探針支桿尾跡對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動特性的影響研究

向宏輝, 高 杰, 楊榮菲, 劉氦旭, 吳森林

1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院, 四川 綿陽 621000;2.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院, 南京 210016

0 引 言

隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)指標(biāo)的不斷提高，高氣動負(fù)荷與緊湊式結(jié)構(gòu)一體化融合設(shè)計(jì)成為未來高性能航空發(fā)動機(jī)壓縮部件技術(shù)發(fā)展的重要特征[1-2]。在超常規(guī)氣動指標(biāo)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)參數(shù)強(qiáng)約束的相互作用下，壓氣機(jī)內(nèi)部存在著強(qiáng)烈的非定常效應(yīng)和流固耦合效應(yīng)，其中上游葉片尾跡和下游葉片位勢干擾是最根本的擾動源，所產(chǎn)生的周期性擾動會導(dǎo)致葉片表面氣動力發(fā)生變化，使得葉片振動應(yīng)力水平上升，情況嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)轉(zhuǎn)子和靜子葉片的高周疲勞斷裂故障[3-4]。

當(dāng)前壓氣機(jī)氣動性能試驗(yàn)主要還是通過在特定截面安裝內(nèi)置式探針來測取研究對象的各項(xiàng)物理參數(shù)。試驗(yàn)過程中客觀存在的探針支桿對壓氣機(jī)氣動性能的影響問題已經(jīng)得到國內(nèi)外研究人員的高度重視，并取得了一定研究進(jìn)展[5-7]。已有研究工作主要是從氣動層面出發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注探針支桿的物理堵塞和局部干擾，旨在研究探針被置入流道后壓氣機(jī)原有潔凈流場的變化情況[8-10]，并通過優(yōu)化探針支桿幾何構(gòu)型和空間安裝位置，以減弱堵塞和擾動作用對流場結(jié)構(gòu)的破壞，降低內(nèi)置式探針對氣動性能的負(fù)面影響，以確保壓氣機(jī)原始試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)有效[11-12]。文獻(xiàn)[13]介紹了美國GE公司在E3十級高壓壓氣機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中專門考慮了測試傳感器引起的效率損失修正。除了氣動層面的影響外，內(nèi)置式探針是否對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動特性產(chǎn)生影響呢？目前，國內(nèi)外有關(guān)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動問題的研究，大多集中在轉(zhuǎn)/靜子葉片與氣流相互影響作用下的流體激振、顫振、強(qiáng)迫共振等典型流固耦合問題上[14-20]，而關(guān)于試驗(yàn)過程中測試探針主動誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片振動問題的研究還未見相關(guān)報(bào)道。通常情況下，相對于小間距條件下的轉(zhuǎn)/靜子之間相互作用而言，大間距條件下的探針支桿尾跡對轉(zhuǎn)子葉片的影響作用是比較弱的。同時(shí)，由于探針設(shè)計(jì)時(shí)一般會盡量采用較小的支桿迎風(fēng)面積，這也極大降低了探針誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片振動的可能性。因此，探針支桿誘發(fā)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動問題在實(shí)際試驗(yàn)中并不容易出現(xiàn)，研究人員在設(shè)計(jì)試驗(yàn)測試方案時(shí)幾乎不考慮探針支桿與壓氣機(jī)葉片振動之間的相關(guān)性。

本文首次介紹了國內(nèi)某型軸流壓氣機(jī)氣動性能試驗(yàn)中出現(xiàn)的進(jìn)口探針誘發(fā)第一級轉(zhuǎn)子葉片異常振動現(xiàn)象，通過對比不同構(gòu)型探針支桿尺寸、不同安裝布局下轉(zhuǎn)子葉片振動信號變化，給出了進(jìn)口探針不同支桿尺寸誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片異常振動的試驗(yàn)證據(jù)。同時(shí)采用單向流固耦合數(shù)值模擬方法分析了探針支桿尾跡脫落渦誘導(dǎo)轉(zhuǎn)子葉片振動特性的流動機(jī)理。本文研究結(jié)果可為重新認(rèn)識內(nèi)置式探針與壓氣機(jī)內(nèi)流之間的耦合作用、優(yōu)化測試探針支桿尺寸以及測試布局方法提供參考。

1 探針支桿誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片振動現(xiàn)象的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

