基于声模态分解的风扇叶盘同步振动辨识

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27066

固体力学与飞行器总体设计

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基于声模态分解的风扇叶盘同步振动辨识

文璧¹^,², 乔百杰¹(), 李泽芃¹, 李镇东¹, 王艳丰³, 陈雪峰¹

^1.西安交通大学机械工程学院，西安 710049
^2.航空发动机高空模拟技术重点实验室，绵阳 621000
^3.中国航发集团四川燃气涡轮研究院，绵阳 621000

收稿日期:2022-02-23 修回日期:2022-05-07 接受日期:2022-06-20 出版日期:2023-02-06 发布日期:2022-07-08
通讯作者: 乔百杰 E-mail:qiao1224@xjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52075414)

Synchronous vibration identification of fan blisk based on acoustic mode decomposition

Bi WEN¹^,², Baijie QIAO¹(), Zepeng LI¹, Zhendong LI¹, Yanfeng WANG³, Xuefeng CHEN¹

^1.School of Mechanical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China
^2.Aero?Engine High Altitude Simulation Key Laboratory，Mianyang 621000，China
^3.Sichuan Gas Turbine Research Institute，Aero-Engine Corporation of China，Mianyang 621000，China

Received:2022-02-23 Revised:2022-05-07 Accepted:2022-06-20 Online:2023-02-06 Published:2022-07-08
Contact: Baijie QIAO E-mail:qiao1224@xjtu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52075414)

摘要/Abstract

摘要：

采用非接触式非侵入式的测量方法实现航空发动机叶盘振动测量，对发动机研制、试验、运行安全具有重要意义。提出基于声模态分解的叶盘同步振动辨识方法，在某三级风扇试验器的进气道布置环形声阵列，作为参照并在动叶布置若干应变片，开展升降速试验。分析声压信号的叶片通过频率随转速的变化规律，对动叶一阶通过频率下的声阵列信号进行声模态分解，结合应变片实测的动叶坎贝尔图，建立主导声模态数与叶盘节径数的映射关系。声场和动应力测试结果表明：当主导声模态数与叶盘节径相等时，动叶发生共振现象，此时可有效地对风扇叶盘同步振动进行辨识；动叶与前后叶排静叶都存在转静干涉现象，声压信号呈现为窄带宽频，形成声模态离散，造成动叶表现为多模态振动；声压信号是叶片不同振动模态的气动载荷分布的综合反映，具有好的灵敏性和完备性，可实现航空发动机动叶非接触式非侵入式振动测量。

关键词: 声阵列, 声模态分解, 坎贝尔图, 同步振动, 转静干涉, 动应力

Abstract:

It is important to apply the non-contact and non-invasive approach to the vibration measurement of aero-engine blisks in aero-engine development， experiments and safety operation. An acoustic mode decomposition based approach is proposed to realize the identification of synchronous vibration of the blisk. The run-up and run-down experiment of a three-stage fan test rig is conducted， where the ring microphone array is placed at the inlet duct and several strain gauges are glued on the rotor blade. The Blade Passing Frequency （BPF） of the acoustic pressure signal is analyzed with respect to the rotational speed. With the mode decomposition at BPF and the Campbell diagram， the mapping relationship between the dominant mode order and the nodal diameter number of the blisk is established. The results of acoustic and vibration tests show that the resonance of the blade occurs when the number of the dominant mode order equals to the nodal diameter number of the blisk， where the proposed approach can effectively identify the synchronous vibration parameters of the blisk； the rotor blades have interacted with both the forward and backward rows of stator vanes， where the generated acoustic modes hold broadband characteristics and the mode scattering phenomenon occurs， leading to the multi-modal vibration of the rotor blade； the acoustic pressure can sensitively mirror different modes of blade vibration， and hence can be employed for the non-contact and non-invasive measurement of the aero-engine vibration.

Key words: microphone array, acoustic mode decomposition, Campbell diagram, synchronous vibration, rotor?stator interaction, dynamic stress

中图分类号:

V232.4

文璧, 乔百杰, 李泽芃, 李镇东, 王艳丰, 陈雪峰. 基于声模态分解的风扇叶盘同步振动辨识[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 227066-227066.

Bi WEN, Baijie QIAO, Zepeng LI, Zhendong LI, Yanfeng WANG, Xuefeng CHEN. Synchronous vibration identification of fan blisk based on acoustic mode decomposition[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(6): 227066-227066.

