观察旋转不稳定和尖峰型高速多级压气机失速《盗梦空间》

文摘

这项工作研究高频测量的贡献的理解不同的摊位盗梦空间类型在高速多级压缩机。3.5阶段高速轴向多级压气机与2 MW试验装置研究了Laboratoire de Mecanique des流体et d 'Acoustique (LMFA)高等舟状骨里昂,法国。两种不同类型的不稳定性出现在这个压缩机轴转速的函数。速度部分,称为“旋转不稳定”的争议与测量流场调制类型识别。新结果是不稳定的周期行为的示范和类比古典调频,周期不稳定的一个革命。此外,不稳定的振幅调制的时间内转子的革命。在额定速度,突然飙升类型失速检测到《盗梦空间》,通常不到五转子革命。

1。介绍

在低质量流率的操作范围内,每个轴流式压缩机最终将旋转失速的经验,一个或多个本地旋转分离流动细胞(s)。这可以跟着飙升,这是一个不稳定的系统与一个可能的全球流动逆转。有两个公认为低收入和高速轴向旋转失速盗梦空间类型压缩机:模态和峰值1),虽然弱扰动可以旋转旋转失速前《盗梦空间》,允许一个稳定压缩系统操作。他们通常报告为旋转不稳定在文献[2]。

需要详细的测量在高速轴流压缩机和他们的分析明确了天1)2015年回顾75年的拖延研究和来自流特性,只能发现在高速压缩机。环境构成挑战的测量成本和技术但不稳定引起的测量是必要的理解真正的飞机发动机压气机。数值研究可以用于补充流场理解但其局限性(特别是引起了建模的使用)需要考虑。

的摊位《盗梦空间》描述了一个发病机制从一个当地的强烈扰动流场的地区的转子。最近的数值和实验工作收敛解释典型的墙压力的增加和减少涡结构形成在转子叶片的前缘和跨越套管(“龙卷风漩涡”)。井上et al。3确认这个数值,和最近的数值和实验工作Pullan et al。4这些结果支持。在高速压缩机,穗型结构发展很快(几转子革命)变成一个旋转失速细胞。

旋转干扰可以观察到已经在失速的质量流率大于初始点和显示为普通调制增兵前的流场。这个障碍不引起显著流堵塞有关转子相反旋转失速。他们有时被报告为高频旋转失速(5)或压力波(6),细胞数量和转速高于与旋转失速的观察。

一定争议称为旋转不稳定(RI)可以被理解为一个旋转干扰的子类型。国际扶轮诱发的特征频率碰撞(或耙)压力谱相比,一个旋转干扰峰。国际扶轮的源机制似乎是高峰的形成密切相关,井上et al。7和山田等。8]。国际扶轮大多发生在低速压缩机和大转子尖缺口。一个流动分离发生在通常是一个转子叶片的前缘,造成可能的前缘涡。流动分离也可以引发一个角落分离情况下没有提示缺口被Beselt et al。9]。最终导致“不稳定的”行为,导致多个频率,必须确定。

首先,高速多级压缩机测试用例并将实验方法。然后,将讨论两种类型的不稳定:高峰和旋转不稳定。突然飙升的高频测量允许表征类型摊位初始速度标称轴。此外,这项工作将原始结果的周期性行为轴转速旋转不稳定部分,相反将命名的文学。

2。测试用例(创建)

对于这个工作,研究压缩机创建(Compresseur de矫揉造作的倒向我des运用Aerodynamiques et TEchnologiques)在实验室研究了流体力学和声学(LMFA)在舟状骨德里昂,法国。3.5阶段的几何和转速高速轴向研究压缩机高压压缩机的代表值后的现代涡轮喷气发动机,由赛飞机引擎设计的。

压缩机和测量飞机呈现在图1。转子轴驱动的设计速度11543转,即略跨声速流动在第一阶段,充分亚音速在过去的两个阶段。更多的特点创建给出了在表1。空间圆周3.5阶段的周期性是减少到2/ 16通过选择所有数字的叶片16的倍数,如上所述的表2。因此一个时间周期对应于转子的革命。深刻的知识库与创建数值和实验方法获得针对在高速多级压气机流场调查环境(10- - - - - -13]。小费标准差距大小实现相比,增加提示缺口转子2和3的先前版本创建。