1.1 試驗(yàn)情況介紹

某三級軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)口流場測量截面沿周向安裝了3支梳狀總壓探針、3支圓柱形方向探針和1支附面層探針，其中方向探針用于測量上游預(yù)旋葉片(模擬風(fēng)扇末級靜葉)出口氣流角?？倝禾结槨⒎较蛱结樅透矫鎸犹结樉嚯x下游第一級轉(zhuǎn)子葉片前緣分別為3.60、3.60和3.96倍轉(zhuǎn)子中徑弦長。壓氣機(jī)設(shè)計(jì)流量為17.9 kg/s，設(shè)計(jì)增壓比為1.68，設(shè)計(jì)絕熱效率為0.85，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為7691 r/min。轉(zhuǎn)子葉片材料為鋁合金。圖1給出了壓氣機(jī)進(jìn)口測量截面探針安裝位置示意圖，圖2為各型探針結(jié)構(gòu)實(shí)物圖。從壓氣機(jī)第一級轉(zhuǎn)子葉片排中選取3個(gè)葉片，并分別在每個(gè)葉片壓力面A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)位置粘貼應(yīng)變片(如圖3所示)，用于測量轉(zhuǎn)子葉片第一階、第二階和第三階振動應(yīng)變信號。振動應(yīng)變測試系統(tǒng)主要由中低溫電阻式應(yīng)變片、刷環(huán)引電器、XPOD信號調(diào)理器、OROS動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成(如圖4所示)，數(shù)據(jù)采集頻率為16.38 kHz。首次試驗(yàn)中，當(dāng)壓氣機(jī)升速運(yùn)行至4457 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)變測量值超過安全限定值。

圖1 進(jìn)口測量截面探針安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of installed position of inlet measurement probes

圖2 各型探針結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.2 Picture of inlet measurement probes

圖3 轉(zhuǎn)子葉片表面應(yīng)變片粘貼位置Fig.3 Installed position of strain gauges on rotor blade surface

圖4 振動應(yīng)變測量系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of the vibration strain measurement system

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對壓氣機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)變數(shù)值突增現(xiàn)象，為驗(yàn)證進(jìn)口探針與轉(zhuǎn)子葉片異常振動信號之間的相關(guān)性，通過改變探針數(shù)量與結(jié)構(gòu)類型開展了對比試驗(yàn)，定性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改變總壓探針和附面層探針數(shù)量，對轉(zhuǎn)子葉片振動特性基本沒有影響；在不安裝圓柱形方向探針情況下，轉(zhuǎn)子葉片振動信號正常，順利運(yùn)行至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，可見圓柱形方向探針誘發(fā)了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片升速過程中的異常振動。為進(jìn)一步驗(yàn)證圓柱形方向探針支桿尺寸(直徑為10 mm)對轉(zhuǎn)子葉片振動的影響，將其換裝成直徑為3 mm的可移動式“L”型五孔方向探針繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)(如圖5所示)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動信號仍然表現(xiàn)正常，進(jìn)一步證實(shí)了圓柱形方向探針支桿尺寸過大是誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片異常振動的主要原因。

表1 轉(zhuǎn)子葉片振動對比試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of rotor blade vibration

圖5 五孔方向探針Fig.5 The five-hole orientation probe

圖6給出了4900 r/min時(shí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在安裝圓柱形方向探針前后振動應(yīng)變時(shí)域信號，可以看出，圓柱形方向探針同時(shí)誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片前三階振動應(yīng)變增大，尤其是轉(zhuǎn)子葉片第一階振動應(yīng)變幅值增加最為明顯。圖7給出了5150 r/min時(shí)安裝不同類型方向探針后轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)變時(shí)域信號，可以看出，相比于圓柱形方向探針，L型五孔方向探針對轉(zhuǎn)子葉片第一階振動的激勵(lì)作用明顯減弱，而轉(zhuǎn)子葉片第二階和第三階振動幅值變化不大。

圖6 轉(zhuǎn)子葉片在安裝圓柱形方向探針前后振動應(yīng)變時(shí)域變化(4900 r/min)Fig.6 Variation of the vibration strain time domain of rotor blade with and without cylindrical orientation probe (4900 r/min)

圖7 安裝不同類型方向探針后轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)變時(shí)域變化(5150 r/min)Fig.7 Variation of the vibration strain time domain of rotor blade with different types of probes (5150 r/min)

