带执行装置的压气机系统建模及仿真

针对压气机主动稳定控制对模型的要求,以Moore-Greitzer模型为基础,首先将模型进行空间离散化,用平均分布在压气机周向环面的离散位置点来描述流量扰动,建立了反映压气机周向动态特性的多维状态空间模型;其次以喷气装置作为主动稳定控制系统的执行装置,通过分析加入喷气装置后对流动区域产生的质量和动量影响,同时考虑气流从喷气装置出口到压气机起始平面存在的时间滞后,建立了带执行装置的压气机系统动态模型.以某压气机为例,对压气机失速行为及喷气状态下对失速的抑制作用进行仿真,结果表明:所建立的模型可以反映压气机旋转失速动态过程,通过控制喷气流量能拓展压气机的稳定工作范围,有效抑制压气机失速,模型可用于压气机主动稳定控制系统分析与设计.      

可变转速工况的压气机分布式动态模型与仿真

针对目前压气机动态模型用于主动稳定控制时,存在既不反映压气机变转速工况又不能模拟压气机内部周向位置失速信号发展过程的不足,在一维状态变量描述的压气机失稳动态模型基础上,以喷气装置作为执行装置,通过傅里叶变换,采用多维状态变量描述压气机动态过程,建立了含喷气执行装置的压气机系统变转速工况下分布式动态模型。仿真结果表明,所建模型可实现定转速和变转速工况下的压气机不稳定行为动态仿真,采用该模型进行压气机主动稳定控制,可使压气机失速模态幅值由0.28减小为1×10~(-5),能有效抑制压气机失速的发生,增强了模型的适用性。     

旋流畸变影响低速轴流压气机数值模拟研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性影响的机理,设计了一种叶片式旋流畸变发生器,分别采用定常和非定常计算方法对旋流畸变发生器和两级低速轴流压气机进行了联合数值模拟研究。定常计算结果表明:旋流畸变发生器的叶片弯角越大、对涡强度越高;对涡旋流导致压气机总压比和效率降低,稳定边界流量明显增加;对涡强度越大,对压气机性能和稳定性影响越严重;对涡的反向涡对压气机影响较大,同向涡影响较小;反向涡造成部分叶片的叶根区域吸力面附面层提前分离,是导致压气机失稳的主因;非定常解的总压比和效率均略高于定常解,两种计算方法得到的稳定边界差异明显,非定常解的稳定边界流量比定常解小19.2%,非定常计算结果更接近试验值。     

基于叶顶喷气的轴流压气机叶顶泄漏流主动控制

为研究压气机叶顶泄漏流对压气机性能影响的流动机理,基于叶顶喷气在小流量工况下对1台单级低速轴流压气机叶顶泄漏流进行主动控制。通过喷气前、后非定常数值模拟,对比分析不同轴向喷气偏角下压气机性能提升与动叶叶顶区域流场特性的变化,在叶顶沿弦向布置压力测点,采集叶顶区域不稳定流动的脉动信号,结果表明:轴向、叶顶进气角方向喷气分别获得5.40%、5.93%的压气机性能提升;轴向喷气能最有效减少通道内的逆流速度团,延缓泄漏流的周向发展;叶顶进气角方向喷气使50%叶顶轴向弦长处的泄漏流最大泄漏量降低20%,同时能有效改变泄漏涡发展轨迹,避免撞击到相邻叶片压力面;根据频谱结果发现喷气能够抑制叶顶泄漏流的不稳定性。     

叶顶喷气对高负荷轴流压气机性能的非定常影响机理

为了揭示叶顶喷气对高负荷压气机气动性能和稳定裕度的非定常影响机理,对一跨声速轴流压气机进行六通道三维非定常数值模拟,定量分析了两种喷嘴作用下压气机内部流场的变化。研究表明叶顶喷气提升了压气机的总压比和稳定裕度,对效率的影响不大,喷气量决定了对压气机气动性能的影响程度。喷气引起叶顶进出口流量的非同步周期性变化,当喷气流沿通道到达转子尾缘后完成对叶顶的降载作用,叶顶负荷呈周期性变化。喷嘴喉部高度不变时,27.3%和54.6%的周向覆盖比例分别获得3.3%和3.6%的裕度改进,分析可知喷气的扩稳效果取决于喷气对叶顶堵塞的抑制在通道出口产生的影响。喷气流在通道中的流动延迟使得喷气对通道出口堵塞抑制的时间大于对通道进口堵塞的抑制时间,因而较小宽度的喷嘴可以保证对叶顶堵塞的有效抑制,增加喷嘴的宽度对稳定裕度的影响不大。     