3所示。实验方法

高频套管压力测量的主要特点进行了总结以下。此外,全球性能进行测量,但没有详细描述。Ottavy et al。10]国家更多的细节关于这个测试平台和实验方法的给出一个详尽的介绍,而只有以下给出一个简短的总结。

3.1。高频壁静压测量

高频壁静压测量进行了流场的一般描述和研究附近出现不稳定的增长和《盗梦空间》。获取所有流的非定常特性,墙上静压测量已同时获得500 kHz的频率使用48传感器(Kulite: xte - 190)。6个探针可以安装每interrow平面和12探针转子小费。没有他们的保护网格,使用的传感器,有一个正确的大约160 kHz频率特性,转子2和3的带通滤波器对应15 kHz。更多细节关于high-frequency-response采集系统规定的作品Gourdain et al。11]和Courtiade [14),表中给出了相对测量的不确定性3。

3.2。数据处理方法

数据处理完成后一直在这工作,定义以下。等熵效率,质量流率和压力比归一化各自的最大值或作为区别。熵,温度和压力是归一化的总体时间意味着增加压缩机根据(1)。时间轴可能是由轴的旋转频率归一化。无量纲的数据标记“规范化”(或“规范”)。 静态变量是用算术方法平均在太空,而迁移变量()由轴向速度weight-averaged ()根据 时间平均执行算术平均值。

在这项工作中,旋转频率的流结构的帮助下获得的信号之间的互关联探测信号(例如,信号1和2)位于相同的轴向位置但不同周向位置。互相关允许之间的时间延迟估计的流结构的探针1,前面的探针2。之间的时间延迟估计的自相关信号的最大1和最大值之间的互相关信号1和2。

知道圆周探针之间的距离(弧度)和滞后时间(以秒为单位),一个旋转的频率()可以根据计算

4所示。摊位压缩机创建《盗梦空间》

失速《盗梦空间》类型的函数在这个高速压缩机转子转速。在现在这个工作因此可能观察旋转不稳定和峰值。

4.1。全球概览

全球总压强比率为80%,90%,和100%的轴转速呈现在图2并给出识别不稳定的压缩机概述。压力上升分布达到一个相当平坦部分对系统分为前的低质量流率飙升(见“近似喘振线”)。通常被称为“峰值”的压力分布是不超过在任何转速上升。测量允许峰值检测的类型开始停滞在100%轴转速和旋转不稳定(RI)失速型初始速度轴部分。这项工作将有关这两个观察和详细的测量数据不稳定在80%(代表速度流场部分)和100%的轴旋转速度。

在这个压缩机和往常一样在一个匹配的多级压缩机(1),不稳定和失速《盗梦空间》发生在转子1。不稳定发生的一般特征描述图的帮助下3左侧轴转速80%和100%的轴速度在右边。提出了六个信号/速度。他们从高频获得套管压力探针定位在围在一个平面转子上游1。对于这些激增开始测量,不断出口节流阀关闭,慢慢地从一个稳定的操作点,给准稳定的操作条件,避免“步骤”压力信号的一代当节流逐步关闭。以下信号low-pass-filtered 23所示的带通滤波器,转子革命。

两轴的速度,一个旋转失速细胞形式旋转14至18岁。细胞快速增长的圆周扩展两个旋转而旋转0.6Ω细胞的勒(与互关联据估计(3))。压缩机突然下降到革命18至20。

轴转速80%,不稳定存在于成百上千的旋转旋转失速前细胞(量化后的图7)。它被视为有点噪音的信号。旋转失速的细胞形式(黑色虚线圆)没有任何检测跟踪spikelike流扰动的压缩机。旋转失速细胞之间的差异和RI签名将讨论小波分析。

轴转速100%,典型的增减相关峰值型扰动被发现(4]。静态压力的增加和减少扩展每个四转子叶片通过实例(这里不详细)。在第一次检测、转速的上升大约0.9086Ω之间的互关联的帮助下六个信号,应用(3)。尖峰结构的演变在不到2转子转到一个旋转失速细胞,形成革命16。整个轴速度和初始过程突然停滞在100%花费不到20转子革命在任何测量情况下和失速警告系统无法在短时间内做出反应。

