2015工程熱物理氣動文獻

1、中國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議熱機氣動熱力學(xué)編號：152025間隙和轉(zhuǎn)速對軸流壓氣機非定常葉頂泄漏流周向特性影響的實驗研究白冰 1,2；耿少娟 1；李繼超 1；張宏武 1；聶超群 1(1 中國工程熱物理2 中國(Tel:，先進能源動力大學(xué)，北京 100049)，北京 100190: baibing)摘 要：一臺低速單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機，對非定常葉頂泄漏流周向特性的影響進行了實驗研究。通過機匣壁面上沿葉片弦向和周向分布的動態(tài)傳感器，測量壓氣機轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域流場的信號。借助功率譜密度、濾波、空間傅立葉變換等方法，分析了非定常波動的頻率特性、速度和周向模態(tài)數(shù)的異同。結(jié)果表明，葉頂泄漏流非定常波動將誘導(dǎo)產(chǎn)生某種

2、沿壓氣機周向的到流量、間隙和轉(zhuǎn)速的影響。：軸流壓氣機；葉頂泄漏流非定常性；間隙；轉(zhuǎn)速；實驗研究。0. 前言波，其特征參數(shù)會受葉頂間隙泄漏流對軸流壓氣機性能有著顯著的影響，自上世紀(jì)五十年代以來，一直是葉輪機械領(lǐng)域的熱點問題。在過去的十幾年里，大量實驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)和證實了葉頂泄漏流的非定常波動特征，顯著的葉頂泄漏流周期性波動發(fā)生在較大間隙的近失速工況。相關(guān)的研究主要集中在三個方面，首先，是由葉頂泄漏流波動產(chǎn)生的壓氣機噪聲問題1, 2；其次，是由葉頂泄漏流誘導(dǎo)產(chǎn)生的葉片振動問題3, 4；最后，即本文主要關(guān)注的問題，是非定常葉頂泄漏流在壓氣機失速過程中的作用，及其對失速監(jiān)測和調(diào)控的意義5-7。上

3、述面的研究并不是相互的，而是密切相關(guān)的，共同的關(guān)鍵參數(shù)為非定常葉頂泄漏流的頻譜特征，及其誘導(dǎo)產(chǎn)生的周向波的特征，包括速度、周向模態(tài)數(shù)等。Kameier 1實驗研究了相對和絕對坐標(biāo)系下葉頂泄漏流波動頻率和速度在壓氣機節(jié)流過程中的變化，并將其命名為旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性(Rotating Instability，RI)，結(jié)果顯示，兩個坐標(biāo)系下表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律；同時葉頂間隙大小也會影響葉頂泄漏流的上述特征，并產(chǎn)生不同的噪聲量級。Mailach 8和Marz 9研究了軸流壓氣機葉頂泄漏流非定常性，他們均發(fā)現(xiàn)葉頂泄漏流具有某一小于葉片通過頻率的主導(dǎo)特征頻率，并以約0.5倍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速沿周向傳播。Mailach 8

4、還發(fā)現(xiàn)周向模態(tài)數(shù)約為葉片數(shù)的一半。Young 5通過轉(zhuǎn)子偏心設(shè)置不均勻間隙，實驗中也發(fā)現(xiàn)了大間隙區(qū)域內(nèi)葉頂泄漏流的周期性波動特征和非定常性的周向，資助項目：自然科學(xué)基金（No.50906080, No.51306178）其結(jié)果與Mailach 8和Marz 9 的相似。Pardowitz 10通過改變壓氣機轉(zhuǎn)速、葉頂間隙值和葉片數(shù)，實驗研究了葉頂泄漏流頻率和其對應(yīng)的模態(tài)數(shù)和速度的變化，顯示出對壓氣機幾何和氣動參數(shù)的密切關(guān)聯(lián)性。Vo 10在其非定常葉頂泄漏流與葉片非同步振動的研究中指出，與葉頂泄漏流非定常性周向速度相關(guān)的系數(shù)對準(zhǔn)確葉片非同步振動的發(fā)生。上述研究表明，葉頂泄漏流周期性非定常波動會誘

