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。     

航空发动机压气机内部流体诱发声共振研究进展

声共振是一种涡声相互作用诱发的特殊声学共振现象，可产生超过160 dB的纯音噪声，不仅严重影响环境舒适性，还可引起结构件的疲劳破坏，在火箭燃烧室、军机弹仓、汽车天窗以及热交换器管束等多个工程领域内引起了设计者们的足够重视。与此同时，越来越多的研究表明航空发动机压气机内部同样存在声共振问题，其引发的叶片断裂故障也屡见不鲜，已逐渐成为国际范围内的一项研究热点问题，但对其物理机制的认识仍待完善。本文系统性阐述了压气机内部声共振的机理、试验测试、预测方法和控制措施的研究现状及其发展趋势，旨在扩展对流体诱发叶片振动方面的基础理论认知，为提升压气机设计和排故能力提供技术储备。     

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。     

多动态参数同步测试系统构建及其应用

压气机试验过程中虽经常需要进行气动、振动、噪声等多种动态信号的测试与分析,但多是孤立进行的,信号的同步测试和统一分析面临困难。因此对一些多物理场耦合现象研究缺乏手段,不能完成细致的描述。本文主要针对这一问题,提出了一种可直接用于工程的多场动态信号统一同步测试分析方案。首先简要描述了动态测试技术在压气机气动非定常现象导致的气动、结构失稳研究方面所起到的作用,说明了针对压气机非定常现象进行多物理场动态信号同步测试分析技术研究的必要性。其次完成了多物理场动态信号同步测试分析方案设计,解决了时间同步、相位修正和同步测试分析等关键问题。最后将其应用于某航空发动机压气机的非定常故障机理研究方面,取得了较好的应用效果,充分展现了该动态测试平台在压气机非定常现象研究方面的广阔应用前景。     

航空发动机气动声学设计的理论、模型和方法

根据对飞机噪声控制技术历史发展演化过程的总结分析，研究了民用航空发动机气动与声学一体化设计的目标、方法、流程、理论模型和发展趋势等。基于对航空发动机气动设计过程的分析，给出了航空发动机气动与声学一体化设计的流程和方法。分别从“发动机总体热力循环设计”“发动机部件通流设计”“发动机部件三维详细设计”等三个流程，介绍了航空发动机声学设计理论和技术国内外的发展情况，详细论述了发动机气动声学设计的理论、模型和方法，分析了目前航空发动机声学设计理论的主要问题及未来的研究重点，并以具体发动机设计实例分析了不同设计阶段航空发动机的气动与声学一体化设计方法思想。     

某型发动机压气机出口气动参数的测量分析

阐述了某型航空发动机压气机出口气动参数测量的技术难点和解决途径,测试、统计分析了正常发动机、喘振发动机和一般故障发动机后机匣飞机座舱输气口的压力范围.     

某型航空发动机防／消喘控制计划分析

简介了航空发动机轴流式压气机的喘振形成机理和防/消喘措施,分析并阐述了某型航空发动机的防/消喘控制计划。     

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.     

某型航空发动机整机振动分析

针对某型航空涡扇发动机整机振动过大现象进行测量并应用Matlab语言对该发动机振动信号进行了详细的时域、频域、三维谱阵分析.根据发动机转子各故障的典型特征,认为某型发动机振动异常的主要是因为高、低压转子不平衡和转动件与静止件碰摩造成的.所得出的结论对航空发动机故障诊断有一定的参考价值.     

风扇／压气机气动噪声实验研究

通过WP11压气机转子在亚音、跨音速条件下运行时的声近场测试，得到了风扇/压气机转子的各类气动噪声声源声近场频率及其传播特性，探讨了风扇/压气机各类气动噪声声源的发声机理。为航空涡扇发动机短仓进气部分消声声衬结构设计和位置选择及风扇/压气机声学设计与噪声预测提供了依据。     

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 amplitude. The frequencies associated with rotor blades vibration can be calculated with rotating sound source theory. It is also confirmed that acoustic resonance occurs in the multistage compressor. With acoustic similarity principle, an annular cavity model is established to simulate the typical characteristics of acoustic resonance in the compressor based on Large Eddy Simulation (LES) and Lighthill acoustic analogy. The coupling relationship between cavity acoustic mode and disc vibration mode shape is expounded when acoustic resonance occurs in the model. And acoustic resonance will be locked in the certain flow rate range. All these characteristics match well with those occur in the multistage high pressure compressor.     