研究轴速度,时间模式1(规范化的轴旋转频率)存在于转子1中的流场。在80%,这个模式会导致旋转的调制不稳定性,可以发现在图的波状的调制信号3(一个)。轴转速100%,模式1是明显更好,因为没有不稳定的流场。这种模式下的旋转速度对应于轴的旋转速度。因此可能是转子几何违约的签名。这个默认可能发现在大约4 - 8叶片(压力峰值的时间扩展)用不同的技巧差距比周围的叶片进一步提示差距支持这一假设的测量是必要的。这可能是几何触发的发病高峰《盗梦空间》。Weichert和天15)发现,90%的失速初始事件,调查的扰动将会形成相同的转子通道由于几何违约。

小波光谱应当澄清时间轴的形成不稳定的结构在失速《盗梦空间》。图4显示了小波功率谱计算的绿色信号(信号从底部二)图3。得到小波频谱使用的工具一如和混合涂料16]Morlet小波,涡轮机械应用程序已被证明是有用的,例如,通过林等。17]。小波分析是在每种情况下的输入信号进行归一化标准差计算在上半年的信号。纵轴跟踪归一化频率(轴的旋转频率)和水平轴转子革命,它对应的图3。

以80%的速度,国际扶轮被视为一个宽的频带与提升力量。这些频率的起源在这项工作将在稍后讨论。带通滤波器位于光谱的上限。它对应于64年归一化频率而国际扶轮频段可以看到大约18岁。带通滤波器不受旋转不稳定。旋转失速细胞表现为垂直小波频谱的痕迹。低频旋转失速和相关内容激增导致高功率区(红色)。没有interblade压力梯度由于分离流的旋转失速(细胞)发现作为一个中断的带通滤波器跟踪小波频谱。飙升最终被视为一个混乱的频谱没有明确对转子频率含量从革命19。

轴转速100%,模式(图1是礼物4 (b)《盗梦空间》)的旋转失速。跟踪模式1不再可能一旦出现低频内容(大白色区域)和一个清晰的模式1和峰值之间的联系是不可能的。高峰是在归一化频率16。对应的逆时间扩展。64转子叶片,颞扩展对应从而转子叶片传递时间的25%。最近的研究工作表明vortexlike结构作为初始形式的尖峰,例如,Pullan等的工作。4]。现在安排测量探针不检测这个vortexlike不到一个螺距的扩展结构。的结构可能会增长过快压痕测量探针之间的位置。

流扰动是理解为一个旋转失速,不再上升或国际扶轮,干扰带通滤波器时,因为缺乏interblade压力梯度。这个边界是用虚线表示(用箭头两端)为轴旋转速度。

罚款峰值检测方法和RI频带的起源是本文中讨论以下的部分。

4.2。峰值检测方法

失速《盗梦空间》的时间和空间位置确定与上述套管压力信号的分析转子(靠近LE) 200多转子革命之前任何《盗梦空间》。一个例子给出了飙升的输入轴转速图开始停滞在100%5。对于这个检测方法,信号代表每个时间周期(切成段 )和下面low-pass-filtered叶片通过频率在7 kHz,允许小(与带通滤波器相比)的检测摊位《盗梦空间》相关的干扰。每段之间的互相关计算和相应的早些时候的一个革命(自相关)。归一化自相关,相关系数为1表示两个信号之间的完美匹配。互关联的最大值/时间周期最终策划并给予罚款措施有意义的流场的变化。这个摊位前体提出的检测方法类似于一个Dhingra et al。18]。高峰将降低最大相关系数。请注意,转子革命数字图5不相关的图吗5早些时候。