5、導(dǎo)產(chǎn)生具有特定波長的周向旋轉(zhuǎn)壓力波，該波的特征參數(shù)受諸多因素的影響，包括壓氣機幾何和氣動參數(shù)。不同類型的旋轉(zhuǎn)波將使得失速先兆表現(xiàn)為多種類型，有必要該問題開展細(xì)致深入的研究。作者所在的研究團隊軸流壓氣機葉頂泄漏流周期性非定常波動和其周向特性，以及其與失速關(guān)聯(lián)性開展了長期的系列研究。鄧向陽12, 13采用數(shù)值模擬方法研究了葉頂泄漏流周期性波動特征，以及流量、間隙大小、轉(zhuǎn)速等參數(shù)對該波動特征的影響，并對其觸發(fā)機理做出了解釋。進一步，童志庭6, 14實驗證實了葉頂泄漏流的周期性非定常波動，提出了其在節(jié)流過程中的三段發(fā)展模式。耿少娟15相對和絕對坐標(biāo)系下葉頂泄漏流波動頻率的關(guān)系、及主導(dǎo)頻率成分的周向特征

6、開展了數(shù)值模擬研究，總結(jié)得到了其在壓氣機節(jié)流過程中的變化趨勢。李繼超16實驗研究了非定常葉頂泄漏流的周向特征，得到了與數(shù)值模擬結(jié)果一致的結(jié)果。研究表明6, 15，葉頂泄漏流非定常性的周向傳播，使得基于機匣壁面動態(tài)信號的相關(guān)性分析可有效失速的發(fā)生。本文將通過實驗測量，研究非定常葉頂泄漏流周向特性受葉頂間隙大小和轉(zhuǎn)速變化的影響，分析其在壓氣機節(jié)流過程中的變化規(guī)律，為研究從葉頂泄漏流非定常波動到失速先兆之間的過渡提供依據(jù)。1. 實驗臺及測量方法本文實驗在中國工程熱物理的一臺低速單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機上進行。該壓氣機通道外徑為500mm，輪轂比為0.75。轉(zhuǎn)子共有60個葉片，動葉頂部弦長為36.3mm，安裝

7、角為39.2º。通過直流電機驅(qū)動，本文選取1800rpm、2100rpm、2400rpm三個轉(zhuǎn)速進行研究。并通過更換機匣調(diào)節(jié)葉頂間隙，本文選取0.7mm、1.1mm兩個間隙。以該單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機為對象，已開展過關(guān)于葉頂泄漏流非定常性和壓氣機失速過程的系列實驗和數(shù)值模擬研究6, 12-16，包括壓氣機特性線、失速類型在內(nèi)的實驗和計算結(jié)果吻合良好，關(guān)于葉頂泄漏流非定常特征和周向特征的對比分析結(jié)果也定性一致。為葉頂區(qū)域流場的動態(tài)信號，機匣壁面的傳感器布置如圖 1所示。沿葉片弦向同時布置三排動態(tài)傳感器，約前緣上游20%弦長到下游60%弦長范圍；并在葉片前緣下游約20%弦長位置沿周向布置一排傳

8、感器。圖 1 傳感器布置本實驗通過換算到標(biāo)況下的轉(zhuǎn)速來排除實驗當(dāng)天溫度和的影響。在進行動態(tài)數(shù)據(jù)測量之前，進行了多組重復(fù)性實驗，以保證實驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性，1.1mm間隙時三個轉(zhuǎn)速下的性能曲線如圖 2所示。0.7mm間隙時三個轉(zhuǎn)速下的結(jié)果類似，但由于間隙的減小，失速點流量減小，而且壓升系數(shù)更高，和文獻1中結(jié)果類似。圖 2 間隙1.1mm時性能曲線對比可以看出，相同流量系數(shù)時，隨著轉(zhuǎn)速的增加壓升系數(shù)有所提高，但差別不大；同時，失速點也相差很小，因此本文對各間隙情況選取相同的代表性流量系數(shù)點進行對比分析，即大流量工況、小流量工況和近失速工況。2400rpm 2400rpm0.450.400.350.30

