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轴流通风机转子叶尖间隙非定常流动图谱测量与分析

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轴流通风机转子叶尖间隙非定常流动图谱测量与分析

刘 波 王掩刚 周 强 / 西北工业大学动力与能源学院
马昌友 / 中国燃气涡轮研究院

摘要:借助动态压力测量设备和测试技术完成了某轴流通风机转子叶尖间隙非定常流动的测量过程,通过对叶尖间隙的端壁压力的测量,得到叶尖间隙非定常流动压力频谱,揭示出转子前后间隙流动演变过程,为深入了解叶尖间隙非定常流动及建立间隙流 /主流相干模型提供了试验依据。
关键词:轴流式通风机;间隙流动;非定常流动;频谱特性
中图分类号:TH432.1    文献标识码:B
文章编号:1006-8155(2007)05-0012-04
Measurement and Analysis on Tip Clearance Unsteady Flow Spectrum in an Axial-flow Fan Rotor
Abstract: The dynamic pressure measure device and test technology have been described in this paper to investigate tip clearance unsteady flow in an axial-flow rotor. Through analyzing pressure frequency spectrum acquired from measuring the unsteady pressure field of the tip endwall, the paper revealed the tip clearance unsteady flow development from inlet to outlet of the rotor. The experiment provides test basis for thoroughly understanding the tip clearance unsteady flow and building interaction model of tip clearance flow and main flow.
Key words: axial-flow fan; tip clearance flow; unsteady flow spectrum properties

0 引言

  风机内部的复杂流道形状决定了其内部流动是一个复杂的三维流动,多年以来关于风机内部流动的研究工作,是在时间和空间结构上都做了一定简化处理后的条件下开展的,并总结出了针对单一流动部件的定常流动理论。

  然而,这种基于定常流动理论的风机气动设计已经越来越不能满足风机朝着高负荷、高效率、低噪声型方向发展的需要。因此,研究风机内部的非定常特性,掌握非定常流场结构和能量损失机理,改进现有的风机定常气动设计理论,提出更符合风机内部流动实际特性的非定常流动理论,已成为当前国际上风机研究领域的发展趋势。

  通常情况下,在轴流通风机叶片顶部与机匣端面之间存在着一定的间隙,由于叶片顶部间隙的存在,使得通过间隙的泄漏流动不可避免,近年来对间隙流动问题的研究受到了国内外学者的极大关注 [1-4] 。本文尝试在一台单级轴流通风机试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。通过分析压力脉动的频谱特性,从而获得叶尖间隙流动规律,同时与通风机的气动性能和气流稳定性相关联。

1 试验设备

  该试验是在一小型轴流通风机试验台上进行的,如图1所示 , 其基本参数见表1。该风机机匣为透明有机玻璃筒制成。通风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。在风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 风机出口截面积,从而控制风机出口流量,达到改变 风 机出口背压的目的。

  表 1 轴流通风机的基本参数

转子设计转速/(r/min )

0~3000

外筒内径 /mm

380

转子叶片数Z/个

6

转子轮毂比

0.37

静子叶片数/个

13

叶尖间隙 /mm

3.55

2 测量系统

  整个测量系统如图2所示,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。

图 2 测量系统框图

2.1 动态压力传感器选型与安装

  选用美国Kulite公司的XCQ-080-5D表压式动态压力传感器来测量转子叶尖间隙非定常流场动态压力分布。该传感器直径只有2mm,从而便于在轴向分布较多的测点。该传感器的响应频率为300kHz,而该风机在最高转速3000r/min时,叶尖间隙非定常流动的脉动频率也仅为300Hz,因此,该传感器可以捕捉到10阶或更高的谐波特性,完全可以满足试验的要求。

  如图3所示,动态压力传感器采用轴向均匀布点方式安装在机匣上,安装位置分别是转子叶尖前缘前端A处、转子叶尖前缘B处、转子叶尖中部C处、转子叶尖后缘D处、转子叶尖后缘后端E处。测量时采用同一个Kulite高频动态压力传感器,目的是消除用不同传感器测量可能带来的差别[4] 。为便于安装和拆卸,传感器先胶粘在一个保护套里,然后安装在有机玻璃机匣上。传感器相隔距离为Δh ,该值与叶片叶尖的弦长b和安装角βy有如下关系:

2.2 信号调理器

  传感器信号通常比较小,特别是本试验所使用的传感器的灵敏度为20mV/PSI,约0.003mV/Pa。本风机在最大转速下的压力最大不超过1000Pa ,因此 , 采集器在进行模/数转换前,必须经过信号调理器进行放大,将几毫伏或几十毫伏的电压信号放大到0~10V,否则最终采集到的数字信号精度无法保证。

  另外,由于风机转子是由变频电机驱动,电机电源又是由变频器产生的变频电源。在风机转动中会产生非常严重的高频电磁干扰,会通过辐射对测量的真实信号进行干扰。为有效消除变频电机和变频器的干扰,不仅要进行干扰信号屏蔽措施,如电机外壳接地、信号线屏蔽、传感器正负电源供电等,还要通过信号调理器进行低通滤波,将高频干扰信号有效消除。

