轴流压气机转子叶尖间隙非定常动态压力测量与频谱分析

摘要

压气机是利用叶片进行机械能量与流体能量相互转换的一种旋转机械，广泛应用于能源动力、航空等与国民经济及国防安全紧密相关的领域。深入研究压气机转子叶尖间隙流场非定常压力脉动，掌握非定常流场结构和能量损失机理，对进一步提高压气机效率是非常重要的。 本文对一单级轴流压气机的转子叶尖间隙流场的动态压力进行了测量与研究。在靠近转子叶片处机匣端壁上放置Kulite高频动态压力传感器，通过调节压气机不同的工作状态，测量叶尖前后端壁流场动态压力脉动，利用快速傅里叶变换，把压力信号从时域转换到频域，从频谱的角度揭示轴流压气机转子叶尖间隙的非定常压力脉动特征，以及其随着压气机转子转速、出口背压、静叶周向位置等工况变化规律，同时分析压气机的气动性能与气流稳定性的关联。 为了提高流场动态压力的测量准确度，文中对组成动态压力测量系统的动态压力传感器、采集系统、测量分析软件等的选取和安装进行了详细的介绍。另外，为了降低干扰源对测量系统的影响，采取了干扰源屏蔽措施。 试验结果显示了转子叶尖前后非定常流场压力脉动频谱中主要含有一阶谱以及二阶谱、三阶谱等高阶谱。一阶谱频率即基频只与转子转速和转子叶片数相关，与出口背压等压气机其它工况无关，随着转速升高，基频相应增大。文中主要分析了转子转速、出口背压以及静叶周向位置对一到四阶谱峰值的影响。 随着转子转速的提高，各阶谱峰值呈现上升趋势，但对叶尖前后流场影响程度不同，对叶尖中部处流场影响最大，其次是叶尖前、后缘处流场。出口背压提高，叶尖中部处各阶谱峰值呈现明显下降趋势，叶尖前缘处一阶谱峰值也有略微下降趋势，但叶尖尾缘处一阶谱峰值有略微上升趋势，高阶谱峰值变化不明显。静叶周向位置对上游流场压力脉动各阶谱峰值也有略微的影响。 本文的研究结果对研究其它旋转机械流场压力脉动也有参考价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2叶轮机械非定常流动

1.3间隙流动现象

1.4间隙流动研究方法回顾

1.4.1理论分析

1.4.2数值模拟

1.4.3实验研究

1.5时序(Clocking)效应研究

1.6本文的研究内容

第二章实验设备及测试技术

2.1轴流压气机实验台及改造

2.1.1轴流压气机实验台

2.1.2压力传感器安装孔选取

2.2动态压力传感器

2.2.1压阻式压力传感器原理

2.2.2传感器布置方式

2.2.3压力传感器选取与安装

2.3触发器

2.3.1轴流叶轮机械动态测量常用信号采集触发方式

2.3.2触发器的选择

2.3.3触发器的安装

2.4信号调理器

2.5信号采集

2.5.1采集仪器选取

2.5.2采集软件开发

2.5.3采样频率选取

2.6数据处理及软件开发

2.6.1信号的描述

2.6.2数据处理方法

2.6.3数据处理软件的开发

2.8静态背压测量系统

第三章测量系统优化及实验方案

3.1测量系统组装与调试

3.2干扰信号屏蔽

3.2.1干扰信号的主要来源

3.2.2干扰信号消除的主要措施

3.3系统标定

3.3.1标定概述

3.3.2标定方法

3.3.3数据采集系统静态标定

3.4实验方案

第四章转子叶尖间隙压力脉动频谱分析

4.1某工况下叶尖中部非定常流场压力脉动波形及其频谱分析

4.2同一工况下，多次采集同一测点对比分析

4.3相同工况下，叶尖前后流场压力脉动频谱特性对比分析

4.3.1时域分析

4.3.2幅频分析

4.4速度升高对转子叶尖前后流场压力脉动频谱特性的影响分析

4.4.1叶尖前缘前端A处流场压力脉动影响频谱分析

4.4.2叶尖前缘B处流场压力脉动影响频谱分析

4.4.3叶尖中部C处流场压力脉动影响频谱分析

4.4.4叶尖尾缘D处流场压力脉动影响频谱分析

4.4.5叶尖尾缘后端E处流场压力脉动影响频谱分析

4.4.6速度升高对转子叶尖前后流场压力脉动影响频谱分析小结

4.5背压升高对频谱特性影响分析

4.5.1压气机出口背压

4.5.2叶尖前缘前端A处流场压力脉动影响频谱分析

4.5.3叶尖前缘B处流场压力脉动影响频谱分析

4.5.4叶尖中部C处流场压力脉动影响频谱分析

4.5.5叶尖尾缘D处流场压力脉动影响频谱分析

4.5.6叶尖尾缘后端E处流场压力脉动影响频谱分析

4.5.7背压升高对转子叶尖前后流场压力脉动影响频谱分析小结

4.6静叶周向位置改变对频谱特性影响分析

4.6.1叶尖前缘前端A处流场压力脉动影响频谱分析

4.6.2叶尖前缘B处流场压力脉动影响频谱分析

4.6.3叶尖中部C处流场压力脉动影响频谱分析

4.6.4叶尖尾缘D处流场压力脉动影响频谱分析

4.5.6叶尖尾缘后端E处流场压力脉动影响频谱分析

4.5.7静叶周向位置对转子叶尖前后流场压力脉动影响频谱分析小结

第五章结论及展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

读研期间发表文章情况及所获奖励

致谢