2015工程热物理气动文献

1、中国工程热物理学会学术会议热机气动热力学编号：152025间隙和转速对轴流压气机非定常叶顶泄漏流周向特性影响的实验研究白冰 1,2；耿少娟 1；李继超 1；张宏武 1；聂超群 1(1 中国工程热物理2 中国(Tel:，先进能源动力大学，北京 100049)，北京 100190: baibing)摘 要：一台低速单转子轴流压气机，对非定常叶顶泄漏流周向特性的影响进行了实验研究。通过机匣壁面上沿叶片弦向和周向分布的动态传感器，测量压气机转子叶顶区域流场的信号。借助功率谱密度、滤波、空间傅立叶变换等方法，分析了非定常波动的频率特性、速度和周向模态数的异同。结果表明，叶顶泄漏流非定常波动将诱导产生某种

2、沿压气机周向的到流量、间隙和转速的影响。：轴流压气机；叶顶泄漏流非定常性；间隙；转速；实验研究。0. 前言波，其特征参数会受叶顶间隙泄漏流对轴流压气机性能有着显著的影响，自上世纪五十年代以来，一直是叶轮机械领域的热点问题。在过去的十几年里，大量实验和数值模拟研究发现和证实了叶顶泄漏流的非定常波动特征，显著的叶顶泄漏流周期性波动发生在较大间隙的近失速工况。相关的研究主要集中在三个方面，首先，是由叶顶泄漏流波动产生的压气机噪声问题1, 2；其次，是由叶顶泄漏流诱导产生的叶片振动问题3, 4；最后，即本文主要关注的问题，是非定常叶顶泄漏流在压气机失速过程中的作用，及其对失速监测和调控的意义5-7。上

3、述面的研究并不是相互的，而是密切相关的，共同的关键参数为非定常叶顶泄漏流的频谱特征，及其诱导产生的周向波的特征，包括速度、周向模态数等。Kameier 1实验研究了相对和绝对坐标系下叶顶泄漏流波动频率和速度在压气机节流过程中的变化，并将其命名为旋转不稳定性(Rotating Instability，RI)，结果显示，两个坐标系下表现出不同的变化规律；同时叶顶间隙大小也会影响叶顶泄漏流的上述特征，并产生不同的噪声量级。Mailach 8和Marz 9研究了轴流压气机叶顶泄漏流非定常性，他们均发现叶顶泄漏流具有某一小于叶片通过频率的主导特征频率，并以约0.5倍转子转速沿周向传播。Mailach 8

4、还发现周向模态数约为叶片数的一半。Young 5通过转子偏心设置不均匀间隙，实验中也发现了大间隙区域内叶顶泄漏流的周期性波动特征和非定常性的周向，资助项目：自然科学基金（No.50906080, No.51306178）其结果与Mailach 8和Marz 9 的相似。Pardowitz 10通过改变压气机转速、叶顶间隙值和叶片数，实验研究了叶顶泄漏流频率和其对应的模态数和速度的变化，显示出对压气机几何和气动参数的密切关联性。Vo 10在其非定常叶顶泄漏流与叶片非同步振动的研究中指出，与叶顶泄漏流非定常性周向速度相关的系数对准确叶片非同步振动的发生。上述研究表明，叶顶泄漏流周期性非定常波动会诱

5、导产生具有特定波长的周向旋转压力波，该波的特征参数受诸多因素的影响，包括压气机几何和气动参数。不同类型的旋转波将使得失速先兆表现为多种类型，有必要该问题开展细致深入的研究。作者所在的研究团队轴流压气机叶顶泄漏流周期性非定常波动和其周向特性，以及其与失速关联性开展了长期的系列研究。邓向阳12, 13采用数值模拟方法研究了叶顶泄漏流周期性波动特征，以及流量、间隙大小、转速等参数对该波动特征的影响，并对其触发机理做出了解释。进一步，童志庭6, 14实验证实了叶顶泄漏流的周期性非定常波动，提出了其在节流过程中的三段发展模式。耿少娟15相对和绝对坐标系下叶顶泄漏流波动频率的关系、及主导频率成分的周向特征

6、开展了数值模拟研究，总结得到了其在压气机节流过程中的变化趋势。李继超16实验研究了非定常叶顶泄漏流的周向特征，得到了与数值模拟结果一致的结果。研究表明6, 15，叶顶泄漏流非定常性的周向传播，使得基于机匣壁面动态信号的相关性分析可有效失速的发生。本文将通过实验测量，研究非定常叶顶泄漏流周向特性受叶顶间隙大小和转速变化的影响，分析其在压气机节流过程中的变化规律，为研究从叶顶泄漏流非定常波动到失速先兆之间的过渡提供依据。1. 实验台及测量方法本文实验在中国工程热物理的一台低速单转子轴流压气机上进行。该压气机通道外径为500mm，轮毂比为0.75。转子共有60个叶片，动叶顶部弦长为36.3mm，安装

