压气机内部噪声特征与转子叶片声固耦合机理分析

航空发动机压气机转子叶片故障多由机械激励和气动激励造成，而高强声波对转子叶片的激振因素不容忽视。通过开展某型涡扇发动机压气机内部噪声测试试验，研究压气机转子叶片振动机理及其与噪声信号的对应关系。阐述了压气机内部旋转不稳定性非定常压力波作用机制，提出了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法，完成了某型涡扇发动机压气机内部噪声信号测试，对噪声信号进行了频谱分析和声传播特性分析。研究结果表明，某型涡扇发动机压气机内部噪声信号频谱呈现高峰值纯音分量1 402 Hz，并且该纯音分量与转子叶片通过频率呈现特定的频率组合关系。该纯音分量的噪声源在压气机内部沿发动机顺航向方向从后向前传播。利用旋转不稳定性理论，将声源频率在不同坐标系下进行转换，当噪声源周向模态数为13时，该纯音分量可调制出与高压一级转子叶片一阶振动频率相对应的激振频率。     

多级轴流压气机内部噪声测试及频谱演化特征分析

主要研究压气机高压一级转子叶片出现非同步振动前后,压气机流道内部的噪声特性.利用声波导管系统,分别对某型涡扇发动机整机和压气机部件试验中压气机流道内部噪声进行了测量.对转子叶片振动前后噪声信号的频谱、特征频率处的声压级和总声压级的演化过程进行了详细分析,并与国外相关研究做了对比.分析结果表明:两种试验条件下压气机高压一级转子叶片出现非同步振动现象前后压气机流道内部噪声特性呈现相似的特征,进一步分析得知诱发压气机高压一级转子叶片非同步振动的声源可能仅存在于压气机局部范围内,激励可能是由气动力引起的并与旋转不稳定性有关.     

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

不等栅距整流器对工作叶片振动的影响

 本文介绍燃气涡轮发动机压气机装有两种不等栅距整流器结构时的工作叶片动应力试验,并分析了它们对工作叶片振动的影响。 叶片动测结果表明,与等栅距整流器相比,笫一种结构平均振动应力下降30.8％,第二种结构下降42％。与此同时,还出现了一些较为复杂的振动现象,如共振转速数目大大增加,第一种结构的振动信号皆呈拍振现象等等。 在分析中,对这两种结构的尾流激振力用富氏级数展开,得到的激振力频谱与试验结果完全符合;还研究了工作叶片强迫振动方程的解,用它阐明了试验中出现的叶片动态响应和拍振等现象。     

旋转状态叶片激振试验技术研究

为了研究离心载荷下的叶片激振试验技术,在气涡轮油激励旋转激振试验平台上,以某航空发动机高压涡轮叶片为对象,选择不同喷嘴型号、喷嘴数和压力流量条件进行了油激励试验。试验结果表明:对于同类叶片,试验选用P型喷嘴获得的振动响应最大,不同流量的P型喷嘴效果相似;针对该型叶片的1阶振动,在液体激振情况下激振因数为14E下的响应远大于28E下的响应;对于确定的试验状态,控制参数存在最优值,可使激振响应达到最大。     

叶片振动实验实时数据采集系统及应用

整个振动信号高速实时采集与处理系统的设备可以分成三个部分:激振和拾振部件;数据采集部件;数据处理部件如图1示。激振部件主要是利用ZK—1型振动控制仪产生激励信号,再经激振放大器以及相应的电磁激振器来振动     

宽频高幅值水力激振信号的产生与控制

为了研究火箭发动机全尺寸泵后供应系统的动力学特性,运用脉动压力发生器设计了一种宽频水力激振系统,开展了液流试验和数据分析。结果表明:水力激振系统可以在0~1200Hz的频率范围内,产生时域幅值超过1.5MPa、高信噪比的压力脉动信号,达到了宽频率范围、高激励幅值的目的。通过对电动机转速的控制实现激励频率的可控变化,以满足不同频率激励策略的要求。提高管路系统的入口稳态压力,可以提高激振信号的幅值。通过合适的局部流阻分布,可以在宽频范围内提高水力激振信号的幅值,提高信噪比。      

进口探针支杆尾迹诱发压气机转子叶片共振的数值研究

为了探究包含支杆直径10mm进口探针的压气机罕见地出现第一级转子叶片动应变超限报警的产生机理,以更换直径8mm+3mm的探针后报警解除的情况作为对比方案,开展了进口探针支杆诱发压气机转子叶片振动的流动机理研究。以试验压气机为研究对象,利用ANSYS APDL命令流语言使用载荷步文件法对该压气机转子叶片进行了单向瞬态流固耦合数值计算。结果表明,两类探针支杆尾迹影响下,压气机转子叶片都发生了共振;引起叶片共振的激振力频率来源于支杆尾迹诱导频率与支杆通过频率的叠加,其中支杆尾迹诱导频率是由支杆尾迹涡脱落与转子叶片通过非同相位所诱导产生;支杆直径减小,支杆尾迹引起的叶片表面激振力减小,使叶片振动应变相应降低。     

