用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置

本发明涉及环形管道气动-声学实验领域，主要适用于开展低噪声叶片的运用研究，具体是一种环形压气机叶栅的实验装置和出口声学测量装置。

背景技术：

1、对于航空发动机、压缩机、通风机等叶轮机械而言，其噪声主要由两部分组成：转/静干涉单音噪声、湍流宽频噪声。其中转/静干涉单音噪声是由转子的旋转尾迹与下游静子叶片干涉而产生的，湍流宽频噪声是由各种湍流(边界层湍流、尾迹湍流等)和固体表面干涉产生的。对于湍流宽频噪声而言最重要部分是转/静干涉宽频噪声。因此，现阶段研究的重点为转/静干涉单音噪声和转/静干涉宽频噪声。

2、伴随着时代的发展，和人们追求美好生活的向往，噪声问题愈加凸显，对飞机场周边居民和厂房工作人员的生活和工作造成了严重的影响。因此，降低叶轮机械噪声问题已经迫在眉睫。虽然随着计算机的发展，利用计算流体力学和计算气动声学已经可以较为准确地评估噪声水平，可以深入研究降噪机理。然而，利用计算机技术研究气动噪声仍然有很大的局限性，例如：1.仍主要运用在二维或简单的三维模型中；2.理论模型存在简化，无法与真实叶轮机械中复杂的情况相吻合；3.计算索取的计算成本很大，无法完成大量样本的参数化研究。

3、因此，利用实验手段开展降噪实验仍然是最行之有效的方法。相关学者通过大量的实验研究和数值研究得出结论：对于叶轮机械而言，其主要噪声源是叶片表面的偶极子噪声源，以及其周边的湍流产生的四极子噪声源。这些年来，为了降低噪声，学者们主要通过两个方面开展：1.从噪声的传播途径上降低声波的振幅并改变其相位；2.从源头降低噪声源的强度。第一个方面的研究已经十分深入，但由于发动机重量和尺寸的限制，导致声衬的安转位置有限,使得此方面研究难以有进一步的进展和运用。第二个方面研究直接关联气动性能和声学性能，存在很大的优势和发展空间，尤其是近些年仿生学叶片的发展，将这一方面的研究推向了新的高度。但是由于实验成本、装配难度等原因，直接将设计好的仿生学叶片运用到真实叶轮机械中是不实际的；而通过孤立叶片吹风实验和平面叶珊实验无法考虑到环形叶珊效应和环形管道声学效应。为了开展大量实验，得出大量的实验结果进行参数化分析研究，同时要保证管道效应，利用环形叶珊开展仿生学叶片参数化是很有必要的。现阶段的叶栅声学研究中，尚未有通过环形叶珊来研究仿生学叶片的气动性能和声学性能的相关资料公开。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：为解决现有实验装置针对仿生学叶片气动性能和声学性能研究的局限性，本发明提供一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置

2、为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，包括电机，其特征在于，还包括旋转湍流发生组件1、环形压气机叶珊实验组件2和声模态测量组件3，整体均为回转体状；电机固定于环形压气机叶珊实验组件2和声模态测量组件3内，电机转轴与旋转湍流发生组件1固定连接，带动旋转湍流发生组件1转动；旋转湍流发生组件1一端与吹气风洞连接，另一端与环形压气机叶珊实验组件2气流入口同轴对接；环形压气机叶珊实验组件2气流出口与声模态测量组件3气流入口同轴固件连接；

3、所述环形压气机叶珊实验组件2包括叶珊实验轮毂4、叶珊实验段机匣5、叶珊实验叶珊6和叶珊盖板7；叶珊实验轮毂4和叶珊实验机匣5侧壁上径向开设多个叶片安装槽，实验叶珊6两端分别嵌入在叶片安装槽中，叶珊盖板7安装在叶珊实验段机匣上叶片安装槽中，并将实验叶珊6固定，确保安装稳定与气密性；

4、所述声模态测量组件3包括声波稳定件8、声模态测量机匣9和声模态测量轮毂10，均为内部空腔的回转体状，声模态测量轮毂10位于声波稳定件8和声模态测量机匣9内，且与叶珊实验轮毂4同轴固定连接，声波稳定件8两端分别与叶珊实验段机匣5和声模态测量机匣9同轴固定连接，声模态测量轮毂10侧壁上径向安装多个传声器。

5、进一步的，所述实验叶珊6包括仿生学叶片，仿生学叶片包括仿生学叶片前缘13和仿生学叶片后缘14，所述仿生学叶片前缘13一侧为波浪状，另一侧设有楔形凸块，仿生学叶片后缘14一侧设有与仿生学叶片前缘上楔形凸块相匹配的楔形槽；仿生学叶片后缘14端面上沿楔形槽长度方向设有安装孔，用于将叶片与叶珊盖板7固定连接，确保叶片的气密性。

6、进一步的，所述仿生学叶片的仿生学叶片前缘13采用3d打印制成。

7、进一步的，所述叶片安装槽包括多个方形槽和条形槽，方形槽和条形槽内壁与实验叶珊侧壁弧面相匹配，方形槽与条形槽间隔设置。

8、进一步的，还包括绕流圆棒11；旋转湍流发生组件1侧壁径向设置多个不同规格的安装孔，绕流圆棒11安装在所述安装孔中，不同规格绕流圆棒能够产生不同频率的卡门涡街，和不同强度的来流湍流，用以真实模拟风扇/压气机的转/静干涉过程。