7、角为39.2º。通过直流电机驱动，本文选取1800rpm、2100rpm、2400rpm三个转速进行研究。并通过更换机匣调节叶顶间隙，本文选取0.7mm、1.1mm两个间隙。以该单转子轴流压气机为对象，已开展过关于叶顶泄漏流非定常性和压气机失速过程的系列实验和数值模拟研究6, 12-16，包括压气机特性线、失速类型在内的实验和计算结果吻合良好，关于叶顶泄漏流非定常特征和周向特征的对比分析结果也定性一致。为叶顶区域流场的动态信号，机匣壁面的传感器布置如图 1所示。沿叶片弦向同时布置三排动态传感器，约前缘上游20%弦长到下游60%弦长范围；并在叶片前缘下游约20%弦长位置沿周向布置一排传

8、感器。图 1 传感器布置本实验通过换算到标况下的转速来排除实验当天温度和的影响。在进行动态数据测量之前，进行了多组重复性实验，以保证实验数据的重复性，1.1mm间隙时三个转速下的性能曲线如图 2所示。0.7mm间隙时三个转速下的结果类似，但由于间隙的减小，失速点流量减小，而且压升系数更高，和文献1中结果类似。图 2 间隙1.1mm时性能曲线对比可以看出，相同流量系数时，随着转速的增加压升系数有所提高，但差别不大；同时，失速点也相差很小，因此本文对各间隙情况选取相同的代表性流量系数点进行对比分析，即大流量工况、小流量工况和近失速工况。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图 2 间隙1.1mm时性能曲线对比2. 叶顶泄漏流非定常性的频率特征为找到叶顶泄漏流非定常性的弦向分布，对弦向分布的传感器在三个工况点的信号进行了功率谱密度(PSD)分析，间隙1.1mm、转速2400rpm时的频谱见图 3。由频谱可以看出，在大流量工

10、况(=0.57)下，一倍叶片通过频率(BPF)以下没有明显的频带，即没有叶顶泄漏流非定常性。随着压气机节流(=0.52)，在一倍BPF以下出现了位于900Hz和1500Hz附近的两个频带，900Hz左右频带的最大波幅更强，位于40%弦长位置附近，可以认为900Hz左右频带是叶顶泄漏流非定常性的特征频带。在近失速工况(=0.49)，最大波动幅值出现在20%弦长处附近，相比=0.52的小流量工况，叶顶泄漏流波动最强的位置向叶片上游移动，这与前期该转子的研究结果相一致6,12-16。2100rpm和1800rpm下的规律与2400rpm的相似，0.7mm间隙下规律也基本一致，在此不再展开。-20%0

11、20%40%60%100806040200=0.49050010001500200025003000-20%020%40%60%f/Hz100806040200=0.52050010001500200025003000f/Hz100806040200=0.52050010001500200025003000f/Hz图 3 间隙 1.1mm、转速 2400rpm 时不同工况下各弦向位置的 PSD 频谱以20%弦长位置为代表，对2400rpm转速时两个间隙下压气机节流过程的的动态信号进行PSD分析，结果如图 4所示。两个间隙下叶顶泄漏流非定常性在大流量工况不明显，节流到一定程度时开始出现。随着节流

12、，叶顶泄漏流非定常波动的最大幅值会逐渐增大，对应的频率有减小的趋势，但变化很小。由于小间隙时失速边界左移，即使节流到=0.48的近失速工况，此时叶顶泄漏流非定常性的最大波动强度也没有大间隙时的明显，说明间隙的减小对叶顶泄漏流非定常波动有一定的抑制作用，和文献1中结论相似。而且，间隙减小后，叶顶泄漏流非定常性频带整体频率有所提高。为了探索叶顶泄漏流非定常性频带随着叶片通过频率(BPF)的变化，本文中对三种转速的频谱进行分析。由上文结论，大间隙时泄漏流非定常性更强，故选择叶顶间隙为1.1mm的机匣进行研究，同时近失速工况的泄漏流非定常性最强，故选择流量系数为0.49的近失速工况。由于此时20%弦长

13、位置处非定常性信号最明显，故以该位置处传感器信号为例进行分析，三种转速下的PSD见图 5。PSD/dBPSD/dBPSD/dB-20%020%40%60%图 4 转速 2400rpm 时两个间隙下各工况 PSD 频谱501800rpm0050010001500f/Hz2000250030001002100rpm500050010001500f/Hz2000250030001002400rpm500050010001500f/Hz200025003000图 5间隙 1.1mm 时三种转速的 PSD 频谱由图5中可以读出泄漏流非定常性最显著频带和峰值振幅的频率、以及叶片通过频率(BPF)，其结果见

14、表 1，随压气机转速提高，叶顶泄漏流特征频带的绝对值增大。采用各转速下的叶片通过频率对叶顶泄漏流非定常频率进行无量纲化后，该无量纲频率同样随转速增加而增大。0.7mm间隙结果与1.1mm间隙结果类似。表 1 间隙 1.1mm 时不同转速下的峰值振幅的频率对比PSD/dBPSD/dBPSD/dB转速/rpm泄漏流频率/HzBPF/Hz无量纲频率3. 叶顶泄漏流非定常性的特性由上一节可知，在大流量工况下，没有叶顶泄漏流非定常性或不明显。对1.1mm间隙、转速2400rpm情况，利用20%弦长处周向分布的传感器的数据，做出大流量工况周向压力随时间变化的云图，。此时，叶顶区域波动很小，可以认为基本没有