9、0.250.200.150.450.400.350.300.250.200.150.451800rpm 1800rpm0.450.400.350.300.250.200.150.452100rpm 2100rpm0.45 0.50 0.55 0.600.50 0.55 0.600.50 0.55 0.601800rpm2100rpm2400rpm圖 2 間隙1.1mm時性能曲線對比2. 葉頂泄漏流非定常性的頻率特征為找到葉頂泄漏流非定常性的弦向分布，對弦向分布的傳感器在三個工況點的信號進行了功率譜密度(PSD)分析，間隙1.1mm、轉(zhuǎn)速2400rpm時的頻譜見圖 3。由頻譜可以看出，在大流量工

10、況(=0.57)下，一倍葉片通過頻率(BPF)以下沒有明顯的頻帶，即沒有葉頂泄漏流非定常性。隨著壓氣機節(jié)流(=0.52)，在一倍BPF以下出現(xiàn)了位于900Hz和1500Hz附近的兩個頻帶，900Hz左右頻帶的最大波幅更強，位于40%弦長位置附近，可以認(rèn)為900Hz左右頻帶是葉頂泄漏流非定常性的特征頻帶。在近失速工況(=0.49)，最大波動幅值出現(xiàn)在20%弦長處附近，相比=0.52的小流量工況，葉頂泄漏流波動最強的位置向葉片上游移動，這與前期該轉(zhuǎn)子的研究結(jié)果相一致6,12-16。2100rpm和1800rpm下的規(guī)律與2400rpm的相似，0.7mm間隙下規(guī)律也基本一致，在此不再展開。-20%0

11、20%40%60%100806040200=0.49050010001500200025003000-20%020%40%60%f/Hz100806040200=0.52050010001500200025003000f/Hz100806040200=0.52050010001500200025003000f/Hz圖 3 間隙 1.1mm、轉(zhuǎn)速 2400rpm 時不同工況下各弦向位置的 PSD 頻譜以20%弦長位置為代表，對2400rpm轉(zhuǎn)速時兩個間隙下壓氣機節(jié)流過程的的動態(tài)信號進行PSD分析，結(jié)果如圖 4所示。兩個間隙下葉頂泄漏流非定常性在大流量工況不明顯，節(jié)流到一定程度時開始出現(xiàn)。隨著節(jié)流

12、，葉頂泄漏流非定常波動的最大幅值會逐漸增大，對應(yīng)的頻率有減小的趨勢，但變化很小。由于小間隙時失速邊界左移，即使節(jié)流到=0.48的近失速工況，此時葉頂泄漏流非定常性的最大波動強度也沒有大間隙時的明顯，說明間隙的減小對葉頂泄漏流非定常波動有一定的抑制作用，和文獻1中結(jié)論相似。而且，間隙減小后，葉頂泄漏流非定常性頻帶整體頻率有所提高。為了探索葉頂泄漏流非定常性頻帶隨著葉片通過頻率(BPF)的變化，本文中對三種轉(zhuǎn)速的頻譜進行分析。由上文結(jié)論，大間隙時泄漏流非定常性更強，故選擇葉頂間隙為1.1mm的機匣進行研究，同時近失速工況的泄漏流非定常性最強，故選擇流量系數(shù)為0.49的近失速工況。由于此時20%弦長

13、位置處非定常性信號最明顯，故以該位置處傳感器信號為例進行分析，三種轉(zhuǎn)速下的PSD見圖 5。PSD/dBPSD/dBPSD/dB-20%020%40%60%圖 4 轉(zhuǎn)速 2400rpm 時兩個間隙下各工況 PSD 頻譜501800rpm0050010001500f/Hz2000250030001002100rpm500050010001500f/Hz2000250030001002400rpm500050010001500f/Hz200025003000圖 5間隙 1.1mm 時三種轉(zhuǎn)速的 PSD 頻譜由圖5中可以讀出泄漏流非定常性最顯著頻帶和峰值振幅的頻率、以及葉片通過頻率(BPF)，其結(jié)果見

