一种可变级轴流风扇精细化气动声学实验装置和实验方法与流程

本发明涉及航空发动机气动声学领域。更具体地说，本发明涉及一种可变级轴流风扇精细化气动声学实验装置和实验方法。

背景技术：

1、为了解决飞机及航空发动机传统噪声控制方法无法满足未来飞机适航指标的问题，航空发动机气动与声学一体化设计技术成为过去十多年的研究热点，其目的就是将航空发动机各个部件的低噪声设计耦合到气动设计体系当中，从而实现航空发动机气动性能不变甚至提升的同时，显著降低噪声水平。风扇作为航空发动机的三大核心部件之一，又是目前航空发动机的主要噪声源，既亟须在设计体系方面发展高精度风扇气动－声学一体化设计方法，也需要在方法验证阶段和实验研究时期建设精细化风扇气动－声学实验装置和实验方法。

2、然而，由于航空发动机旋转风扇部件工作的特点，风扇部件试验需要大功率电机驱动赋能和复杂的进排气管道系统，这对气动性能试验装置的设计要求并不高，但是会严重破坏风扇部件噪声产生和传播的实际状况，进而导致这种实验布局无法准确模拟风扇部件的进/排气噪声传播特征，也就无法开展精细化的风扇气动－声学一体化实验测量。

3、此外，作为下一代主要航空动力装置，自适应变循环发动机一般采用前/后（多级）风扇设计，这将带来噪声来源多样化、声源强度显著增加和复杂的声传播级间效应等一系列风扇噪声新问题，这些问题是无法在过去的单级风扇部件实验中被捕捉到的，如申请号为：cn202010998256.1的《一种轴流涡轮精细化声学实验装置及实验方法》，但是航空发动机涡轮和风扇的工作特点完全不同，在实验装置结构布局上存在明显差异；航空发动机涡轮多为多级设计，而现有技术涉及的实验装置仅为单级，无法实现变级数测量和叶片排声波干涉效应研究，功能性和适用性低；另外，现有技术涉及的实验装置并不能对声源流场进行精细化测量，无法有效关联声源近场和声传播及辐射之间的关联关系，也不能从级间传声器信号中将声压信号有效分离出来，仅能测量涡轮排气管道噪声和远场噪声。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种可变级轴流风扇精细化气动声学实验装置，包括：

3、用于模拟航空发动机中风扇部件声源流场，且位于全消音室外的两级风扇试验件；

4、用于产生被试风扇试验件进气条件，且位于全消音室内的进气系统；

5、用于改变被试风扇试验件出口气体流通面积的排气系统；

6、用于对被试风扇工况进行调节的控制系统；

7、为两级风扇试验件提供动力的驱动系统；

8、用于同步测量气动性能、声场特性的测试系统；

9、其中，所述测试系统包括：气动性能数据采集模块和声学信号数据采集模块；

10、所述气动性能数据采集模块包括：用于测量静压、总压、脉动静压、叶片表面脉动压力、叶间壁面脉动压力的压力采集单元，用于测量总温以及监测轴承温度的温度测量单元，用于实现气动数据采集和处理的动态测试子系统；

11、所述声学信号采集模块包括：用于测量试验件进/排气管道内、进气远场、叶片级间声场信息的传声器单元，用于进行声信号采集和处理的静态测试子系统。

12、优选的是，所述两级风扇试验件包括：两套转子组件和两套静子组件，且两套转子组件中的转子叶盘均采用盘片分离结构，两套静子组件中的静子叶片均安装于机匣上，且静子叶片为整环分段的可拆卸式结构；

13、所述转子组件、静子组件之间设置篦齿和涂层相配合的封严结构，以转静子之间留有足够的轴向间隙。

14、优选的是，所述传声器单元包括：

15、设置在全消音室内，并以进气口轴心为圆心设置1/4圆弧形的远场传声器阵列；

16、设置在进气段、排气段的旋转测量区，且沿周向均布的旋转传声器阵列ⅰ、旋转传声器阵列ⅱ，且旋转传声器阵列ⅰ放置在全消声室内，旋转传声器阵列ⅱ和驱动系统之间安装有消声器；

17、设置在两级风扇试验件不同叶片排之间的级间传声器阵列；

18、其中，所述旋转传声器阵列ⅰ和旋转传声器阵列ⅱ均通过驱动系统控制周向旋转速度。

19、优选的是，所述压力采集单元包括：在进气口、出气口端均布的7个总压测试探针、4个静压测试探针；

20、所述温度采集单元包括：设置在进气口以测量总温的热线探针，设置各轴承处的热电偶。

21、一种精细化气动声学实验方法，包括：

22、步骤一，对气动测量设备、声学测量设备进行安装、调试、校准；

23、步骤二，启动驱动系统，并在控制系统将风扇试验件工况调节至稳定状态后，通过旋转传声器阵列采集管道壁面声压信号ⅰ，并同步采集气动信号ⅰ、远场声压信号ⅰ、级间声压信号ⅰ；

24、步骤三，通过驱动系统控制旋转传声器阵列顺时针旋转预定角度，再次采集管道壁面声压信号ⅱ，并同步采集气动信号ⅱ、远场声压信号ⅱ、级间声压信号ⅱ；

25、步骤四，重复步骤三，完成周向360°范围内的管道壁面声压信号采集以及对应的气动信号、远场声压信号、级间声压信号采集；

26、步骤四，对进/排气口的气动信号进行处理，得到风扇气动效率；对叶片排间的气动信号进行处理以得到总压损失及流场信息；

27、步骤四，对远场声压信号ⅱ、管道壁面声压信号、级间声压信号分别进行对应处理，以得到远场噪声总声功率、管道模态声场、风扇试验件声源近场信息。

28、本发明至少包括以下有益效果：

29、本发明能实现风扇气动－声学特性的精细化同步测量，其二，本发明通过“模拟航空发动机真实风扇进/排气噪声辐射条件下的可变级数轴流风扇试验件”、“风扇气动性能、声源流场、进/排气管道传播、叶片排声波干涉效应和远场辐射的精细化同步测试方法”、“级间传声器信号的声压分离方法”等三个方面的发明和创新，实现对航空发动机轴流（单/双级）风扇气动－声学特性的精细化实验同步测量，其测量内容涵盖风扇试验件声源近场、管道模态声场和自由远场的声源产生－传播－辐射特性和它们之间的关联关系（需要说明的是，这里的声源产生是指声源流场和级间测量，传播是指管道测量，辐射是指远场测量，通过对不同位置测量数据的分析和对比可获得关联关系），为后期的风扇气动－声学一体化设计提供硬件条件和实验基础。

30、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

1.一种可变级轴流风扇精细化气动声学实验装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的可变级轴流风扇精细化气动声学实验装置，其特征在于，所述两级风扇试验件包括：两套转子组件和两套静子组件，且两套转子组件中的转子叶盘均采用盘片分离结构，两套静子组件中的静子叶片均安装于机匣上，且静子叶片为整环分段的可拆卸式结构；

3.如权利要求1所述的可变级轴流风扇精细化气动声学实验装置，其特征在于，所述传声器单元包括：

4.如权利要求1所述的可变级轴流风扇精细化气动声学实验装置，其特征在于，所述压力采集单元包括：在进气口、出气口端均布的7个总压测试探针、4个静压测试探针；

5.一种精细化气动声学实验方法，其采用如权利要求1-4任一项所述的可变级轴流风扇精细化气动声学实验装置，其特征在于，包括：