航空发动机压气机声共振现象初探

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。     

压气机声共振特性理论预测与试验研究

航空发动机压气机声共振是一种复杂非定常流动现象,能够造成压气机气动不稳定,甚至可能导致压气机叶片疲劳破坏。针对某高压压气机一级转子叶片振动疲劳失效问题,开展压气机声共振理论研究,建立声波在叶片排间传播与反射的分析模型。发展压气机声共振特性预测方法,对压气机声共振进行预测分析。基于发展的理论预测方法,开展某压气机声共振试验测试,通过多参数动态测试分析技术,获取压气机发生声共振时管道内部模态传播特性和叶片振动特性。试验结果表明：压气机发生声共振时转速与预测结果相吻合,一级转子叶片表现出锁频特征,压气机内脉动压力场、同级转子叶片间均存在强烈的周向传播特性,周向传播模态为13阶,符合特征频率的理论分析结果。一级转子附近脉动压力幅值最大,为声波轴向传播的主反射区,与预测结果相吻合。     

叶轮机叶片颤振系列转子的设计与流体诱发振动的实验研究

 本文介绍了叶轮机“叶片颤振系列转子”的设计情况和试验过程中出现的多种流体诱发振动现象。介绍了测试方法,并着重对叶片失速颤振现象进行了分析。     

航空发动机压气机大小叶片技术

介绍了航空发动机大小叶片压气机的工作原理和国内外研究状况,对其在涡轴、涡扇发动机上的具体应用进行了研究,并分析了其技术应用的可行性、实用性和有效性。     

基于叶尖定时的航空发动机压气机叶片振动测量

基于叶尖定时的转子叶片非接触振动测试系统的基本原理和数据分析方法,将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压压气机一级转子叶片排故(改型)中,获取叶片共振时的振动频率和幅值,并通过有限元分析方法得到叶尖位移与关键点的位移-应力换算系数。依据反算的关键点动应力可实现(改型)前后转子叶片的高周疲劳寿命预测。某型涡扇发动机高压压气机一级转子叶片非接触振动测试结果显示:由于加工工艺原因导致原型叶片叶型厚度变大,引起叶片固有频率升高,转子叶片在发动机工作转速范围内发生3阶激励激起的一弯振动,导致叶片发生故障。改进加工工艺后,非接触振动测试系统结果显示叶片振动状态较好。      

高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述

详细介绍了国外高性能航空发动机先进的风扇和压气机叶片的特点、发展和应用。所介绍的叶片,包括掠形转子叶片、弓形静子叶片、吹吸叶片、分流小叶片、空心叶片和复合材料叶片。     

航空发动机压气机整流导向叶片裂纹故障分析

针对航空发动机中LD2CS铝合金压气机整流导向叶片裂纹故障,根据导向叶片结构设计特征,采用故障部位切片检测、裂纹宏微观形貌观察、振动模态计算、加工工艺优化等方法对其进行故障分析及研究,确定导向叶片产生裂纹的性质及原因,并提出相应的预防措施。     

发动机内部复燃对高、低压压气机的影响

针对某涡扇发动机内部复燃情况，通过对压气机叶片和盘的检查测量、理论分析，确定了发动机内部复燃对高、低压压气机盘和叶片的影响，保证了发动机复装后的安全，同时也为今后处理类似问题提供了依据。     

某型航空发动机压气机二级转子叶片掉块故障分析

某型航空发动机压气机转子铝叶片多次发生掉块故障,且多发生于一、四、五、六级叶片靠近排气边处。本文针对一起发动机外场使用后压气机二级转子叶片排气边掉块故障进行原因分析,制定了相关预防措施,为同类故障的排查和预防提供参考。     

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.      

Physical model for acoustic resonance in annular cavity structure

A physical model for acoustic resonance in the annular cavity structure is developed to represent the typical characteristic when acoustic resonance occurs. Firstly, the measurement of sound pressure in the casing and rotor blades vibration is operated in a multistage high pressure compressor. The sharp peak frequency and discrete multi-tone occur in the frequency spectrum of sound pressure in the compressor, and the vibration of the first stage of rotor blades synchronously presents the high am...     

