和抑制技术，以满足发动机适航性和舒适性的要求。然而随着现代发动机技术的不断发展，以及压气机高压比和高效率的设计要求，压气机叶片经常工作在高负荷状态下，加之受气动、结构、声学载荷的共同作用，压气机叶片经常出现振动过大、甚至疲劳断裂等故障，对发动机整体性能特别是安全性和可靠性影响重大[1]。压气机工况复杂，导致压气机叶片疲劳失效故障的原因多样，一直是国内外学者的重点研究内容。近年来国外在压气机实际工作中发现了1种全新的导致叶片疲劳失效的机理和现象（即声共振现象），为进一步深入了解“气动-结构-声学”多物理场耦合情况下的叶片疲劳断裂模式提供了1个全新研究思路。

本文在综述国外流体诱发腔体发声机理和压气机声共振研究的基础上，分析了中国某型压气机工作过程中的声共振现象。

1 国内外研究现状

1.1 流体诱发腔体发声机理

声共振现象的物理本质就是流体诱发腔体发声问题，与Helmholtz共振器、吹哨、吹笛等声学现象类似。国内外学者分别从理论和试验的角度对流体诱发腔体发声机理进行了研究。如Chu和Kovasznay研究结果表明，腔体发声问题可视为流体涡模态和声模态相互作用的结果，表现为通过1个复杂的反馈机制将腔体开口处剪切层的固有不稳定性波的某些特定模态维持在一定幅值上。从流体运动的角度考虑，二者相互作用表现为：涡运动激起声波是通过剪切层对下游锐缘的冲击作用，或通过剪切层激发腔体的声共振模态；反之，声波和前缘尖点的相互作用又会诱发脱落涡。涡模态和声模态的相互作用也导致涡声能量相互转化：通过对流和冲击过程中涡的加速和变形，使涡能转化为声能；在上游锐缘处满足Kutta-Joukowski条件[2]，则声能转化为涡能。随后，Ma R等[3]采用先进的PIV流场测试技术，捕捉到了气流剪切层诱发空腔发声过程中涡能与声能的发展演化现象（如图1所示），并指出当气流剪切层与腔体声模态发生强耦合时，会导致强烈的涡声转换，空腔噪声急剧增大，称之为声共振现象。声共振现象发生时，声源多是由气流剪切层所产生的宽带噪声；而腔体就是共振腔，表现为特定频率（共振频率）下的噪声放大调理机制，其物理实质涉及到涡-声相互作用的问题。

流体诱发腔体发声问题在航空发动机、火箭、军用飞机等武器装备中广泛存在。如当军用飞机武器舱处于打开状态时，在某些飞行速度下，武器舱会诱发流体振荡，产生较强烈的声共振，甚至会进一步激发机体的某些振动模态，造成较大危害[4]。

1.2 压气机声共振

压气机声共振特指压气机内部复杂流动过程中所发生的声共振现象，其驱动源多为气动现象，如旋涡尾迹、转子-静子干涉或气流中的剪切层等。发生声共振时的压气机会产生较强烈的非定常脉动，造成压气机气动不稳定性，影响结构的可靠性。

Parker[5]对压气机声共振现象进行了一系列开创性研究。首先是在置有平板的风洞中进行试验时，发现在某些状态下风洞内部的噪声和叶片振动均会突然加剧。通过大量测试与分析得知，这种现象发生在尾迹脱落频率、声模态频率、叶片振动固有频率相一致时，体现为1种全新的共振机制，并且主要表现为叶片间或叶片与风洞壁之间的声学驻波场，故将其称之为声共振现象。通过对风洞和平板之间的声学波动方程求解，成功的预测出声共振频率，此声学现象也称Parker共振。此后，声共振现象和机理研究成为国外航空发动机压气机声学和不稳定非定常流动的1个全新研究热点问题。

