风扇级间动态三维流场试验研究

1144766066 · 发表于 2022-4-25 15:19:06

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风扇是发动机的核心部件之一，为满足其朝着高负荷、高效率、低噪音的方向发展，迫切需要研究风扇内部的非定常特性。而试验测量方法是分析流动现象、研究流动机理的主要手段，也是最直接、可靠的研究方法。因此，本文以圆柱型动态两孔针测试系统为平台，对某多级风扇转子后动态三维流场进行了测量与研究，以探索风扇转子后流场的非定常流动特征，为风扇改进设计提供试验数据支持。文中首先对组成动态测试系统的两孔动态探针和数据采集处理系统进行了研究和探索，研究内容包括探针头部结构设计方法、探针强度校核方法、探针数据处理方法、探针容腔效应数值模拟预测以及动态测试系统不确定的分析方法。探针头部结构采用了非齐平式传感器封装结构，利用赫尔姆兹定律估算中孔频响为31.7kHz，斜孔频响为29.2kHz。容腔效应数值模拟的结果表明探针头部容腔结构是一个二阶欠阻尼系统，中孔、斜孔频响的无粘模拟结果分别为37.9kHz、35.7kHz，而探针试验测得的频响至少在20kHz以上，表明了用赫尔姆兹定律以及数值模拟方法预估容腔的频响是可行的。探针强度校核结果表明，在试验条件下探针的最大应力在材料许用应力范围内，探针前三阶固有频率均在流场特征频率以下。探针数据处理优化了高斯最小二乘拟合方法，并提出了马赫数迭代拉格朗日插值方法，对比结果表明马赫数迭代插值方法更适用于两孔针校准特性。测试系统不确定分析结果表明，数据处理误差是系统不确定度的一个重要组成部分，与模拟信号测量误差和探针初始安装位置误差一并构成了系统的主要误差项。其次，利用构建的动态测试系统对某多级风扇一级和二级转子后的三维动态流场进行了试验研究。试验研究结果表明，二级转子叶根存在根部通道涡的二次流动特征，其影响范围在周向半个栅距、径向三分之一叶高以内；进口导叶关角度后，一级和二级转子出口叶尖气流角度变小，轴向马赫数变大，而叶根气流角度及轴向马赫数变化均与叶尖相反，表明转子后叶尖流动能力增强，叶根流动能力减弱。频谱分析结果表明，风扇转子后流场特征频率复杂，幅值最大的是各级转子叶片通过频率。二级转子叶根存在明显的非定常涡脱落特征频率，且随着风扇负荷的提高，涡脱落特征频率幅值增强，表明叶根区存在着分离流动。本文的研究工作在一定程度上揭示了风扇转子后的非定常流动特征，为风扇的改进设计提供了数据支持。

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