微缝共振器的非线性吸声机理

为模拟高声压级时微缝处涡声相互作用现象并计算微缝声阻抗,发展了一种离散涡模型.联合微缝离散涡模型和一维声传播模型,计算了微缝共振器的声阻抗和吸声系数.数值结果表明,微缝声学性质主要取决于涡脱落和脱落涡层的演化;共振器的吸声系数随着入射声压级的增加而增大;入射声波频率对共振器吸声系数有显著影响.研究结果和先前直接数值模拟...     

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。     

Transfer element method with application to acoustic design of aeroengine nacelle

In the present survey, various methods for the acoustic design of aeroengine nacelle are first briefly introduced along with the comments on their advantages and disadvantages for practical application, and then detailed analysis and discussion focus on a kind of new method which is called ‘‘transfer element method'(TEM) with emphasis on its application in the following three problems: turbomachinery noise generations, sound transmission in ducts and radiation from the inlet and outlet of ducts, as well as the interaction between them. In the theoretical frame of the TEM, the solution of acoustic field in an infinite duct with stator sound source or liner is extended to that in a finite domain with all knows and unknowns on the interface plane, and the relevant acoustic field is solved by setting up matching equation. In addition, based on combining the TEM with the boundary element method(BEM) by establishing the pressure and its derivative continuum conditions on the inlet and outlet surface, the sound radiation from the inlet and outlet of ducts can also be investigated. Finally, the effects of various interactions between the sound source and acoustic treatment have been discussed in this survey. The numerical examples indicate that it is quite important to consider the effect of such interactions on sound attenuation during the acoustic design of aeroengine nacelle.     

双局域共振效应声学超材料消声性能

为了有效控制低频宽带噪声,提出了一种基于亥姆霍兹共振器的双局域共振效应声学超材料。声学超材料将亥姆霍兹共振效应与弹簧质量共振效应结合,通过驱动电压控制薄膜变形,实现两个系统的共振频率同时发生变化。在建立系统数学模型的基础上,计算得到亥姆霍茨共振系统固有频率为4141 Hz,柔性薄膜系统固有频率为2868 Hz,与柔性薄膜的共振频率理论计算偏差为44%,与亥姆霍兹共振腔的共振频率理论计算偏差为097%。利用COMSOL软件的声固耦合物理场研究了声学超材料的声学性能,采用双负载法对声学超材料进行测试。结果表明:该声学超材料在低频范围内有良好的噪声控制效果,产生两个传递损失峰值,形成了双局域共振效应,可以同时对两个频率范围内的噪声进行控制。当驱动电压从0 V增加至350 V时,弹簧质量系统传递损失峰值频率从30 Hz偏移到110 Hz,变化率为228%,可以实现噪声的自适应控制,为声学超材料主动控制及优化提供一种方法。     

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

流管侧向微缝共振器的声学特性

为研究有流动管道侧向微缝共振器的声学特性,基于离散涡方法建立了一个理论模型.管道安装共振器处利用质量和动量守恒建立间断条件,再结合离散涡模型,计算出共振器的声阻抗和吸声系数.数值模拟表明微缝处流场主要取决于脱落涡层的卷起和拍动,这与流场显示实验结果一致,并验证了半经验模型中微缝剪切层的"盖子"假设.结果还表明共振器声阻...     

航空发动机压气机静子通道压力信号时频特征

进行发动机整机试验,获取了压气机第一级静子通道内的压力信号.通过时频分析,从压力信号中辨识出了以550 Hz和2200 Hz为中心的时频结构;辨识出了压气机前3级转子叶片通过频率信号及它们的一些和频、差频信号.同时,还观察到在试验发动机减速过程中,放气带打开前,压气机前3级转子的叶片通过频率信号及它们的一些和频、差频信号幅度显著增强,这表明减速过程中压气机第一级转子尖区的流动分离逐渐趋于严重.因此,监控压气机静子通道压力信号时频特征的变化,可以获得特定的压气机转子的流场信息,从而为压气机稳定性控制提供重要依据.