图/表 21

图 1

图 2

表 1

图 3

图 4

表 2

一级转静子和进气支板叶片数量

叶片类别	数量
支板叶片IGV- $S 1$	V₁=17
一级转子叶片 $R 1$	B=22
一级静子叶片 $S 1$	V₂=15

表 2

图 5

图 6

图 7

图 8

表 3

一级转子动应力A测点的主要激励及幅值统计

激励阶次	峰值转速/（r·min^-1）	峰值频率/Hz	振幅/ $10 - 6$
17	4 560	1 292.1	636.1
	6 795	1 925.3	187.2
	7 487	2 121.5	139.9
34	6 648	3 767.4	103.8
	8 188	4 640.2	103.2
	8 470	4 799.7	93.9
	10 293	5 832.7	104.3
51	6 801	5 781.4	305.9

表 3

图 9

图 10

表 4

一级转子动应力B测点和C测点的17阶激励及幅值

测点	激励阶次	峰值转速/（r·min^-1）	峰值频率/Hz	振幅/ $10 - 6$
B	17	4 566.0	1 293.7	712.0
		5 758.2	1 631.5	787.6
		7 497.4	2 124.3	629.5
		9 485.2	2 687.5	246.7
		10 724.0	3 038.5	243.2
C	17	5 758.2	1 631.5	185.6
		6 792.7	1 924.6	2 000.0
		10 719.0	3 037.1	364.9

表 4

表5

转静干涉潜在的声模态数

模态数	$ς 1$ （S₀）	$h$ （R₁）	$ς 2$ （S₁）	m	EO
1	-1	0	1	-2	2
2	-2	0	2	-4	4
3	0	1	-2	-8	30
5	-1	1	-1	-10	32
6	0	1	-1	7	15
7	-1	1	0	5	17
8	-2	1	1	3	19
9	-1	2	-2	-3	47
10	-2	2	-1	-5	49
11	-2	2	0	10	34

表5

图 11

表 6

图 12

图 13

表 7

图 14

参考文献 22

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	General Editorial Board of Aeroengine Design Manual. Aeroengine design manual： Volume 18： Strength analysis of blade disc and spindle［M］. Beijing： Aviation Industry Press， 2001 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

设计参数	数值
进口空气质量流量/（kg·s^-1）	89
风扇最大半径/mm	399
主流轴向马赫数	0.67

转速/ （r·min^-1）	主要模态m	激励辨识	1st BPF峰值声压级/dB
4 500	5	B-V₁	133
5 525	5	B-V₁	132
6 550	5	B-V₁	134
7 675	-12	B-2V₁	133
8 880	-10	B-V₁-V₂	131
9 300	3	B-2V₁+V₂	135
10 580	3	B-2V₁+V₂	138

测点类型	EO	n	对应转速/（r·min^-1）
C	17	10	10 725
C	4	2	10 698

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基于声模态分解的风扇叶盘同步振动辨识

Synchronous vibration identification of fan blisk based on acoustic mode decomposition

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模态数	$ς 1$ （S₀）	$h$ （R₁）	$ς 2$ （S₁）	m	EO
1	-1	0	1	-2	2
2	-2	0	2	-4	4
3	0	1	-2	-8	30
5	-1	1	-1	-10	32
6	0	1	-1	7	15
7	-1	1	0	5	17
8	-2	1	1	3	19
9	-1	2	-2	-3	47
10	-2	2	-1	-5	49
11	-2	2	0	10	34

模态数	$ς 1$ （S₀）	$h$ （R₁）	$ς 2$ （S₁）	m	EO
1	-1	0	1	-2	2
2	-2	0	2	-4	4
3	0	1	-2	-8	30
5	-1	1	-1	-10	32
6	0	1	-1	7	15
7	-1	1	0	5	17
8	-2	1	1	3	19
9	-1	2	-2	-3	47
10	-2	2	-1	-5	49
11	-2	2	0	10	34

模态数	$ς 1$ （S₀）	$h$ （R₁）	$ς 2$ （S₁）	m	EO
1	-1	0	1	-2	2
2	-2	0	2	-4	4
3	0	1	-2	-8	30
5	-1	1	-1	-10	32
6	0	1	-1	7	15
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9	-1	2	-2	-3	47
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