叶尖厂效力实验设备及数据处理

叶轮机械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。多年以来关于叶轮机械内部流动的研究工作，是在时间和空间结构上做了一定简化处理后的条件下开展的，虽总结出了针对单一流动部件的定常流动理论，但却已经越来越不能满足叶轮机械朝着高负荷、高效率、低噪声型方向发展的需求。因此，研究叶轮机械内部的非定常特性，掌握非定常流场结构和能量损失机理，提出更符合叶轮机械内部流动实际特性的非定常流动理论，已成为当前国际上叶轮机械研究领域的发展趋势。近年来对非定常间隙泄漏流动引起的泄漏损失的研究受到了国内外学者的极大关注。

在一台单级轴流压缩机实验台的机匣上埋入动态压力传感器，采用高速动态压力测量系统测量出转子叶尖间隙处端壁表面的压力脉动，从而获得叶尖间隙流动动态性能。由于用实验的方法直接得到的压力波形是一个与时间量相关的一组数据，即时域波形，若对波形直接进行时域分析，通常无法揭示信号的频域结构和各频率成分的幅值大小。而采用动态测试中广泛使用的频域分析方法，即用频率作为独立变量，来揭示信号各频率成分的幅值、相位与频率之间的对应关系，信号的幅值与相位用频域描述，能够十分明确地揭示信号中各种不同频率组成的信号成分。通过改变转子转速或出口背压，来探讨叶尖间隙非定常流动频谱特性与压缩机工作参数的关系，同时与压缩机的气动性能和气流稳定性相关联。

1实验设备及数据处理1. 1实验台实验在一小型轴流压缩机试验台上进行，如所示。转子和静子分别由6个和13个叶片组成，转子轮毂比为0. 37 ，转子叶尖间隙为3. 55mm.压缩机转子是由一交流变频电机驱动，通过变频器可实现转子转速0～3000r/ min无级调速。在压缩机的出口端有一个背压调节蝶阀，通过转动手轮调节蝶阀的角度，改变压缩机出口截面积，从而控制出口流量，达到改变压缩机出口背压的目的。

1. 2采集系统整个测量系统由动态压力传感器、信号调理器、信号采集器、信号触发器以及微机组成。

选用美国Kulite公司的XCQ208025D表压式动态压力传感器。该传感器的响应频率为300kHz ，而该压缩机在*高转速3000r/ min时，叶尖间隙非定常流动的脉动频率也仅为300Hz，因此，利用该传感器可以捕捉到10阶或更高的谐波特性，完全可以满足实验的要求。该传感器直径只有2mm ，便于采用轴向布置方式安装在靠近转子叶片前缘、中部、尾缘的机匣上，以便测量转子叶片前缘、中部、尾缘处叶尖间隙非定常流场动态压力分布。

传感器将叶尖间隙流场的压力信号转换成只有几毫伏到几十毫伏的电压信号，通过美国PRESTON公司的8300XWB信号调理器进行放大，再送入信号采集系统中。

信号采集选用JV53500A信号采集系统，其采样端口采样频率*高可达100kHz ，精度为16位。该采集系统触发方式支持外触发，通过外触发方式实现锁相采样，保证系统始终在同一周向位置进行采集。在实验中采用日本Omron公司的E6B22CWZ1X轴编码器作为触发源。由于压缩机转子前端没有静止部件，轴编码器不好直接安装在转子转轴上，但压缩机转子是直接安装在电机转子输出轴上的，因此直接将轴编码器连接在电机转子尾部，放入电机尾部整流罩里，靠电机外壳固定轴编码器。不仅安装方便，还可以避免轴编码器的引入对流场干扰。

为了降低变频器和电机等对测量系统的干扰，实验中采取电机接地、传感器信号线双绞外套屏蔽网，传感器采用正负电源供电、调理器低通滤波等措施来提高测量的精度。压缩机出口背压直接通过静压测量系统获得。

1. 3实验方案及数据处理试验前，对整个测量系统进行标定，采集器自动将采集到的传感器电压信号转换成流场中压力信号。

试验中，采样频率设为100kHz ，采样长度为100k.实验采集了出口背压调节蝶阀全开（α= 0°） ，转子转速ω为1500r/ min、2000r/ min、2500r/ min、3000r/ min时叶尖间隙动态压力场波形，以及转子转速为2500r/ min ，背压调节蝶阀开启度α为0°、20°、25°、30°、35°时的叶尖间隙动态压力场波形及压缩机出口背压。

