揭秘叶尖流动异常：Kulite+压力扫描阀的应用

航空发动机压气机在近失速状态下，叶尖常出现一种名为“旋转不稳定性（RI）”的异常流动，会引发振动与性能衰退。

某大学研究团队通过一套精密动态测试系统，成功揭示了RI的时空特征与物理机制。其中，Kulite高频压力传感器与压力扫描阀系统构成核心测量阵列，成为捕捉流动“心跳”的关键技术组合。

压气机

核心测量工具

Kulite XCQ-080-5G

1、产品定位

捕捉叶尖区域的“脉动”。RI的本质是压力场的周期性波动，因此直接测量叶顶端壁的动态压力是关键。

2、部署与方法

研究团队在压气机机匣内，沿转子轴向紧密布置了8个Kulite传感器，形成一道“观测阵列”。首个传感器（P1）位于叶片前缘上游，其余以固定间隔覆盖至尾缘下游，确保完整捕捉流经叶顶区域的非定常压力信号。

3、性能优势

该型号传感器具有极快的频率响应能力。团队设定了高达 204.8 kHz 的采样频率，足以精准记录下频率达数千赫兹的瞬态压力脉动，为后续的频谱和小波分析提供了高保真的原始数据。

压力扫描阀系统

Gensors DAS-P16 压力扫描阀

1、产品定位

构建性能“坐标系”与流场“背景图”。仅有时域脉动数据不足以定位RI，还需同步获取压气机的整体工作状态和时均压力场分布。

2、部署与方法

采用孔板流量计测量流量，扭矩/转速传感器测量轴功，三孔探针在进出口多个径向位置测量总压。这些信号通过压力扫描阀系统进行高速、同步的巡回采集，实时构建出压气机的特性线（流量-压比曲线）。

3、性能优势

·集成了多种信号的同步采集与处理，能够实时计算并绘制特性曲线；

·精度高，确保了“RI导致性能恶化”等定量结论的可靠性，排除了测量误差的干扰。

试验过程与结果

1、实验对象

• 一台亚声速轴流压气机孤立转子，叶片数30个。
  
• 通过更换机匣调节叶顶间隙（0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm），并在两种转速（8130 r/min、10765 r/min）下进行测试。
  

试验台子午面示意图

2、核心测量方法

• 动态压力测量：沿叶顶轴向布置 8个Kulite XCQ-080-5G高频压力传感器，采样频率204.8 kHz，捕捉瞬态压力波动。
  
• 稳态与性能测量：采用压力扫描阀系统同步采集流量、进出口总压、扭矩及转速，绘制压气机特性线，并重构叶顶区域稳态压力场。
  
• 信号分析：结合功率谱估计（Welch方法） 与小波变换（Morlet小波），分析信号的频域及时频域特征。

试验结果

1、RI的发生条件

• RI仅出现在叶顶间隙 ≥ 0.5 mm 且流量较小的工况下。
• 间隙越大，RI发生的流量范围越宽，对压气机性能（压比、效率）的负面影响也越显著。

2、RI的核心特征

• 频率特征：RI表现为以 0.5倍叶片通过频率（0.5×BPF） 为中心的稳定频带，且不随转速、流量、间隙变化。
• 空间分布：RI相关的压力波动主要集中于叶顶轴向的 20%~60%弦长区域。
• 间歇性：小波分析显示RI在时间上呈离散的斑点状，为非连续现象。增大叶顶间隙会提高其发生频率与强度。

3、物理机制揭示

• 压力场可视化（基于扫描阀与传感器数据）显示，RI对应一种 “高-低载荷交替”的两通道流动结构。
• 结合数值模拟文献指出：该结构源于叶顶泄漏涡的螺旋式破碎，产生的“反流涡”撞击下游叶片压力面，导致载荷周期性变化，从而形成RI。

末章结尾

本研究凸显了高频动态传感与多参数同步扫描技术在复杂内流诊断中的核心价值：

·kulite传感器提供了诊断异常的“听觉”维度。

·压力扫描阀系统提供了定位病灶的“视觉”维度。

二者结合，为压气机稳定性设计与健康监控提供了可靠的实验方法论和精准的数据支撑。