变攻角下端壁非定常脉动抽吸对高负荷压气机叶栅性能的影响

为进一步探究非定常脉冲抽吸控制高负荷压气机叶栅流动分离的机理,考察非定常脉动抽吸在变攻角下的适应性和可行性,采用非定常数值方法,系统研究了变攻角下,非定常脉动抽吸对流场性能的影响,并将其与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明,在设计攻角下,保证相同的时均抽吸量,非定常脉动抽吸控制效果明显优于定常抽吸;在时均抽吸量ms=0.4%时,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸都展现出更好的性能,在最优频率时,损失减小了9.4%,静压升提高了12.9%,相比于定常抽吸损失减小了4.2%,静压升提高了4.7%。在变攻角下,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸控制效果相比于定常抽吸仍具有较大优势;但大攻角下,非定常脉动抽吸和定常抽吸控制效果均有所下降。     

自适应康达喷气控制在高负荷压气机中的试验研究

未来航空发动机的发展要求其压缩系统级负荷不断增大，由此将使得压气机内部出现较强的角区分离、附面层流动分离等二次流。提出了一种新型的自适应康达喷气流动控制（ACJC）方法，更加智能且高效地抑制压气机内部流动分离并提升压气机的扩压能力，进而拓宽高负荷压气机稳定、高效运行范围。为构建自适应康达喷气流动控制系统并在高负荷压气机上验证其控制效果，首先，选取了扩压因子为0.66的压气机静叶叶栅为研究对象，并优化设计了单缝康达喷气静叶叶栅；然后，基于数值计算结果采用方差分析法、主成分分析法和神经网络算法建立了单缝康达喷气静叶叶栅来流攻角预测模型和最佳喷气量预测模型；最后，搭建了基于自适应康达喷气流动控制系统的试验平台，验证了其对高负荷叶栅流动分离控制的有效性和准确性。试验结果表明：在不同攻角和不同来流马赫数条件下，自适应康达喷气流动控制系统能够实时准确地预测来流攻角，并瞬间做出喷气量实时调节与反馈。此外，在5°来流攻角下，当来流马赫数为0.4、0.5和0.6时，相比于无康达喷气叶栅，康达喷气的引入使得总压损失系数分别降低了11.5%、9.8%和8.0%。     

基于李亚普诺夫稳定性理论的压气机失速主动控制方法

针对压气机主动稳定控制方法中模态控制需要大量传感器及高频执行装置的不足,以喷气装置作为失速控制的执行机构,基于李亚普诺夫稳定性理论,利用回溯法设计了采用周向同步喷气的压气机预失速和过失速阶段的失速控制算法。理论分析和仿真结果表明,采用该方法,在预失速阶段,经过约1.1s持续喷气后,扰动的各阶模态的幅值均趋于0,各阶模态的相位均趋于恒定;在过失速阶段,持续约0.1s的喷气控制后,扰动的各阶模态被完全抑制,其各阶幅值趋于0,各阶模态相位趋于恒定;实现了对预失速和过失速的有效控制。由于以平均流量作为反馈输入,该方法只需安装少量传感器,且喷气装置的作动频率不高于50Hz,远低于模态控制方法。此外,采用同步喷气,也降低了执行机构的复杂性。     

压气机失速与喘振动态模型与仿真

建立失速与喘振动态数学模型是压气机主动稳定控制的基础。针对Moore-Greitzer不可压缩压气机模型无法描述失速时失速团沿压气机周向旋转特性的不足,以该模型为基础,在压气机周向环面位置进行模型空间离散化,采用空间傅里叶模态重构压气机局部流量、压升、转子与静子的动静态损失,建立了以流量、压升及损失为状态变量的多维状态空间方程形式分布式压气机模型。理论分析及仿真表明,所建模型既可实现稳态、失速、喘振工况下的压气机外部特性计算,也可模拟失速与喘振状态下压气机内部沿周向的流量及压力变化,实现失速与喘振动态特性仿真。     