由于重点研究叶尖间隙非定常脉动压力场，因此对采集到的动态压力时域波形数据进行如下公式计算，得到关于脉动压力P～的波形数据，这里P为压力平均值。P～= P - P ， P = 1 n 6 n- 1 i =0 p i（1）*后通过对快速傅立叶变换FFT计算，得到相应的动态压力频谱。

2结果分析2. 1转子叶尖间隙中部压力脉动波形分析

转子转速为2500r/ min时，转子叶尖间隙中部压力脉动时域图和幅频图。

由其时域图可以看出，压力波形存在一定的周期性，这是因为压力传感器在扫过每个叶片通道时，压力会从转子上一个叶片叶背取得的极小值到下一个叶片的叶盆时取得极大值。而压力传感器扫描经过一个动叶时，其压力脉动波形由极大值变到极小值，但是其变化较复杂。

由时域图可知，仅能从时域图中获得很少的信息。而从幅频图中可以看到，分别在频率为250Hz ，500Hz ，750Hz等倍频上出现波峰，并且峰值依次减小，其中，250Hz称为主频。这些峰是由于测量时压力传感器扫描转子叶片得到的，因为压力传感器在从一个叶片的叶背扫描到下一个叶片的叶背时，压力先从极小值变成极大值，转而又变成极小值，完成一个周期。主频的频率f与压缩机的转子叶片数n及转子转速ω具有如下确定的关系，即f =ωn 60（2）因此，在中所示的工况下，压力传感器扫描转子叶片频率f = 2500×6/ 60 = 250Hz ，该频率与幅频图中所示的频率吻合。

2. 2转子速度变化对叶尖间隙中部压力脉动频谱特性的影响给出了出口背压调节蝶阀开启度α为20°，转子转速ω分别为1500r/ min、2000r/ min、2500r/ min、3000r/ min时，转子叶尖间隙中部压力脉动幅频对比。可以看出，随着转子转速的提高，主频、二阶频、三阶频等的频率逐渐增大；主频、二阶频、三阶频等处峰值随着转子转速的提高有所提高，表现为叶尖中部端壁压力场周向不均匀度增大，压力场沿周向周期性明显。

2. 3出口背压变化对叶尖间隙中部压力脉动频谱特性的影响给出了转子转速ω为2500r/ min ，出口背压调节蝶阀开启度α为0°、20°、25°、30°、35°时，转子叶尖间隙中部压力脉动幅频对比图。图中已标示了各个状态下由静压测量系统测得压缩机出口背压p。

随着出口背压阀门角度α提高，压缩机出口截面减小，导致出口背压提高，主频、二阶频、三阶频等处峰值却随之下降，表现为压缩机出口背压的变化对上游转子处的压力场分布有影响，导致叶尖中部端壁流场周向不均匀度减小。

2. 4叶尖间隙流场压力脉动频谱特性在前缘，叶中、尾缘的对比给出了转子转速ω为2500r/ min ，出口背压调节蝶阀开启度α为20°时，转子叶尖前缘、中部、尾缘处间隙流场压力脉动幅频对比图。由图可以看出，频（250Hz）及其倍频。主频，二倍频等在前缘、叶中、尾缘处的峰值相差较大，叶中*大，前缘次之，尾缘*小。这说明间隙压力场在叶间中部的压力脉动幅度较大，在此处的压力场周向周期性较好；在前缘，频谱中还存在着二倍频、三倍频等倍频，但在尾缘处频谱中的二倍频等倍频峰值很小，这是因为在尾缘处气流处在静子和转子之间，此处气流存在着尾迹流，静叶和动叶的相互干涉等二次流动影响，使得叶尖中部脉动较大的气流流到该处，脉动量逐渐减小，周期性非常差。

3结论利用频谱分析的方法来研究转子叶尖中部非定常压力场，得到了如下的结论：（1）叶尖间隙中部压力脉动频谱图中存在着与转速密切相关的频率即主频，该频率只与转子转速和转子叶片数相关，与压缩机出口背压无关。随着转速升高，主频频率相应增大；频谱图中均存在着主频相关的二倍频、三倍频等倍频；（2）主频及其倍频处峰值随着转子转速的提高而增大，而随着出口背压的提高而降低；这说明，随着转速的升高和背压的降低，转子叶尖中部端壁非定常压力场周向不均匀度增大；（3）主频在叶中处峰值*大，表现为该处的压力场周向不均匀度高，周向周期性明显；在尾缘处，主频峰值较小，二倍频等峰值接近于零，表现为此处流场受到二次流等因素的强烈干扰，流场周向周期性差。