在全球范围内,流动方向不稳定增加。这被视为增加背景噪音或乐队的波动在0.99和1之间。的《盗梦空间》发生在革命208年和209年之间,发现如下系数下降值为0.925。在这个例子中,一个扰动出现大约20革命浪潮之前《盗梦空间》在转子1(理解为“predisturbance”)。它使系数降至一个值外的噪音乐队。仪器的设置中,这并不总是观察之前《盗梦空间》在这个压缩机。在所有激增开始测量,之前的“最后”干扰膨胀首先发生在转子1。这可以看到放大的图5在207年革命。在同一革命,干扰也发现转子2。在没有测量,转子2显示了扰动前的转子1。此外,predisturbances只出现在转子1和从未在转子2或3。出现扰动总是最后在转子3中,只有当上游扰动的结果。总之,干扰导致压气机的失速《盗梦空间》发生在转子1。

这种方法也适用于测量部分轴速度但飙升等独特的微扰没有检测到(这里没有显示)。观察国际扶轮和失速流场中出现的《盗梦空间》与国际扶轮将呈现以下。

4.3。旋转不稳定(RI)

为一个操作点接近失速极限,频率谱得到信号的高频套管压力传感器轴向靠近转子1前沿,提出了三个轴的速度(ΩΩΩ80%,90%,和100%)图6。相对应的输入信号有一个长度约400转子革命,和光谱综合6赫兹/Ω的乐队来减少噪音。总是接近失速时极限速度部分ΩΩ(80%和90%)创建压缩机,增加了几个振幅(形成一个“撞”)是这些频率光谱中观察到约30%的无量纲叶片通过频率(12到24相比,64)。撞的最大振幅达到约12%的带通滤波器的转子1。也是这样在测量之前版本的压缩机部分速度但没有被调查。这些频率不出现在95%Ω在前面的压缩版本。因此飙升的开关型失速盗梦空间类型与多个频率90%Ω和95%Ω之间可能会发生。可用的测量数据不允许这个开关与流场的变化。

旋转不稳定的多个峰值特征通常报告文学。离散的山峰被发现在相同的归一化频率比较多个测量两个轴的速度提出了一部分。国际扶轮的峰值出现在nonintegers轴的速度。这与100%的轴转速不同,峰值出现在相同的频率范围,但谐波的轴转速,或对应于谐波16与压缩机周期性。轴转速100%,noninteger异常的归一化频率约为9.3。是不相关的国际扶轮但可能与下游转子的声学现象,指在Courtiade和Ottavy [6]。

国际扶轮的峰值频率差距是恒定的,是国际扶轮的特征。这山峰和旋转频率之间的联系也被Kameier和Neise [19]。它对应于国际扶轮的旋转频率。在目前的情况下,旋转速度()已经从信号之间的互关联计算获得在不同周向位置转子上游1,应用(3)。它会导致 ,这完全符合国际扶轮撞击的频率峰值之间的差距。

旋转频率为0.5Ω0.65Ω已报告在几个工作RI ([2,20.- - - - - -22井上])和0.7Ω报道了et al。7]。注意,在这些引用费利克斯等人的作品。20.)和Vignau-Tuquet普吉拉多市(22高压压缩机)进行。0.9Ω的转速也被报道Zhang et al。23在一个数值在涡轮工作在本地压缩机在低质量流率。在目前的情况下, 出现高但不是什么范围内的报告文学。发现的最大振幅接近转子1勒并没有跟踪转子不稳定的2和3(这里不详细)。同样,Mailach et al。2]报道的最大国际扶轮振幅的30%的转子叶片的共鸣。而且我们从他们的工作(和其他人)知道国际扶轮跟踪通常是有限的跨度对套管的10%。

图7介绍国际扶轮撞的振幅进化数以百计的旋转对《盗梦空间》。国际扶轮的时间演进(集成在归一化频率从11到24)和转子1带通滤波器提出了基于套管压力信号从一个探针定位接近转子1勒。颞进化是获得窗口的傅里叶变换使用信号的长度三个转子转/窗口和一个重叠的1.5革命。测量从一个加载稳定的操作点和出口节流阀关闭慢慢地给准稳定的操作条件。压缩机陷入停滞和增加约131秒后从一开始提出的收购。在阀门关闭,带通滤波器减少幅度小于10%的综合振幅RI双打。国际扶轮振幅达到临界水平时(接近失速)超过一半的带通滤波器的振幅在这个压缩机配置。这些信息可以插入失速警告系统。最终,国际扶轮是演变成旋转失速没有检测到尖峰型失速《盗梦空间》,如图3。