然而，从Parker所提出的机理模型到压气机声共振现象的实际应用，还存在着诸多难题，也制约了压气机声共振现象研究的不断深入。主要原因是压气机实际工作中具有不均匀旋流，且管道的截面变化以及叶排相当复杂，导致很难进行声模态和脱落涡频率的预估。但这并不意味着声共振在涡轮机中不能存在。如果压气机在一定的气流条件下表现出声共振现象，有时可以把问题简化，表明异常现象符合声共振。基于目前的研究成果，压气机内部的声共振现象可以归结为2类：（1）压气机单级叶排间的声共振（Parker共振）现象。主要体现在同1级叶排的叶片间“气-声-固”耦合作用机制方面，类似于Parker在风洞中进行的共振试验现象。其激励源主要为叶尖间隙的涡系，而当脱落涡频率、各叶片槽道之间的声模态频率、叶片固有频率三者一致时，可发生压气机单级叶片间的声共振现象；（2）压气机多级叶排间的声共振现象。主要体现在压气机多级叶排片间的“气-声-固”耦合作用机制方面，涉及到声场在各级叶排间的入射、反射和散射问题，其声模态表现为沿轴向和周向传播的螺旋状传播形式，对其进行声模态预测更加复杂和困难，如各叶排间的声波的反射系数、散射特性很难给定。

1.2.1 单级压气机声共振

在单级压气机的声共振研究中，仍是Parker于1967年在单级低速压气机中最早得到了声共振的测量结果[6]。随后Kaji和Okazaki[7]也进行了卓有成效的工作，研究结果表明：当叶片间距与声波波长的比值增大并超过临界值时，声场具有较强的声压级，此时声波被俘获在叶片之间，声场体现出超级共振现象，与Parker共振相似。根据计算结果指出：当波数与叶片间距的乘积小于2π时，可发生超级共振，此时声场周向模态数m接近或大于叶片数。

近些年Kielb[8]在由GE公司支持的高速多级轴流压气机研究过程中，发现了转子叶片振动频率与转频非整数倍关系的非同步振动现象。随后Huu Duc Vo[9-10]等在喷流反馈机制试验模型（如图2（a）所示）、叶尖涡流泄漏反馈机制模型（如图2（b）所示）、逆着叶尖涡流泄漏主流方向的声反馈机制（如图2（c）所示）的基础上，进行了试验研究和理论计算，指出导致转子叶片非同步振动正是由于叶尖涡流层在同级叶排空腔中传播与反馈所致，会在叶片间产生较强的声反馈现象，表现为声能量加剧，这种现象与Parker声共振现象十分类似。同时，这种由非定常涡流所引起的叶片非同步振动会让叶片在共振频率处产生很大幅度的振动，具有较大的危险性。Huu Duc Vo等集中研究了叶尖泄漏涡流与叶片振动的相互作用，而对于涡-声作用的机理并未深入研究，没有从根本上描述出涡-声-振的耦合机制。

1.2.2 多级压气机声共振研究

很多学者对多级压气机的声共振现象进行了大量研究工作[11-15]，其中研究较为全面的为汉诺威大学的Joerg R.Seume和英国剑桥T.R.Camp，均在不同压气机上通过试验观测出多级压气机声共振现象，并通过理论分析判断出声共振现象。

T.R.Camp在剑桥大学的4级低速压气机试验器Cl06（如图3所示）上进行试验，当IGV和静子叶片的安装角均从设计值减小10°时，出现了声共振现象，该共振频率与转频呈现非整数倍关系，并且在共振频率出现的转速范围内，该共振频率呈现出阶跃变化，如图4所示的1234Hz的声信号分量。当声共振发生时，压力脉动与叶片振幅、应力均较大，具有很强的危害性。该压气机外半径为254mm，轮毂比为0.75。T.R.Camp研究指出：随着压气机转速的增大或减小，涡旋脱落频率将涵盖一定范围，并将激发该范围内的声模态，压气机内部压力脉动大幅度增加；同时由于涡声干涉所具有的锁频特性，涡流频率将“自动跟踪”不同的声模态，在声信号频率中产生阶跃变化，如图5所示。而当压力脉动频率与叶片振动的固有频率一致时，将产生较大的叶片应力，甚至产生应力破坏。因此，声信号阶跃变化是压气机声共振最主要的特征之一。

