低速风扇气动旋转不稳定性问题的实验研究

梁东，王同庆

低速风扇气动旋转不稳定性问题的实验研究

梁东，王同庆

(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)

阐述了对国内外风扇气动旋转不稳定性研究现状，并总结出一些特征。然后介绍了北京航空航天大学的低速风扇实验台，并在该实验台上进行了风扇气动旋转不稳定性的实验探究。实验中，应用了管道声模态的测量和分析技术。结果表明：风扇气动旋转不稳定性的频率特征表现为转频的非整数倍，并且随着节流工况的改变，1阶叶片通过频率处的纯音会被削弱；同时，旋转不稳定性还存在一定的模态特征。

低速风扇实验台；气动旋转不稳定性；声模态；实验研究

1 引言

风扇气动旋转不稳定性是航空动力学中较为普遍的现象，通常被认为是由于转子叶片叶尖泄漏涡或尾缘脱落涡产生，并引起流场内高的压力扰动。文献[1]对该现象进行了详细描述，即旋转不稳定性可理解为流场中的一个旋转振动源，该振动源可类比为固定频率下的一个旋转声激励，并沿圆周方向传播。

气动旋转不稳定性的存在能引起流场内的振动，进而作用在下游的后导叶上，引起转子下游导叶和机匣振动，甚至产生风扇压气机的声共振。随着航空发动机的发展，旋转不稳定现象得到了越来越多的关注。

1995年，Baumgartner等[2]在一台10级压气机上发现了转子叶片非同步振动现象，并用旋转不稳定性理论对叶片振动机理做了解释。1996年，Liu和Neise等在DLR(德国航空航天研究院)的低速压气机实验台上，对旋转不稳定性进行了大量实验研究，得到了一些关于旋转不稳定性分量的规律[3，4]。2004年，王同庆等在高速(跨声和超声)压气机上进行了不稳定流动声测量技术研究[5]。2010年，林左鸣等对某型航空发动机压气机高压转子叶片振动故障原因进行了分析，指出压气机在某种非正常工作状态下产生的高声强噪声中所包含的高强度声波，可能是激起转子叶片共振或颤振的原因[6]。文献描述出了旋转不稳定性的特征：旋转不稳定性的纯音分量表现为转频的非整数阶，且该分量的模态存在一定规律；同时，随着节流的增加，1阶叶片通过频率(BPF)处的纯音分量减小，但1阶BPF前的宽带噪声会逐渐增加。

本文介绍了北京航空航天大学一台采用前导叶的低速风扇实验台，并在该实验台上进行了风扇气动旋转不稳定性研究。实验使用了文献[3]和[5]的分析方法，得到了旋转不稳定性的一些相关特征。

2 低速风扇实验台

本实验台采用前导叶结构，由30 kW变频电机提供动力。为使转速稳定，在变频器中使用了PID反馈控制，转速波动范围在3 r/min以内。实验台的构造及测试系统如图1所示，具体参数见表1。表中，V为静子叶片数，B为转子叶片数，N为实验台转速，r1为轮毂半径，r2为实验台机匣半径。实验台工作转速为4 472.7 r/min，风扇1阶BPF为820 Hz。

表1 风扇实验台参数Table 1 Parameters of the facility

3 低速风扇旋转不稳定性实验及分析

3.1实验研究的节流工况

在进口安装进气节流锥实现节流。实验研究的节流工况共5个，各工况的流量测量结果见表2。

表2 各流动工况对应流量Table 2 Condition of the mass flow

3.2测量结果及讨论

在风扇进口段内壁面均匀平齐安装8个传声器，分别记为ch1～ch8通道，采样率50 kHz，分析点数4×104，频率分辨率1.25 Hz。

3.2.11 250 Hz内的频谱声能量分析

由于声模态测量时得到的各测点频谱并不相同，为得到管道内某频率下的总声能频谱，对8个测点的声压平方求和，结果如图2和表3～表7所示。图表中，SPL为声压级。

图1 低速风扇实验台构造图Fig.1 Conformation of low speed fan facility

表4 节流工况2下1阶BPF内的纯音信息Table 4 Pure tone of the 2#condition of mass flow including the 1BPF