為了探究圓柱形方向探針誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片第一階異常振動的原因，對上述轉(zhuǎn)子葉片動應(yīng)變時(shí)域信號進(jìn)行FFT變換，得到相應(yīng)狀態(tài)下振動應(yīng)變頻域結(jié)果(分析頻率寬度為5 kHz)。從圖8中可以看出，不安裝圓柱形方向探針時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片各測點(diǎn)未出現(xiàn)特征頻率的異常振動；安裝圓柱形方向探針后，轉(zhuǎn)子葉片各測點(diǎn)均出現(xiàn)特征頻率886 Hz的振動信號，該頻率近似壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)頻率的11倍(相對頻差為-1.37%)，其中A點(diǎn)振動幅值最強(qiáng)、C點(diǎn)次之、B點(diǎn)最小，表明此時(shí)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生了激振源為十一階的一階共振。從圖9中可知，5150 r/min時(shí),圓柱形方向探針誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片各測點(diǎn)出現(xiàn)特征頻率856 Hz的異常振動信號，該頻率近似壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)頻率的10倍(相對頻差為-0.27%)，仍然表現(xiàn)為A點(diǎn)位置的振動幅值最強(qiáng)，可認(rèn)為此時(shí)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生了激振源為十階的一階共振。當(dāng)換裝成L型五孔方向探針后，轉(zhuǎn)子葉片各測點(diǎn)出現(xiàn)特征頻率865 Hz的異常振動，該頻率仍接近壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)頻率的10倍(相對頻差為0.78%)，轉(zhuǎn)子葉片各測點(diǎn)的特征頻率振動幅值均有所降低，尤其是A點(diǎn)位置的振動降幅最為顯著，約下降了50%。通過以上試驗(yàn)分析，我們發(fā)現(xiàn)圓柱形方向探針導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生整轉(zhuǎn)速階次激振的一階共振是該型壓氣機(jī)升速過程中轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)異常振動的真正原因。當(dāng)探針支桿尺寸減小后，激振力強(qiáng)度隨之減弱，轉(zhuǎn)子葉片振動響應(yīng)水平降低。值得注意的是，不同轉(zhuǎn)速下探針主動誘發(fā)的激振源階次并不固定，分析認(rèn)為與探針支桿尾跡脫落渦的頻率變化有關(guān)。下面將通過流固耦合數(shù)值模擬方法探討圓柱形探針支桿尾跡誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片振動的流動機(jī)理。

圖8 轉(zhuǎn)子葉片在安裝圓柱形方向探針前后振動應(yīng)變頻域變化(4900 r/min)Fig.8 Variation of the vibration strain frequency domain of rotor blade with and without cylindrical orientation probe (4900 r/min)

圖9 安裝不同類型探針后轉(zhuǎn)子葉片振動應(yīng)變頻域變化(5150 r/min)Fig.9 Variation of the vibration strain frequency domain of rotor blade with different type of probes (5150 r/min)

2 探針尾跡誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片振動機(jī)理的數(shù)值研究

2.1 流固耦合數(shù)值模擬方法

為從流動機(jī)理上分析圓柱形探針支桿尾跡脫落渦對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片振動的影響，采用單向流固耦合數(shù)值模擬方法獲取探針支桿尾跡脫落渦非定常輸運(yùn)過程。由于該多級壓氣機(jī)第一級轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為質(zhì)數(shù)、探針支桿沿周向非均勻分布，如果進(jìn)行真實(shí)幾何全周流固耦合數(shù)值模擬，其計(jì)算網(wǎng)格量與計(jì)算資源消耗非常大，因此對壓氣機(jī)幾何模型進(jìn)行一定簡化與葉片數(shù)約化，計(jì)算模型包括預(yù)旋葉片S-1、探針支桿、靜葉S0和轉(zhuǎn)子R1，計(jì)算模型如圖10所示。為提高探針支桿尾跡渦穿過轉(zhuǎn)靜交界面時(shí)的精度，縮短數(shù)值計(jì)算時(shí)間，轉(zhuǎn)靜非定常計(jì)算采用計(jì)算域縮放方法，S-1葉片數(shù)由36減少至32，S0葉片數(shù)由62增加至64，R1葉片數(shù)由87增加至88，轉(zhuǎn)靜交界面采用滑移邊界。計(jì)算模型中，整周探針支桿數(shù)為8，與試驗(yàn)中安裝一個(gè)探針的情況不符，但是考慮到探針支桿間距足夠大，探針支桿尾跡周向覆蓋區(qū)域通常不超過3～4個(gè)葉片通道，因此探針支桿之間不會產(chǎn)生相互作用。