下一节的重点是放在国际扶轮的周期性旋转行为在这种压缩机,与提出的不稳定行为命名“旋转不稳定。”

4.3.1。变化的时间扩展国际扶轮的干扰

国际扶轮的观察时间扩展变化扰动将从原始信号图详细的频率分析在这一节中。

图8显示不稳定套管压力信号获得的测量探头靠近LE转子1套。以下信号low-pass-filtered 5 kHz的带通滤波器。连续两个转子革命的一个例子是绘制在红色和黑色。这些信号对应的振荡RI通过前面的调查。灰色的信封是获得压力信号的叠加时间跟踪超过600转子革命。它揭示了时间模式1 /一个转子的革命。找到最小调制大约0.4转子革命和最大调制在转子革命的开始或结束。振幅调制的数量级国际扶轮引起波动。与国际扶轮,振幅调制的影响可能存在国际扶轮的压缩机。每个转子可以想象一下,一次革命,转子叶片不同提示差距比一般通过测量探头和调节国际扶轮振幅。 This is a hypothesis but could not be verified because time-resolved tip gap measurements were not available.

图9也提出了前两个连续压力信号,但现在时间轴等于国际扶轮革命时期( / 0.925转子启)。这两个压力信号是在阶段。这可以显示任何两个任意连续信号。它反映了RIs的时间周期(与旋转频率有关在国际扶轮革命时期。此外,定期间隔的余弦也绘制在图作为参考(黑色虚线)。两个压力信号的峰值是一致的只有很少的时间参考cos。这意味着时间扩展国际扶轮的变化干扰的套管固定探针的角度。这个时间扩展出现周期性变化,因为两个时期之间的良好匹配。另外,之前的效果证明了振幅调制(AM),与模式1图8,这里是可见的。是导致峰两个扶轮革命之间不同的振幅(“红”与“蓝色”)在给定时间点国际扶轮的革命。可以用的事实来解释是不定期国际扶轮的革命,但转子革命。

总之,在场的压力信号波动和非常数的时间阶段在一个对应于一个国际扶轮革命,但国际扶轮的调幅是由转子周期性。

此后,国际扶轮的时间延长的变化引起的波动与小波分析评估。

图10显示了套管压力信号(a) 7点low-pass-filtered千赫(低于带通滤波器)。计算国际扶轮诱导峰值信号不产生常数/转子革命。的短信号长度三个转子革命可能会给时间周期性的另一个印象,因为非常接近一个轴旋转(1 / / 0.925 = 1.081启牧师)。

底部的相同的图,显示了小波功率谱与变焦旋转不稳定的频率。国际扶轮扰动的时间延长的变化被视为一个调制小波频谱。高频率与窄峰值(短时间延长)low-pass-filtered信号,低频,反之亦然。的演化”频率最大小波功率”可以作为一个信号,提取黑色实线勾勒出。

这种“与最大小波功率频率”信号提出了10旋转图(11日)。错误的山峰可以用有限的时间分辨率来解释小波频谱。与傅里叶变换提取信号的频谱计算,如图11 (b)。构成这个信号的主要频率的旋转频率旋转不稳定( )及其谐波。

这个结果可以解释的旋转干扰相对于叶片行似乎引起的周期性调制干扰周长。因此,调制的时间周期对应于1 /= 1.081转子革命。换句话说,一个国际扶轮革命对应1.081转子革命。计数峰值经过600年国际扶轮革命导致平均数20.097峰国际扶轮革命,标准差为1.02峰值。注意,RI革命与21山峰跟随国际扶轮革命19山峰,这解释了标准差。这表明没有改变数量的峰值或转速不稳定在数百RI革命旋转失速《盗梦空间》。