15、叶顶泄漏流非定常性，经计算其斜率可知其速度和转子轴转速NS相同，说明此时叶顶端区的主要受叶片转速的影响。当压气机节流到一定流量时，叶顶泄漏流表现出明显的非定常波动，此时周向信号随时间变化的云图。可通过图中条纹的斜率计速度，其速度明显低于转子转速NS。算非定常叶顶泄漏流的图 6 间隙 1.1mm、转速 2400rpm 时大流量工况的周向云图图 7 间隙 1.1mm、转速 2400rpm 时周向的云图选用间隙为0.7mm的机匣来研究转速对速度的影响。通过对三个转速下各个工况点的周向数据进行处理，得到各个工况点的非定常叶顶泄漏流速度。为了排除轴转速的影响，采用轴转速对叶顶泄漏流非定常性的速度进行无量

16、纲化，各转速下速度随压气机节流的变化。各转速下，叶顶泄漏流非定常性的速度随节流都会逐2400104524200.432210081021200.3820.362渐增大。而且随着转速的变化，相同工况下叶顶泄漏流非定常性的速度会有变化，但影响不大。叶顶间隙为1.1mm时三种转速下叶顶泄漏流非定常性速度随压气机节流的变化规律与0.7mm间隙结果类似。同时，为比较间隙大小对周向速度的影响，图9给出了2400rpm转速时两个间隙下速度的对比。由图可知，随着间隙的减小，相同流量系数时非定常叶顶泄漏流的速度呈增加的趋势。另外两个转速也呈现相同的趋势。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图 8 间隙 0.7mm 时速度随节流的变化图 9 转速 2400rpm 时两个间隙的速度文献15, 16采用实验和数值模拟的方法进行研究，发现在节流过程中，伴随着叶顶泄漏流非定常性速度的增加，其模态数会随之减小。虽然通过图6和7中的纵坐标也可以模态数的变化，但为了准备计算模态数，本文对实验测量的周向信号，利用空间傅立叶变换的方法，分析在不同间隙和转速时模态数在压气机节流过程的变化。对间隙

18、为1.1mm、转速2400rpm时近失速工况的原始信号进行空间傅立叶变换作出的模态云图如图10(A)所示。可以看出，原始信号中BPF占主导地位，模态数为60，正好是叶片数，而其他的模态不太清晰。为排除BPF及其他扰动波的干扰，通过滤波得到叶顶泄漏流非定常性特征频带下的信号来分析。由于实验过程中干扰因素很多，模态会稍有变化，选取占据时间最长的模态段中一段稳定的时间段来做出模态随时间变化的云图。叶顶泄漏流非定常性出现的工况和近失速工况下，通过空间傅立叶变换得到的模态云图如图10(B)所示，此时可以清晰的看出泄漏流的模态。两个间隙下，其随节流的发展趋势如图 6所示。各转速下，模态数呈现相同的发展趋势

19、，即叶顶泄漏流非定常性刚出现后的小流量范围模态数基本保持不变，和叶片数相同，随节流会逐渐减小，模态数会逐渐减小。随转速的变化，模态数基本相近，数值上稍有变化，但变化不大。大流量工况下，间隙没有明显的影响，但小流量工况下，间隙减小模态数明显增加。速度/NS速度/NS2400rpm0.7mm 2100rpm0.7mm 1800rpm0.7mm原始信号的模态8070605040302010A.=0.49工况无滤波云图8070605040302010000.511 522.5t/s33.544.55x 10-3B.=0.55工况图 10 间隙 1.1mm、转速 2400rpm 时模态随时间变化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图 6 1.1mm 间隙时各转速下模态随节流的发展4. 结论本文通过对一台低速轴流压气机进行实验研究，获取了不同间隙和转速下机匣壁面上mmm弦向和周向的详细非定常信号，对比研究了间隙和转速对非定常叶顶泄漏流频谱特性和特性的影响。间隙和转速对叶顶泄漏流频谱特性的影响主要有：（1） 各间隙的不同转速下，仅当压气机节流到一定流量时才会出现明显的叶顶泄漏流非定常波动；最大

21、波动幅值随压气机节流而增强，且其位置向叶片上游移动；峰值振幅对应的频率最压气机节流呈现小趋势，但变化不大。（2） 转速相同时，减小间隙可以降低非定常叶顶泄漏流的波动强度；同时，整体波动频带增大。同一间隙的相同流量，提高转速后，无论是绝对值还是相对值，叶顶泄漏流的波动频率均增大。间隙和转速对叶顶泄漏流周向特性的影响主要表现如下：（1） 各间隙的不同转速下，速度随压气机节流而增大；对同一间隙的相同流量，速度随转速变化变化不大；对同一转速的相同流量，速度随间隙增大而降低。（2） 各间隙的不同转速下，周向模态数整体随压气机节流而减少；对同一间隙的相同流量，模态数稍有变化，但基本相近；大流量下间隙对模态

22、数影响不大，小流量下间隙减小模态数会明显上升。参考文献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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