9、进一步的，为保证排气均匀，声模态测量轮毂10伸出声模态测量轮毂10腔体外，且伸出端为半球状。

10、进一步的，还包括填补块，安装在叶珊实验段轮毂4上叶片安装槽中，确保叶珊实验轮毂4与实验叶珊6安装时叶片安装稳定且气流密封。

11、发明效果

12、1、本发明中实验叶珊中叶片采用两段结构形式，包括叶片前缘和叶片后缘，两段通过楔形块与楔形槽配合，可拆卸连接成一体，便于实验中调整、更换叶片数量，保证了仿生学叶片在环形管道内参数化实验的要求，便于开展叶片稠度对声学性能的探索实验研究。

13、2、现有一体式叶片成本约3万元，本发明采用两段式加工叶片，30个叶片约需要0.3万元，由于一般需要对大量构型的叶片开展实验研究，假定共需要对5组叶片开展实验研究的情况下，现有一体式加工成本需15万元，而本发明可叶片式加工成本仅需要6万元，加工成本降低，经济适用性强。

14、3、本发明中在叶珊实验轮毂4和叶珊实验段机匣5侧壁上开设多个叶片安装槽，叶片两端分别嵌装在叶片安装槽中，并通过叶珊盖板固定，保证了叶片安装稳定性和气流密封性。

15、4、本发明中湍流发生组件与吹气风洞之间可以安装消声声衬，以减小吹气风洞产生的噪声对测量结果的影响，开始正式实验前，需要测量吹气风洞气流的大气参数和气流速度，保证实验的准确性和可靠性。

16、5、本发明中湍流发生组件侧壁上径向安装多个不同规格的绕流圆棒，不同直径绕流圆棒一方面能够产生不同频率的卡门涡街，另一方面能够产生不同强度的来流湍流，以此真实模拟风扇/压气机的转/静干涉过程。

17、6、本发明通过声模态测量组件能够同步完成对管道内声场的信号采集，准确地完成声场重构，并对各种规格仿生学叶片的降噪效果进行准确评估，提高了仿生学叶片声学实验的适用范围，便于从真实环形管道声学方面更加深入的开展仿生学叶片参数化声学实验，有利于指导仿生学叶片参数化设计。

技术特征：

1.一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，包括电机，其特征在于，还包括旋转湍流发生组件(1)、环形压气机叶珊实验组件(2)和声模态测量组件(3)，整体均为回转体状；电机固定于环形压气机叶珊实验组件(2)和声模态测量组件(3)内，电机转轴与旋转湍流发生组件(1)固定连接，带动旋转湍流发生组件转动；旋转湍流发生组件(1)一端与吹气风洞连接，另一端与环形压气机叶珊实验组件(2)气流入口同轴对接；环形压气机叶珊实验组件(2)气流出口与声模态测量组件(3)气流入口同轴固件连接；

2.如权利要求1所述的一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，其特征在于，所述实验叶珊(6)包括仿生学叶片，仿生学叶片包括仿生学叶片前缘(13)和仿生学叶片后缘(14)，所述仿生学叶片前缘(13)一侧为波浪状，另一侧设有楔形凸块，仿生学叶片后缘(14)一侧设有与仿生学叶片前缘上楔形凸块相匹配的楔形槽；仿生学叶片后缘(14)端面上沿楔形槽长度方向设有安装孔，用于将叶片与叶珊盖板(7)固定连接，确保叶片的气密性。

3.如权利要求2所述的一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，其特征在于，所述仿生学叶片的仿生学叶片前缘(13)采用3d打印制成。

4.如权利要求1所述的一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，其特征在于，所述叶片安装槽包括多个方形槽和条形槽，方形槽和条形槽内壁与实验叶珊侧壁弧面相匹配，方形槽与条形槽间隔设置。

5.如权利要求1所述的一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，其特征在于，还包括绕流圆棒(11)；旋转湍流发生组件1侧壁径向设置多个不同规格的安装孔，绕流圆棒(11)安装在所述安装孔中，不同规格绕流圆棒能够产生不同频率的卡门涡街，和不同强度的来流湍流，用以真实模拟风扇/压气机的转/静干涉过程。

6.如权利要求1所述的一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，其特征在于，为保证排气均匀，声模态测量轮毂(10)伸出声模态测量轮毂(10)腔体外，且伸出端为半球状。

7.如权利要求1所述的一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，其特征在于，还包括填补块，安装在叶珊实验轮毂(4)上叶片安装槽中，确保叶珊实验轮毂(4)与实验叶珊(6)安装时叶片安装稳定且气流密封。

技术总结
本发明提出一种用于环形压气机波浪前缘叶珊降噪参数化研究的实验装置，包括湍流发生组件、环形压气机叶珊实验组件和声模态测量组件，均为回转体状。湍流发生组件与吹气风洞对接，环形压气机叶珊实验组件轮毂与声模态测量组件轮毂固定连接，环形压气机叶珊实验组件机匣与声模态测量组件中声波稳定件连接，声模态测量组件轮毂位于声波稳定件和声模态测量组件机匣内；电机带动湍流发生组件转动，并通过其上安装的不同规格绕流圆棒产生不同强度来流湍流，环形压气机叶珊实验轮毂与机匣之间嵌装不同规格的叶片，实现从环形管道声模态的角度定量分析研究不同规格仿生学叶片的降噪效果，开展仿生学叶片参数化声学实验。

技术研发人员：同航,张良吉,连建欣,陈伟杰,乔渭阳
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13