圖10 帶探針支桿的壓氣機(jī)計(jì)算模型Fig.10 Computational model of compressor with probe support

計(jì)算模型網(wǎng)格劃分采用商用軟件AutoGrid5及IGG，主流道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用默認(rèn)的4HO形式，間隙內(nèi)采用蝶形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分過程中,對壁面第一層網(wǎng)格及邊界層內(nèi)網(wǎng)格層數(shù)進(jìn)行加密以滿足湍流模型計(jì)算需求(y+<1)，對探針支桿尾跡通過的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行加密以捕捉尾跡渦的輸運(yùn)過程，對探針支桿非尾跡影響區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行一定程度的稀疏化以減少計(jì)算總網(wǎng)格量并節(jié)省計(jì)算資源，計(jì)算網(wǎng)格如圖11所示。網(wǎng)格總量約4000萬。

圖11 計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.11 Schematic diagram of computational mesh

數(shù)值計(jì)算采用商用CFD軟件CFX，數(shù)值格式為二階高精度，定常計(jì)算采用SST湍流模型，非定常計(jì)算采用DES-SST結(jié)合γ-Reθ轉(zhuǎn)捩模型的混合模型。試驗(yàn)進(jìn)口給定總溫、總壓進(jìn)口邊界條件，出口給定反壓，葉片、探針支桿、輪轂/機(jī)匣壁面給定無滑移邊界條件，周向邊界設(shè)為周期性，定常計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)靜交界面設(shè)為摻混平面，非定常計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)靜交界面采用滑移平面，其他靜止部件間的交界面采用直接插值。非定常計(jì)算以定常計(jì)算結(jié)果作為初場，時(shí)間步長設(shè)置為Δt=5×10-6s，相當(dāng)于一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片通道包含30個(gè)計(jì)算步。當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)過2圈以上且監(jiān)測到流場中壓力、流量、效率等達(dá)到明顯周期性脈動時(shí)，認(rèn)為非定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果收斂。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖12給出了轉(zhuǎn)速5150 r/min時(shí)探針支桿尾跡誘導(dǎo)的三維流場和Q準(zhǔn)則渦量圖，其中渦量圖用靜壓進(jìn)行著色，并在距離探針支桿尾緣1.5倍支桿直徑位置沿徑向設(shè)置6個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)(標(biāo)記為P1～P6)，圖13給出了不同葉高截面支桿脫落渦靜熵云圖。由圖12(a)可以看出，支桿底部間隙泄露流在靠近輪轂位置的部分流體以射流形式向下游發(fā)展，輪轂泄露流被脫落渦卷起產(chǎn)生徑向運(yùn)動的影響范圍可以達(dá)到30%葉高。由于輪轂泄露流的影響，10%～20%和80%～90%葉高之間的脫落渦并不明顯，整個(gè)葉高上的脫落渦呈現(xiàn)向葉片中部靠攏的狀態(tài)；輪轂泄露流的徑向運(yùn)動同樣影響了10%～20%葉高的脫落渦運(yùn)動，機(jī)匣附近探針支桿產(chǎn)生的馬蹄渦發(fā)展了接近3倍的脫落渦周期距離，嚴(yán)重影響了機(jī)匣端80%～90%探針支桿脫落渦的形態(tài)。同時(shí)對比圖13(d)、(g)可以發(fā)現(xiàn)，脫落渦沿展向的形態(tài)是發(fā)生變化的，40%葉高右邊脫落渦才完全形成開始處于脫離狀態(tài)，70%葉高左邊脫落渦已經(jīng)處于生成階段(在支桿上游觀察)，50%葉高以上的脫落渦處于完全不對稱的狀態(tài)，這是由于脫落渦生成之后會迅速向葉中靠攏，在等葉高截面觀察脫落渦形態(tài)就會呈現(xiàn)不對稱狀態(tài)，葉中位置脫落渦強(qiáng)度大于兩端，熵大部分集中于50%葉高左右。

圖12 探針支桿誘導(dǎo)三維流場結(jié)構(gòu)Fig.12 Three dimensional flowfield structure induced by probe support

圖13 不同葉高截面探針支桿脫落渦靜熵云圖Fig.13 Static entropy distributions of shedding vortex induced by probe support with different radial sections