4.3.2。讨论

古典RSI的结果将是一个常规的间隔(时间和空间)浅裂的结构根据泰勒和Sofrin [24),产生一个信号频率谱的峰值压力。多级压气机,Courtiade et al。25]表明,振幅的模式可能会改变,但不是它的频率。国际扶轮不是古典肢体重复性劳损症,因为它是及时发现间隔不规则浅裂的结构。这意味着其结构并不是由刀片行用常数刀片音高。周期时间延长的变化类似于古典调频(FM)的结果,它包含一个高频载波信号和调制信号。此外,调频也被视为多个峰值频谱。在国际扶轮的情况下,载波频率是一个理论未调制的旋转频率的干扰 。旋转引起的扰动可能会在转子叶片吸力面分离涡及其与相邻叶片通道的交互(3]但无法解决相当粗测量网格(12同步墙压力探测器)。调制信号等于国际扶轮的旋转频率 (如发现小波分析)。叶片的相对运动的干扰也会观察到压缩机级联、国际扶轮也可以出现如图所示的Beselt et al。9]。

4.3.3。国际扶轮在失速《盗梦空间》

我们观察到在这个压缩机,一旦一个旋转失速检测到细胞(如当地消失interblade压力梯度),旋转不稳定的频率跟踪消失,如图12。两个探测器的信号(定位在14′和44′转子上游1)进行了分析与小波变换,并归一化频率的振幅变化的转子1给出带通滤波器的两个地图。信号放大约13旋转旋转失速前《盗梦空间》。进行小波变换的时间分辨率允许振幅演化的详细分析。小波分析之间总是会有取舍的频率和时间分辨率。因此这里没有理想带通滤波器的频率分辨率,发现作为一个大型卧式带归一化频率60岁以上。同样,旋转不稳定存在于乐队的归一化频率11 - 24。

失速的《盗梦空间》被视为提升力量的垂直条纹(白色)13.5旋转顶部底部14(14′)和旋转(44′)。注意,转子是将探针1(14′)探针2(44′),所以旋转失速的细胞。接近探头在14′旋转失速细胞形成,导致堵塞,引起流的分流,减少装运在这个转子的一部分,所介绍的埃蒙斯et al。26]。因此,旋转不稳定不再是转子的卸载部门,也就是说,由探测器在44′。这种行为是素描图的总结12(一个)。旋转不稳定消失由于流场的重组。这显示了非常快速响应旋转不稳定的流场的变化。旋转不稳定没有出现一旦建立了旋转失速细胞后可以看到信号的旋转14 14′。

5。结论

这项工作研究利用高频测量旋转不稳定和穗型高速压气机失速《盗梦空间》。

广泛报道的特点在低速旋转不稳定压缩机可以被识别(例如,频率耙和转速)部分速度在这个高速多级压缩机(创建)。高速环境,小费标准差距大小使这个前所未有的测试用例。

原创的新结果旋转不稳定是一个恒定转速的示范(0.925Ω)固定数量的干扰(20)在大量旋转不稳定的革命。扰动的变化随着时间的延长被类似于古典调频(FM),定期对1/0.925Ω,导致了著名的频率耙。此外,一个调幅(AM)发生时,周期性的转子革命,标志着旋转的调制不稳定性由压缩机系统(例如,几何违约)。最后旋转不稳定特点是一个肿块(频率rake)光谱出现在目前的情况下非常稳定,相反的争议选择命名。

可能的旋转分离旋涡调制(形成旋转不稳定)需要被证明具有较高空间解决测量。在未来合作的作品,旋转不稳定的新发现的特点可以验证现有测量数据库的情况下提出了文学。

为名义压缩机速度,罚款峰值检测方法应用但第一spikelike扰动出现通常只有5转子革命前激增这压缩机。演示了突然失速发生在高速轴流式压缩机的环境。这是一个有用的失速警告系统是不可能的。转子叶片表面压力测量接近所需的技巧可能是早期的《盗梦空间》和更好的检测。

命名法

带通滤波器:	叶片通过频率
国际扶轮:	旋转不稳定
:	压缩机轴的转速
:	旋转的旋转频率不稳定
PE、L、NS:	最高效率、加载和飙升的操作点附近
牧师:	革命
勒:	前缘。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢赛飞机引擎支持创建压缩机研究程序和批准发布这些结果。提供的资金通过财团Industrie-Recherche en透平机(CIRT)。测量数据的分析将不可能没有高质量的采购由测量团队LMFA高速测试平台,形成的Sebastien Goguey吉尔伯特缰绳,皮埃尔·劳奇,莱昂内尔Pierrard。他们的帮助和建议的处理实验数据。

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