14、表 1，隨壓氣機轉(zhuǎn)速提高，葉頂泄漏流特征頻帶的絕對值增大。采用各轉(zhuǎn)速下的葉片通過頻率對葉頂泄漏流非定常頻率進行無量綱化后，該無量綱頻率同樣隨轉(zhuǎn)速增加而增大。0.7mm間隙結(jié)果與1.1mm間隙結(jié)果類似。表 1 間隙 1.1mm 時不同轉(zhuǎn)速下的峰值振幅的頻率對比PSD/dBPSD/dBPSD/dB轉(zhuǎn)速/rpm泄漏流頻率/HzBPF/Hz無量綱頻率3. 葉頂泄漏流非定常性的特性由上一節(jié)可知，在大流量工況下，沒有葉頂泄漏流非定常性或不明顯。對1.1mm間隙、轉(zhuǎn)速2400rpm情況，利用20%弦長處周向分布的傳感器的數(shù)據(jù)，做出大流量工況周向壓力隨時間變化的云圖，。此時，葉頂區(qū)域波動很小，可以認(rèn)為基本沒有

15、葉頂泄漏流非定常性，經(jīng)計算其斜率可知其速度和轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速NS相同，說明此時葉頂端區(qū)的主要受葉片轉(zhuǎn)速的影響。當(dāng)壓氣機節(jié)流到一定流量時，葉頂泄漏流表現(xiàn)出明顯的非定常波動，此時周向信號隨時間變化的云圖?？赏ㄟ^圖中條紋的斜率計速度，其速度明顯低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速NS。算非定常葉頂泄漏流的圖 6 間隙 1.1mm、轉(zhuǎn)速 2400rpm 時大流量工況的周向云圖圖 7 間隙 1.1mm、轉(zhuǎn)速 2400rpm 時周向的云圖選用間隙為0.7mm的機匣來研究轉(zhuǎn)速對速度的影響。通過對三個轉(zhuǎn)速下各個工況點的周向數(shù)據(jù)進行處理，得到各個工況點的非定常葉頂泄漏流速度。為了排除軸轉(zhuǎn)速的影響，采用軸轉(zhuǎn)速對葉頂泄漏流非定常性的速度進行無量

16、綱化，各轉(zhuǎn)速下速度隨壓氣機節(jié)流的變化。各轉(zhuǎn)速下，葉頂泄漏流非定常性的速度隨節(jié)流都會逐2400104524200.432210081021200.3820.362漸增大。而且隨著轉(zhuǎn)速的變化，相同工況下葉頂泄漏流非定常性的速度會有變化，但影響不大。葉頂間隙為1.1mm時三種轉(zhuǎn)速下葉頂泄漏流非定常性速度隨壓氣機節(jié)流的變化規(guī)律與0.7mm間隙結(jié)果類似。同時，為比較間隙大小對周向速度的影響，圖9給出了2400rpm轉(zhuǎn)速時兩個間隙下速度的對比。由圖可知，隨著間隙的減小，相同流量系數(shù)時非定常葉頂泄漏流的速度呈增加的趨勢。另外兩個轉(zhuǎn)速也呈現(xiàn)相同的趨勢。2400rpm1.1m 2400rpm00.490.480

17、.470.460.450.440.430.420.410.520.510.500.490.480.470.460.450.440.430.420.410.48 0.49 0.50 0.51 0.52 0.53圖 8 間隙 0.7mm 時速度隨節(jié)流的變化圖 9 轉(zhuǎn)速 2400rpm 時兩個間隙的速度文獻15, 16采用實驗和數(shù)值模擬的方法進行研究，發(fā)現(xiàn)在節(jié)流過程中，伴隨著葉頂泄漏流非定常性速度的增加，其模態(tài)數(shù)會隨之減小。雖然通過圖6和7中的縱坐標(biāo)也可以模態(tài)數(shù)的變化，但為了準(zhǔn)備計算模態(tài)數(shù)，本文對實驗測量的周向信號，利用空間傅立葉變換的方法，分析在不同間隙和轉(zhuǎn)速時模態(tài)數(shù)在壓氣機節(jié)流過程的變化。對間隙