基于分布激励突卸的转子叶片阻尼比试验

针对航空发动机压气机叶片动态设计中阻尼比难以估计的情况,建立了分布激励下转子叶片的响应模型,并基于此模型设计了一种分布激励突卸的非接触阻尼比试验方法.利用分布激励突卸法进行了转子叶片的前8阶阻尼比测试,对同样的转子叶片进行半功率法和模态分析法阻尼比试验,将三者的试验结果进行相关分析.结果表明,分布激励突卸法与其余两种方法的试验结果相关性大于75%,且在阻尼比试验中无频率分辨率及频谱分析误差的干扰,准确度更高.      

叶顶间隙对非定常激振力及下游静子振动影响

压气机叶片叶顶间隙会产生泄漏流,对非定常流动及下游静子会产生一定影响。为研究不同叶顶间隙下非定常气流激振力以及静子叶片振动响应,对不同叶顶间隙下单级压气机的非定常流动进行计算。随后分析非定常结果的流动特性。再利用快速傅里叶变换对静子表面的非定常激振力进行频谱分析,并将按不同频率分阶的载荷加载到静叶上以求解振动响应。非定常结果表明随叶顶间隙增大,效率和压比与之呈线性递减关系,叶片表面时间平均的压力也随之降低。而激振力的频域结果表明,激振力主要频率与叶片通过频率接近,且一阶激振力效应最大。振动响应结果显示随叶顶间隙增加,振动幅值有所降低,但在20%~40%叶高处有非线性现象,位移波谷有轻微下降。且前三阶响应结果接近静叶第3阶,第8阶和第17阶模态振型,频率相差为10%左右。     

航空发动机转子叶片的声振疲劳特性试验

由于振动载荷、声载荷等会造成航空发动机转子叶片的高周疲劳失效,通过试验研究了发动机转子叶片的声振疲劳特性.首先研究了叶根边界条件对发动机转子叶片声响应特性的影响,对3组叶片施加不同的顶紧力,由低到高施加声载荷,试验得到不同叶根边界条件下叶片的声响应与声载荷的关系,并且得出叶根边界条件对转子叶片声响应大小有影响的结论.随后研究了叶片的声振疲劳特性,得出以下结论:声载荷作用下,叶片确实可以发生破坏.在两种不同的激励方式（随机振动激励与正弦振动激励）作用下叶片的频率下降略有不同,并且在动应力水平相同的条件下,发动机转子叶片在正弦振动激励下的寿命远大于其在随机振动激励下的寿命.      

轴向间距对转子叶片气动激励的影响

使用自行开发的非定常流动分析程序对尾迹、势干扰和激波共同作用下的某高压涡轮级非定常流动进行数值模拟,研究引起叶片表面非定常压力扰动的气动激励机制.通过叶片通道内的畸变跟踪,结合叶片表面压力扰动时空图,对激励源进行识别和分类;通过对叶片表面非定常压力的频域分析,建立了激励源与上游叶片通过频率的关系;定义压力扰动均方根作为气动激励强度的量化参数,分析叶排不同轴向间距下气动激励的变化规律.结果表明:减小轴向间距并保持涡轮级的落压比和效率基本不变时,气动激励随着轴向间距的减小而增强;压力扰动的高阶分量可能会激励扭转模态为主的振动.      

Experimental investigation on dynamic response of flat blades with underplatform dampers

One test rig with three blades and two Under-Platform Dampers (UPDs) is established to better understand the dynamical behavior of blades with UPDs. A pre-loaded spring is used to simulate the centrifugal load acting on the damper, thereby achieving continuous adjustment of the pressing load. UPDs with different forms, sizes and materials are carefully designed as experimental control groups. Noncontact measurement via a laser Doppler velocimeter is employed and contact excitation which is performed by an electromagnetic exciter is adopted to directly obtain the magnitude of the excitation load by a force sensor mounted on the excitation rod. Particular attention is paid to the influence of the contact status of the contact surfaces, e.g. the pressure-sensitive paper is used to measure the effective contact area of the UPDs. The experimental variables are selected as the centrifugal force, the amplitude of the excitation force, the damper mass, the effective contact area, and the damper material. The Frequency Response Function (FRF) of the blade under different experimental parameters is obtained by slow frequency sweep under sinusoidal excitation to study the influence of each parameter on the dynamic characteristics of the blade and the mechanism analysis is carried out combined with the experimental results.     