德国J.R.Seume在汉诺威大学的4级高压压气机上（如图6所示）观测到了声共振现象。当压气机在近失速边界附近运行时，在机匣壁面压力脉动传感器中观测到与转频非整数倍关系的声共振频率，并且造成了第1级静子叶片根部断裂（如图7所示）。共振发生时压气机壁面噪声测试结果表明，其内部噪声高达180dB，如图8所示。压气机各级壁面均测量得到声共振特征频率 fAR、2fAR、3fAR，及 fAR与叶片通过频率（fBF）的调制现象，如图9、10所示。J.R.Seume通过分析指出：第1级静子振动模态的固有频率与声共振频率fAR相接近；声共振发生时共振频率分量的声压级已经大大超过了fBF频率分量的声压级；在气动测试结果转子叶排的一些通道中存在阻塞现象；声共振就是围绕压气机圆周3周的螺旋声模态，在压气机轴向表现为驻波，是多级压气机的典型共振形式，如图11所示。

1.3 小结

综上所述，压气机声共振现象的物理问题涉及非定常流动、涡声作用、声场传播、声固耦合等，机理复杂，表现为气-声-固多物理场的耦合，研究难度较大，至今仍无详细理论能够描述其产生、发展、演化的过程。但通过试验测试分析和基本理论简化分析，可总结出声共振具有如下特点：

（1）压气机声共振现象多在压气机非设计工况，且近失速状态下发生；

（2）压气机声共振与流体诱导空腔共振原理基本一致，都是流体涡模态和声模态相互作用的结果；

（3）压气机内声共振现象多由非定常旋流诱发导致，压气机内部存在较大的压力脉动或噪声强度，噪声强度要大于fBP分量处的强度；

（4）声共振频率一般为转频的非整数倍，且在共振转速附近存在“锁频”、共振频率与fBP调制的现象；

（5）声共振发生时，叶片动应力增大，如声共振频率与叶片固有频率相吻合时，叶片振动应力急剧增大，甚至可能造成叶片断裂；

（6）单级压气机声共振主要发生在单排叶片间，一般需在波数和叶片间距的乘积小于2π时发生，此时声场周向模态数m接近或大于叶片数；

（7）多级压气机声共振时，内部声模态为沿轴向、周向传播的螺旋状传播模式，且轴向为驻波，这是其显著的特点。

虽然压气机声共振与旋转失速、旋转不稳定等非定常现象在某些特征上比较相似，但还是有本质不同的。

从声学的角度看，旋转失速是由于受阻通道产生入射波导致相邻通道内的气流分离所传播的旋转阻滞；而旋转不稳定可解释为转子上没有阻滞时周期性的气流分离，在频率高于转子转速时，其信号频谱中的波峰表现为宽而平；叶尖间隙噪声是由转子叶尖的逆流引起的，受叶尖间距的影响很大。与这些效应相比，共振频率下的信号频谱中的波峰高而窄[16]。

2 某型压气机声共振现象初探

中国某型航空发动机曾发生高压压气机第1级转子叶片断裂的故障，初步判断为叶片1阶弯曲振动应力过大所致。在摸清故障机理、排除故障的过程中，综合分析叶片振动、压力脉动、噪声的测试结果，发现其故障机理与压气机声共振现象十分类似。

2.1 叶片振动应力分析

叶片表面振动应力测试分析结果表明：压气机转速在一定范围时，第1级转子叶片的1阶弯曲振动逐渐加剧，各叶片振动逐渐“锁定”为1阶弯曲振动，频率趋于一致（如图12所示），动应力明显增大（如图13所示），且叶片间的相位差趋于相对不变（如图14所示），呈现出“锁频锁相”的阶跃性振动特点。其中叶片1弯振动转速段较宽，与转速成非整阶次（4.4～4.6不等）关系。

2.2 压力脉动测试

2.2.1 壁面压力脉动

当叶片振动应力大时，采用Kulite动态压力传感器进行壁面动态压力测量，发现轴向的0级静子处、第1级转子和静子处均出现了特征频率fAR及fAR与fBP的调制现象（如图15所示）。该频率为转频的非整数倍，在一定转速范围内具有“锁频”的阶跃特性，约为转频的8～9倍。且该频率分量的幅值与叶片1弯振动具有较好的同步性，幅值分布也与动应力的大小符合线性关系（如图16所示），具有较好的同步性。壁面动态压力幅值沿轴向分布为：0级静子槽道＜第1级转子叶片前＜第1级转子叶片处＜第1级静子槽道处。第1级转子处和第1级静子槽道处的声压级最大，比0级静子处的声压级最大高出26.8dB左右，可达150dB以上。