圖14給出了探針支桿尾緣監(jiān)測點(diǎn)脈動壓力頻譜分析結(jié)果，可以看出，在整個(gè)葉高位置上均存在2364 Hz的擾動頻率，可以認(rèn)為該頻率為探針支桿尾跡脫落渦頻率，并且P4和P5位置處的擾動幅值最大。

圖14 探針支桿尾緣監(jiān)測點(diǎn)壓力頻譜結(jié)果Fig.14 Variation of the fluctuating pressure frequency domain behind probe support trailing edge

圖15給出了轉(zhuǎn)速5150 r/min時(shí)探針支桿脫落渦影響下轉(zhuǎn)子進(jìn)氣攻角云圖，可以發(fā)現(xiàn)，在44個(gè)轉(zhuǎn)子通過周期內(nèi)，存在4個(gè)正攻角峰值，對應(yīng)于上游4個(gè)探針支桿尾跡的影響，故轉(zhuǎn)子進(jìn)口攻角大幅脈動主要來源于探針支桿尾跡的影響，但相鄰正攻角峰值大小及影響范圍并不相同，近似間隔一個(gè)峰值的波峰相似，接近22個(gè)轉(zhuǎn)子葉片通過周期(約為343.3 Hz)。除此之外，還可以看出探針支桿尾跡僅引起部分轉(zhuǎn)子葉高(h/H)的攻角脈動，這從圖15(b)時(shí)空云圖中也能明顯看出此現(xiàn)象，并且正攻角脈動區(qū)域主要集中在20%～70%葉高范圍，其余葉高為負(fù)攻角脈動。圖15(a)顯示轉(zhuǎn)子攻角脈動量最大值為35°，最小為-10°，因此攻角脈動量為45°。圖15(b)中還給出了轉(zhuǎn)子通過時(shí)刻N(yùn)NRP=8.8、14.6、20.0、31.4、42.0時(shí)攻角沿葉高的分布，其中NNRP=14.6對應(yīng)于轉(zhuǎn)子不受探針支桿尾跡影響時(shí)刻，在NNRP=8.8、31.4這兩個(gè)攻角脈動最大的時(shí)刻，探針尾跡影響下相較于無探針尾跡影響下的轉(zhuǎn)子攻角增加量高達(dá)25.3°和29.4°，因此，探針支桿尾跡引起的轉(zhuǎn)子進(jìn)口攻角大幅值脈動，必然會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片表面壓力和應(yīng)力大幅脈動。

圖15 轉(zhuǎn)子前緣攻角脈動圖Fig.15 Fluctuation of attack angle at rotor leading edge

圖16 不同葉高截面轉(zhuǎn)子壓力系數(shù)沿流向變化Fig.16 The pressure coefficient of rotors with different radial sections varies along flow direction

3 結(jié) 論

本文首次報(bào)道了國內(nèi)某型軸流壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中出現(xiàn)的進(jìn)口探針誘發(fā)第一級轉(zhuǎn)子葉片異常振動現(xiàn)象，分析了在進(jìn)口探針影響作用下第一級轉(zhuǎn)子葉片振動信號的響應(yīng)特征，并采用流固耦合數(shù)值模擬方法揭示了探針尾跡誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片振動的流動機(jī)理，主要結(jié)論如下：

1) 進(jìn)口探針支桿尺寸過大會誘發(fā)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生異常振動。對本文試驗(yàn)對象而言，支桿直徑為10 mm的圓柱形探針會誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生整轉(zhuǎn)速階次激振的一階共振；當(dāng)探針支桿尺寸減小后，探針激振力強(qiáng)度隨之減弱，轉(zhuǎn)子葉片振動響應(yīng)水平顯著降低。

2) 探針支桿尾跡誘發(fā)下游轉(zhuǎn)子葉片振動需要同時(shí)滿足擾動頻率和擾動強(qiáng)度兩個(gè)因素，當(dāng)探針支桿的擾動頻率接近轉(zhuǎn)子某階固有頻率且支桿尾跡強(qiáng)度足夠大，容易誘發(fā)下游轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)共振。

3) 探針支桿誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片共振的擾動頻率源于支桿尾跡誘導(dǎo)頻率與支桿通過頻率的共同作用；支桿尾跡脫落渦會引起轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)氣攻角產(chǎn)生大幅值脈動。