基于航空发动机产品需求的压气机技术研究

压气机是航空发动机的关键核心部件,随着先进作战飞机对航空发动机需求的不断提高,快速研制全面满足发动机产品需求的压气机是工程设计人员面临的重大挑战。为保证设计的压气机全面满足发动机产品需求,介绍了先进作战飞机发动机的典型技术特点以及对压气机全面的技术需求,梳理了压气机满足发动机需求需重点考虑的影响因素,开展了宽转速范围高效率设计技术、全飞行包线高稳定裕度设计技术、高性能保持能力设计技术、高可靠叶片设计技术、高稳健压气机转子设计技术、高可靠调节机构设计技术、高安全性以及高环境适应性设计技术研究。结果表明：基于需求的综合设计可以保证压气机的综合性能。该研究可为设计全面满足发动机产品需求的压气机提供参考和依据。     

Experimental study of rotor blades vibration and noise in multistage high pressure compressor and their relevance

Rotor blades fault of aeroengine compressor is mostly caused by mechanical and aerodynamic excitation. And the excitation factor of high intensity sound wave to rotor blades should not be ignored. Experimental researches are conducted on a multistage high pressure compressor. When high level vibration occurs on the first stage of rotor blades, the noise spectrum presents typical characteristic for discrete multi-tone in the compressor. The amplitude of blade vibration displacement and the sound pressure level of characteristic frequency noise increases and decreases simultaneously and reaches the maximum value at the same time. This frequency merely occur on a certain speed range and is locked in a specific range which presents no variation with the rotating speed. When high level vibration occurs on the first stage of rotor blades, the noise spectrum presents a sharp peak and the propagation state of the characteristic frequency is a helix structure in the compressor. It can be confirmed that acoustic resonance occurs in the multistage compressor. The acoustic resonance frequency and its side band frequencies are generated by modulation of a rotating noise source at the rotor speed which is the excitation source of the rotor blades vibration.     

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明:非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。     

基于正反问题耦合的压气机特性快速预测方法

提出一种基于正反问题耦合的压气机特性快速预测方法,根据压气机一维设计理论,通过对满足流量及压比设计指标的反问题求解快速得出压气机的气动布局方案,在此基础上结合非设计点损失和落后角模型通过正问题求解得出全工况压气机特性,再根据预测特性与目标的偏差调整气动布局方案,以此通过对正反问题的耦合求解实现对压气机特性的合理快速预测...     

薄壁板结构随机声激励振动响应计算与分析

针对航空发动机压气机转子叶片结构声振动问题,建立了薄壁板有限元简化模型,基于耦合有限元/边界元法对薄壁板在行波加载下随机声激励振动响应进行了仿真计算,得到了在不同声压级下的应力响应结果.改变声载荷激励方向,分别对薄壁板施加单音噪声激励和宽频随机噪声激励,通过仿真计算得到了不同角度随机声激励下薄壁板振动响应频响曲线.对比分析发现,薄壁板模态振型与噪声加载方向是引起薄壁板共振的重要因素.     

级负荷系数为0.42的小流量轴流压气机 设计与试验验证

由于受限于“尺寸效应”,负荷增大使中小航空发动机压气机性能降低的特征较为明显,这对高负荷压气机设计提出了更大挑战.为深入研究小流量、高负荷轴流压气机,提出了2级高负荷轴流压气机的设计原则和总体要求.针对平均级负荷系数为0.42的高负荷特点,采用强根部、大反力度、低展弦比、叶片端弯和悬臂静子等气动设计方法以提高压气机性能.用全3D数值模拟方法对设计结果进行了校核,分析了其性能和流场结构.为了对设计、计算结果进行验证确认,对压气机进行了试验测量,计算与试验结果吻合良好.结果表明:高负荷轴流压气机设计点的压比为2.73,绝热效率为0.865,综合裕度为15.3％,达到了设计指标要求.     

某型串列静子的三维气动数值优化设计

针对某型高负荷轴流压气机串列静子近轮毂处存在的分离,利用自行开发的压气机三维气动数值优化设计平台,选择复合形优化方法,通过修改串列静子近轮毂处的三维积叠方式对串列静子进行了优化设计.结果表明,优化设计取得了良好效果,在消除分离的同时,有效提高了压气机的整体性能.