  本试验采用美国PRESTON 8300XWB信号调理器。该信号调理器可以将信号准确放大至500倍,同时可对信号进行低通滤波。本试验采用放大倍数为1000 ,低通截止频率为10kHz,经试验,达到试验要求。

2.3 信号采集

  在本试验中,信号采集选用美国IOtech公司WaveBook/516E信号采集系统,其采样端口采样频率最高可达1MHz ,精度为16位。该采集系统触发方式支持外触发,在本试验中采用安装在变频电机尾侧的日本Omron公司的E6B2-CWZ1X编码器作为触发源,从而实现锁相采样,保证系统始终在同一周向位置采集各测量站的压力信号。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。

3 数据处理
  (1)无量纲单位化。使用式(2),对压力波形数据进行无量纲单位化。

  (2)FFT变换。利用傅立叶公式将无量纲时域信号转变成无量纲频域信号,画出频谱(幅频、相频)特性图。

  笔者利用 LabWindows/CVI 编程软件中功能强大的信号处理函数,编写出相应的数据后处理软件,实现将原始信号进行数据计算,绘图等处理过程,见图4。

4 试验结果及分析

  表2给出了A B C D E 5个测量站压力时域波形未进行无量纲转换时平均值p和标准偏差 StdDev,风机的转速为3000r/min,出口无节流。 反映了端壁气流的静压的大小,而StdDev反映了端壁气流压力脉动的程度。由表2看出,端壁气流从转子前进入,p为负值,此段为吸气过程;通过转子叶片给气流做功,气流的静压逐渐提高,此段为排气过程。而StdDev值却是先变大再逐渐变小,并在C测量站处取得最大值,说明转子叶尖间隙流动在此处受到转子转动产生的非定常效应比较明显。

表2 各测量站压力脉动波形平均值和标准偏差

测量站

A

B

C

D

E

平均值/Pa

- 54

- 6

17

107

180

标准偏差/Pa

122.5

304.3

330.2

145.3

107.7

  图5给出了转子转速n为2500r/min ,出口背压蝶阀全开,各测量站的无量纲压力脉动波形时域图。从图中看出, 5个测量站的动态压力都呈现一定的周期性, 其周期正好是相邻两个转子叶片通过传感器的时间间隔。在周期性压力波形里还夹杂着一些脉动分量,这些脉动分量的存在表现出叶尖间隙处流场中流动极其复杂。值得注意的是:位于叶尖前缘前端 A 处的压力波形也呈现明显的周期性,这说明,转子处的周向不均匀压力场向气流上游传播,使得即使均匀进气的气流在进入叶片流道之前,其气流已经不再是周向均匀。另外, 同其它测量站相比, E 测量站压力波形周期性最差。

  由图5可知,仅能从时域图中获得很少的信息。而图6则是时域波形通过快速傅立叶(FFT)变换,得到相应的压力脉动频谱特性图。从图中看出,A、B、C、D、E 测量站均在300Hz处存在幅值相对较大的峰,即一阶谱。该峰频率 f1只与转子转速n和转子叶片数Z相关,即f1=Zn/60 ,等于叶片通过频率,这与文献[5]是吻合的。另外,频谱中还存在着二阶谱、三阶谱等高阶谱。各阶谱频率恰好为一阶谱频率的整数倍,而其幅值越来越小。对比A、B、C、D、E 5个测量站,C处的各阶谱的幅值均较其它测量站大,能够看见5阶谱,这说明该处的气流脉动比较大,周向周期性较好;而E处的只能看见一阶谱,其峰值相对其它测量站均较小,并且在图中看到其它若干个峰存在,这是因为E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,周期性较差,这与图 5 是一致的。

5 结论

  (1)介绍了轴流通风机转子叶尖间隙非定常流动动态压力测量设备和测试技术在试验中的成功应  (2) 叶尖间隙处气流非定常流动脉动频率与转子的转速和转子叶片的数量成正比。
  (3)气流在进入转子间隙之前,由于转子转动产生的非定常效应向上游传播,气流并非均匀 , 脉动较大,且具有明显的周向周期性;在转子间隙中部,气流的非定常脉动较大,周向周期性较好;而由于转子尾迹流、静叶和动叶的相互干涉等二次流动影响,气流在离开叶片间隙后,气流脉动量减小,周期性不明显,气流流动变得非常复杂。

参 考 文 献

[1] J.J.Adamczyk, et al. The role of tip clearance in high-speed fan stall[J]. ASME Journal of Turbomachinery, 1993, 115(1):28-39.
[2] 杜嘉陵.轴流通风机叶端间隙引起的压力损失[J].风机技术,1997(1): 11-14 .
[3] 桂幸民,王同庆,于清,等. 跨音速压气机转子叶尖流场试验与分析[J].工程热物理学报,1998,19(5): 553-558.
[4] 马宏伟,蒋浩康.从端壁动态压力场看压气机转子叶尖流动[J].工程热物理学报,2000,21(1):42-45.
[5] 张燎原,胡俊.轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验技术[J]. 燃气涡轮试验与研究 ,2004,17(1):46-49.      

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  评论人:horny   打分:85 分  发表时间:2015-8-13 7:16:21
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