Mistuned bladed disk forced vibration analysis based on standing wave formulation

Forced vibration analysis including a vortex lattice prediction given an external aerodynamic force is conducted in this paper based on a standing wave formulation. The starting point of the standing wave formulation is a set of blade disk normal modes that incorporate all forms of the blade, disk, and shroud elastic coupling. The Küssner gust function was used in a few previous investigations of forced vibration based on the standing wave formulation. However, it was found to be valid only for low engine-order excitation. Therefore, a two-dimensional unsteady vortex lattice method is employed in this paper to predict the gust excitation up to higher engine-order excitation. Thus, the present unsteady vortex lattice analytical model is capable of capturing compressibility and higher engine-order excitation. It features advantages in terms of its computational time and level of accuracy. The effects of mistuning a cascaded blade are also examined in the present aeroelastic analysis to determine the possible advantages obtained by doing this. Numerical results for the mistuned bladed disk are presented regarding its forced response characteristics. In a low engine-order excitation condition, it is shown that similar predictions are obtained between the present and earlier analyses. The maximum discrepancy in the blade amplitude is 70% for a single-blade mistuned rotor and 62.6% for an alternately mistuned rotor, in the worst case, compared to a completely tuned rotor. Single-peak frequencies are presented and analyzed in the higher engine-order excitation levels.     

双转子发动机转差引起的叶片尾流激振

介绍了双转子结构发动机在飞行使用中高、低压转子转速差随转速的变化特点,提出了转差可能在高、低压转子交界处的动叶间引起尾流激振的观点,并通过计算实例对转差引起的叶片尾流激振特点作了简要描述.与导向器的尾流激振比较,转差引起的叶片尾流激振有着易激起危险的低阶振型、共振转速范围宽和激振强度低的特点.      

槽间垫片功用分析及减振机理试验

针对国内高涵道比涡扇发动机风扇叶片的设计亟需,分析得到槽间垫片功用及设计要求,并通过机理试验揭示了槽间垫片减振机理。研究结果表明:在常规简谐激励作用于风扇叶片时,槽间垫片并不能提供有效阻尼,无法起到减振作用。在高能冲击载荷作用于风扇叶片时,槽间垫片可以起到较好的阻尼作用,快速地衰减自由振动,降低疲劳损伤积累。金属橡胶或橡胶槽间垫片能使叶片的冲击响应时间减少50%以上。槽间垫片应设计足够大的预紧力以实现叶片稳定的径向定位,降低风扇叶片在风车状态时的晃动幅值,减小榫头榫槽接触磨损;应具备足够大的柔度,确保高能冲击载荷下允许叶片偏摆一定的角度,通过垫片变形吸收冲击能量,从而降低叶片根部应力峰值。      

旋转失速状态下叶片激振频率的研究

研究了各不同几何状态下（平均半径处叶片安装角从３２．９°－４７．９°，叶栅稠度从０．５８３－１．１６５）的旋转失速流场及叶片受迫振动的激振频率。在失速压力信号为非正弦信号及周向叶片并非完全轴对称的假设下，建立了旋转失速状态下叶片激振频率的预测公式，预测结果与实验结果较好的吻合表明，本文所提出的预测公式是可靠的，满足工程精度要求。     

直孔射流对压气机叶栅流场影响的实验研究

为了探究直孔射流对压气机叶栅的影响,通过实验方法,结合流场显示技术和流场测试技术,对无控叶栅和直孔射流方案下的压气机平面叶栅在正攻角下的流场结构和气动性能进行了分析。结果表明:无控叶栅中吸力面存在三个螺旋点,而不同射流方案下螺旋点的数量和位置变化明显;无控叶栅端壁存在一个从吸力面起始的分离区,布置射流孔后,在射流孔前发展出马蹄涡,马蹄涡的两个分支的发展情况及其对流场影响随着不同射流方案呈现出不同的特点;射流孔的位置对控制效果有明显的影响,最佳方案减小了3.2%的总压损失,增大了1.86%的通流流量;在最佳方案下,吸力面螺旋点数量减少到了1个,端壁没有明显的尾迹出现,出口处高损失区的欠偏转和端区的过偏转均有所减弱。     

进气畸变条件下压气机转子叶片的 振动特性研究

航空发动机研制及适航要求中均明确提出发动机零部件的振动特性分析和测试要求,包括评估进气流场畸变对振动特性的影响。对某航空发动机压气机第1级转子叶片进行振动特性计算分析,开展自然进气和进气畸变条件下的叶片振动应力测试。计算分析和测试结果表明:计算分析结果与自然进气条件下测试的叶片共振转速及振动频率一致性好,其激振源主要是压气机结构因素;在进气畸变条件下激振源更丰富,与自然进气条件相比,叶片会被激起额外的振动,且在同一共振转速下振动幅值较大,进气畸变对转子叶片的振动特性产生重要影响。在发动机研制过程中,为提高叶片工作的可靠性,需要加强进气畸变条件下的叶片振动特性试验研究。