2.2.2 第1级转子叶片表面压力脉动

在第1级转子叶片表面进行动态压力测量，测试位置为叶片表面90%叶高处，叶片表面动态压力脉动的频谱测试结果如图17所示。结果表明：当叶片振动应力大时，叶片表面压力脉动的频率与叶片1弯振动频率一致，且2个信号的同步性很好。

2.3 内部声场特性分析

2.3.1 轴向和周向传播特性分析

在机匣的周向和轴向分别安放压力脉动传感器（如图18所示），并进行相位分析，得到其传播特性（如图19所示）。

轴向传播关系为：第0级和第1级为正对着的相邻测点第1级传到第0级；第1级和第2级传递关系为正对着的测点第1级传到第2级，侧对着的测点从第2级传向顺着转子旋转方向侧的第1级；第2级测点与第3级测点传递关系是正对着的测点第2级传到第3级。周向传播关系为：第0、1、2、3级在圆周方向均呈现出与转子旋转方向相反的周向传播模式。

2.3.2 径向幅值分布

在第1级静子表面沿径向进行动态压力脉动测试分析，特征频率处压力脉动幅值的结果为：叶尖＞叶根＞叶中，如图20所示。

由特征频率fAR处噪声在各级间的轴向、周向相位传播关系，以及径向幅值分布规律可知：当转子叶片振动应力增大时，特征频率处噪声在压气机内部呈现1种类似螺旋状的传播特性。

2.4 转子叶尖流场测试分析

叶片振动应力增大时，转子叶片进口绝对气流角和马赫数的压力测量结果如图21、22所示。从绝对气流角的图谱中可见，叶片主流区与叶尖气流角相差较大，即转子叶尖预旋相对减小，这将大幅度增大第1级转子叶尖攻角。从绝对马赫数的图谱中明显可见转子叶尖处被低能流体所堵塞。

2.5 综合分析

综上所述，某型压气机的故障特点与近年来国外开展的声共振研究具有很强的相似性，相似之处体现为：（1）压气机处于非设计工况，且伴有气流分离、失速等强烈的非定常现象；（2）叶片均具有较大的非阶次振动特性，且锁频锁相；（3）内部声场具有较强的声压级，呈螺旋状传播模式，轴向呈现为驻波场；（4）均存在与转频非整数倍关系的共振频率fAR，及其与fBP调制后的频率特性。

然而，某型压气机还存在着其独特的问题，需要深入研究，如：（1）声共振发生时，转子叶片为疲劳破坏件，且第1级转子叶片具有锁频锁相的趋同性；（2）转子叶片振动频率与声共振频率并不一致，存在多普勒效应；（3）第1、2级转子叶片具有相同的共振频率。

3 结束语

压气机声共振现象自发现以来，机理研究一直受各方面的影响，面临着诸多困难，无法翔实描述。但其作为压气机声-气-固耦合的1种故障模式，为压气机设计和研究指明了方向。需要在设计中尽量避免压气机声共振现象的发生。

致谢中航工业沈阳发动机设计研究所张东明和薛秀生研究员、沈阳航空航天大学沙云东教授、北京航空航天大学马宏伟教授等对本研究工作提供测试数据支持，在此表示感谢！

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Study of Acoustic Resonance for Aeroengine Compressors

YANG Ming-sui1,LIU Si-yuan2,WANG De-you1,WU Hui1,LI Da-peng1,LIU Ying1
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;2.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710089,China.）

The acoustic resonance mechanism of aeroengine compressors was complicated,which related to the problem of multiphysics coupling for the aerodynamics-structure-acoustics.It became a hot research issue internationally in the fields of compressor aerodynamics,vibration and acoustics in recent years，because it might cause the fatigue failure of compressor blades.The international research development of flow-induced cavity sound mechanism was overviewed,the present research of international aeroengine acoustic resonance was analyzed,and the main features of the acoustic resonance for the single stage and multi-stage compressors were concluded.The feature analysis of physical parameters such as aerodynamics,vibration and acoustics was conducted in China.Some special problems are analyzed in compressor,but its failure features were similar with the acoustic resonance in foreign countries.The results show that the acoustic resonance may exist in the compressor operation.

acoustic resonance;compressor;acoustic mode;vortex sound interaction;multi-physics coupling;aeroengine

杨明绥（1980），男，博士，工程师，从事航空发动机气动声学和压气机试验研究工作。