18、為1.1mm、轉(zhuǎn)速2400rpm時近失速工況的原始信號進行空間傅立葉變換作出的模態(tài)云圖如圖10(A)所示。可以看出，原始信號中BPF占主導(dǎo)地位，模態(tài)數(shù)為60，正好是葉片數(shù)，而其他的模態(tài)不太清晰。為排除BPF及其他擾動波的干擾，通過濾波得到葉頂泄漏流非定常性特征頻帶下的信號來分析。由于實驗過程中干擾因素很多，模態(tài)會稍有變化，選取占據(jù)時間最長的模態(tài)段中一段穩(wěn)定的時間段來做出模態(tài)隨時間變化的云圖。葉頂泄漏流非定常性出現(xiàn)的工況和近失速工況下，通過空間傅立葉變換得到的模態(tài)云圖如圖10(B)所示，此時可以清晰的看出泄漏流的模態(tài)。兩個間隙下，其隨節(jié)流的發(fā)展趨勢如圖 6所示。各轉(zhuǎn)速下，模態(tài)數(shù)呈現(xiàn)相同的發(fā)展趨勢

19、，即葉頂泄漏流非定常性剛出現(xiàn)后的小流量范圍模態(tài)數(shù)基本保持不變，和葉片數(shù)相同，隨節(jié)流會逐漸減小，模態(tài)數(shù)會逐漸減小。隨轉(zhuǎn)速的變化，模態(tài)數(shù)基本相近，數(shù)值上稍有變化，但變化不大。大流量工況下，間隙沒有明顯的影響，但小流量工況下，間隙減小模態(tài)數(shù)明顯增加。速度/NS速度/NS2400rpm0.7mm 2100rpm0.7mm 1800rpm0.7mm原始信號的模態(tài)8070605040302010A.=0.49工況無濾波云圖8070605040302010000.511 522.5t/s33.544.55x 10-3B.=0.55工況圖 10 間隙 1.1mm、轉(zhuǎn)速 2400rpm 時模態(tài)隨時間變化6260

20、585654525048461800rpm 1.1mm 2100rpm 1.1mm 2400rpm 1.1mm 1800rpm 0.7mm 2100rpm 0.7mm 2400rpm 0.7mm0.480.500.520.540.56圖 6 1.1mm 間隙時各轉(zhuǎn)速下模態(tài)隨節(jié)流的發(fā)展4. 結(jié)論本文通過對一臺低速軸流壓氣機進行實驗研究，獲取了不同間隙和轉(zhuǎn)速下機匣壁面上mmm弦向和周向的詳細(xì)非定常信號，對比研究了間隙和轉(zhuǎn)速對非定常葉頂泄漏流頻譜特性和特性的影響。間隙和轉(zhuǎn)速對葉頂泄漏流頻譜特性的影響主要有：（1） 各間隙的不同轉(zhuǎn)速下，僅當(dāng)壓氣機節(jié)流到一定流量時才會出現(xiàn)明顯的葉頂泄漏流非定常波動；最大

21、波動幅值隨壓氣機節(jié)流而增強，且其位置向葉片上游移動；峰值振幅對應(yīng)的頻率最壓氣機節(jié)流呈現(xiàn)小趨勢，但變化不大。（2） 轉(zhuǎn)速相同時，減小間隙可以降低非定常葉頂泄漏流的波動強度；同時，整體波動頻帶增大。同一間隙的相同流量，提高轉(zhuǎn)速后，無論是絕對值還是相對值，葉頂泄漏流的波動頻率均增大。間隙和轉(zhuǎn)速對葉頂泄漏流周向特性的影響主要表現(xiàn)如下：（1） 各間隙的不同轉(zhuǎn)速下，速度隨壓氣機節(jié)流而增大；對同一間隙的相同流量，速度隨轉(zhuǎn)速變化變化不大；對同一轉(zhuǎn)速的相同流量，速度隨間隙增大而降低。（2） 各間隙的不同轉(zhuǎn)速下，周向模態(tài)數(shù)整體隨壓氣機節(jié)流而減少；對同一間隙的相同流量，模態(tài)數(shù)稍有變化，但基本相近；大流量下間隙對模態(tài)

22、數(shù)影響不大，小流量下間隙減小模態(tài)數(shù)會明顯上升。參考文獻1 KAMEIER F, NEISE W. Experimental study of tip clearance losses and noise in axial turbomachines and their reduction J. Journal of Turbomachinery, 1997, 119(3): 460-71.2 HELLMICH B, SEUME J R. Causes of acoustic resonance in a high-speed axial compressor J.Journal of Turb

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