叶顶喷气的喷嘴数目对轴流压气机稳定性影响的数值研究

为了揭示叶顶喷气中喷嘴数目对跨声速压气机气动性能的影响,采用六通道非定常数值计算对一跨声速轴流压气机进行了数值研究。共选取两个喷气周向覆盖比例水平对喷嘴数量进行研究,主要分析喷嘴数目对压气机稳定裕度和流动参数径向分布的影响机理。研究表明喷嘴数目和喷气的周向覆盖比例都对压气机失速有影响,且这两参数间存在交互作用。当喷气的周向覆盖比例为54%时,喷嘴数目对压气机的稳定裕度没有影响;当叶顶喷气的周向覆盖比例为27%时,喷嘴数目由6个增加至18个,压气机流量裕度改进量由3.5%降低至2.5%。叶顶喷气对压气机稳定裕度提高在于喷气对叶顶堵塞的有效抑制,这种抑制作用需要单个喷嘴与叶顶反流区有充分的接触时间。喷嘴数目过多导致单个喷嘴与叶顶反流区的接触时间过短,无法有效降低叶顶堵塞。喷嘴的离散分布引起转子叶顶出口流动参数的非定常变化,其变化程度随喷嘴数目的增加而减小。对喷嘴数目的选择需综合考虑叶顶喷气对稳定裕度以及流动不均匀性的影响。     

亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

轴向倾斜缝机匣处理影响压气机性能的机理

为了揭示缝式机匣处理影响轴流压气机性能的流动机理,对带轴向倾斜缝机匣处理的轴流压气机转子进行全三维非定常数值模拟,试验与数值结果均表明机匣处理在有效地扩大压气机稳定工作范围的同时,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了该机匣处理对该压气机转子性能及流场影响的机理,即倾斜缝内的回流具有抽吸或吹除端部低能流体的能力,在倾斜缝中形成的喷射流的作用下,叶顶通道内的低速气团得到了有利的激励,从而推迟转子的失速。但也使转子叶顶加功量下降,同时缝内的回流及其与叶顶主流的相互作用带来大的流动损失,最终降低压气机转子等熵效率。     

基于POD方法的弯曲扩压通道分离流控制的时空特性分析

为了分析一种运用于压气机内分离流控制的无源脉冲射流控制技术的特点,基于弯曲扩压通道试验模型进行了脉冲射流控制的试验和数值模拟研究,结果均表明当射流频率接近通道内分离涡主频时控制效果最为明显;引入了本征正交分解（POD）技术对无控状态下通道内流场结构进行分析,得到了POD各阶模态的流动结构特征。在此基础上对比分析了定常及非定常控制特点,结果表明：非定常控制方式主要是重分配各阶模态之间的能量,有选择性地强化或削弱某阶模态;定常射流控制则是整体削弱高阶模态,压制通道内复杂流动现象;合理地构建脉冲射流可使能量从高阶模态向平均流模态进行转移,能量的转移通过空间流场结构的重构和模态时间演化特性的序化实现。最后针对POD分析结果进行了验证性试验研究,试验结果部分反映了时空特性的变化规律,提升了POD分析结果的可信度。     

Adaptive feedback control of stability in an axial compressor with circumferential inlet distortion

The adaptive feedback control of stability with circumferential inlet distortion has been experimentally investigated in a low-speed, axial compressor. The flat-baffles with different span heights are used to simulate different distorted inflow cases. Compared with auto-correlation and root-mean-square analysis, cross-correlation analysis used to predict early stall warning does not depend on the distortion position. Hence, the cross-correlation coefficient was used to monitor the stable status of the compressor and provide the feedback signal in the active control strategy when suffering from different distortions. Based on the stall margin improvement of tip air injection obtained under different distorted inflow cases and the sensitivity analysis of cross-correlation coefficients to injected momentum ratios, tip air injection was adopted as the actuator for adaptive feedback control. The digital signal processing controller was designed and applied to achieve adaptive feedback control in distorted inflow conditions. The results show that the adaptive feedback control of air injection nearly achieves the same stall margin improvement as steady air injection under different distortion intensities with a reduced injection mass flow. Thus, the proposed adaptive feedback control method is ideal for the engine operation with circumferential distorted inflow, which frequently occurs in flight.     