图2 各节流工况下的声压频谱Fig.2 Acoustic frequency spectrum for condition of each mass flow

表5 节流工况3下1阶BPF内的纯音信息Table 5 Pure tone of the 3#condition of mass flow including the 1BPF

表6 节流工况4下1阶BPF内的纯音信息Table 6 Pure tone of the 4#condition of mass flow including the 1BPF

表7 节流工况5下1阶BPF内的纯音信息Table 7 Pure tone of the 5#condition of mass flow including the 1BPF

可见，在各节流工况下，1阶BPF内存在很多明显纯音，且大多为转频的整数倍；但也存在一些非转频整数倍的纯音(如245.0 Hz、572.5 Hz等)，可能为旋转不稳定性的频率。随着节流的增加，1阶BPF内的宽带噪声增加，1阶BPF(820 Hz分量)处的纯音逐渐减小，转频的非整数倍纯音减小、以至消失。

3.2.2实验测得的声模态结果

各节流工况下1阶BPF分量模态的测量结果见图3。由静/转干涉分析可知，周向模态数m=sB-qV。其中，s为BPF阶数；q为任意整数，这里取q=2。得到1阶BPF分量可能存在的静/转干涉噪声的模态阶数为-1阶，可判定1阶BPF处-1阶模态是由于静/转干涉作用产生。由图中可看出，1阶BPF-1阶模态处的声压级随着节流的增大而减小。

对1 250 Hz内的频谱数据进行模态分析，各节流工况的模态-频谱图如图4～图8所示。每个图中的9条线，分别表示-3～+4阶模态幅值随频率变化和用帕斯维尔等式算出的管道总声压级。为分析关注频段频谱特点，所取频率段的频率范围分别为0～1 250 Hz、70～200 Hz、450～550 Hz和750～900 Hz。

从图中可看出，在70～200 Hz频率范围内，节流工况1下0阶模态明显高于其余阶模态，但随着节流的增加，0阶模态与其余阶模态的差别越来越小，节流工况5下各阶模态相差不大。75 Hz处存在明显的尖峰，且各模态声压级分布比较均匀。节流工况1频谱中520 Hz附近，+1阶模态比较明显，但随着节流的增加，+1阶模态越来越不明显。在各节流工况下，1阶BPF(820 Hz)处都存在尖峰，但峰值随着节流的增加而减小。

图3 各节流工况下的1阶BPF模态谱Fig.3 Acoustic mode spectrum of the 1BPF for condition of each mass flow

图4 节流工况1下各阶模态随频率的变化Fig.4 Spectrum of modes for 1#condition of mass flow

图5 节流工况2下各阶模态随频率的变化Fig.5 Spectrum of modes for 2#condition of mass flow

图7 节流工况4下各阶模态随频率的变化Fig.7 Spectrum of modes for 4#condition of mass flow

图8 节流工况5下各阶模态随频率的变化Fig.8 Spectrum of modes for 5#condition of mass flow

4 结论

从风扇实验台在节流工况1下的噪声频谱可看出，在1阶BPF内存在转频整数倍的纯音和转频非整数倍的纯音(如245.0 Hz、572.5 Hz等)，这些非整数倍的纯音可能为旋转不稳定性分量。根据测量分析结果可得出，1阶BPF分量是由静/转干涉作用产生，且随着节流的增加，1阶BPF内的宽带噪声增加，1阶BPF分量纯音逐渐减小，转频的非整数倍纯音减小、以至消失。

通过对1阶BPF内的频率-模态图分析可看出：节流工况1下，在70～200 Hz频率范围内，0阶模态明显高于其余阶模态，但随着节流的增加，0阶模态与其余阶模态的差别越来越小，到节流工况5，该频率段各阶模态相差不大。

[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]王同庆，吴怀宇，彭峰.高速压气机不稳定流动声测量技术研究[J].工程热物理学报，2004，25(1)：56—58.

[6]林左鸣，李克安，杨胜群.航空发动机压气机转子叶片声激振试验研究[J].动力学与控制学报，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

国防973项目

梁东(1983-)，男，内蒙古通辽人，博士研究生，主要从事风扇、压气机气动声学方面的研究。