二元混压式进气道窄缝形射流调节结构参数设计

针对窄缝形主动射流用于二元混压式超声速进气道再起动特性调节的结构参数设计,开展了大量定常数值模拟研究,得到了窄缝位置、宽度及喷射角度等结构参数对再起动特性的影响趋势,利用少量非定常算例验证了定常计算结果的准确性.结果表明:射流的注入使进气道产生超声速溢流,并出现可动气动喉道等新的再起动流场特征.约进气道流量1%的射流流量能产生约5%的溢流量,在溢流作用下,4.5%~11%的射流流量使进气道实现了再起动,射流流量越大,射流分离区也越大,进气道越难实现再起动.研究还发现:窄缝位置及宽度对射流溢流效率的影响很小,但窄缝位置存在一个有效作用范围,只有在距唇口35~65mm的位置注入射流,进气道才能实现再起动.射流喷射角对射流溢流效率的影响较大.射流喷射角越大,射流的溢流效率越高,再起动所需的射流流量及其范围也越小.      

弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响

为了研究压气机弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳效果的影响,在一台低速轴流压气机上,采用实验方法,对比分析了第1级静子叶片分别为弯曲叶片和直叶片时叶尖射流的扩稳效果以及压气机内部流场信息.结果表明:第1级静子叶片由直叶片改为弯曲叶片后,在压气机失速过程中,模态波主要集中在叶尖区域,而叶尖射流恰好是通过改善叶尖区域的流场来拓宽压气机的稳定工作范围的,所以第1级弯曲静子叶片使得叶尖射流的扩稳效果更加显著.      

Experimental investigation on SPS casing treatment with bias flow

Generally, casing treatment（CT） is a passivity method to enhance the stall margin of fan/compressor. A novel casing treatment based on the small disturbance theory and vortex and wave interaction suggestion is a method combining passive control and active control, which has been proved effective at enhancing the stall margin of fan/compressor in experiment. In order to investigate the mechanism of this kind of casing treatment, an experimental investigation of a stall precursor-suppressed（SPS） casing treatment with air suction or blowing air is conducted in the present paper. The SPS casing treatment is designed to suppressing stall precursors to realize stall margin enhancement in turbomachinery. The experimental results show that the casing treatment with blowing air of small quantity can improve the stall margin by about 8% with about 1% efficiency loss. By contrast, the SPS casing treatment with micro-bias flow does not improve the stall margin much more than that without bias flow, even worse. Meanwhile, the present investigation has also attempted to reveal the mechanism of stall margin improvement with the casing treatment.It is found that the stall margin improvements vary with the modification of the unsteady shedding flow and the unsteady wall boundary impedance. The experimental results agree fairly well with the theoretical prediction using a flow stability model of rotating stall.     

轴流压气机过失速的非线性动力学分析

为了解Greitzer的B参数和节流γ参数对轴流压气机过失速行为的影响, 使用分叉分析方法, 研究了压缩系统中过失速所对应的静态分叉行为.由此, 划分了γ-β分叉参数空间中, 轴流压缩系统稳定和不稳定流动的区域分布图.结果表明, 非线性动力学的分叉分析方法, 可以准确的捕捉到轴流压缩系统中典型的过失速流动行为, 同时可以简便的分析分叉参数作用下平衡点稳定性的变化情况.      

航空发动机性能恢复控制方法

针对航空发动机部件蜕化导致性能变差问题,设计了航空发动机性能恢复控制系统,系统根据发动机的工作状态以及健康状态在常规转速控制模式、稳态性能恢复控制模式和加速性能恢复控制模式之间切换.稳态性能恢复控制模式在常规转速控制模式的基础上设计了一个外环控制回路,通过自适应修正稳定状态下压气机转速指令达到蜕化发动机性能恢复的目的;加速性能恢复控制模式通过综合常规转速控制方法和喘振裕度控制方法,在保证发动机气动稳定的同时,充分挖掘发动机潜力,从而达到恢复蜕化发动机加速性能的目的.通过不同状态不同部件蜕化下的仿真结果表明恢复蜕化发动机性能的有效性.