多级轴流压气机失速／喘振的测量及数据处理

在多级轴流高压压气机上 ,开展从气动失稳到喘振及退出喘振时对气体压力的动态测量。试验是在多级轴流高压压气机静叶设计角度及中间级引气的情况下进行的。采用高精度、高频响的动态压力传感器 ,高速同步采集板 ,快速A/D采集板和高速处理机相结合 ,借助频谱分析的方法来找出失速 /喘振频率 ,并且找出对应着该频率的各通道之间的相位差 ,分析出失速 /喘振首发级。在试验中运用信号分析方法对叶片排中失速及喘振信号进行数学处理。测量得出的结论是 :在多级轴流高压压气机中 ,失速 /喘振均属于突变型 ;在 n=0 .8时压气机工作于多值区 ;中间级引气将影响失速 /喘振。     

进口导叶角对叶根失稳压气机流动失稳的影响

以一台航空高速压气机为研究对象，通过加装进口导叶调整压气机进气预旋角，采集失稳过程中的动态压力信号，观察不同导叶角度、流动失稳演化过程。结果表明：在负导叶角情况下，压气机由转子叶尖突尖波引起失稳；在零导叶角及较小的正导叶角情况下，由静子叶根区域的局部喘振诱发失稳；在较大的正导叶角情况下，静子叶根在节流过程中首先出现局部失稳，进一步节流导致叶尖旋转失速团出现，压气机完全失稳。分析认为，导叶角的增加通过降低反力度，调整了转静间的负荷分配，从而引起了失速初始扰动发生上述“转子突尖波-静子局部喘振-静子局部失稳”的转变。     

多级轴流压气机多排可转导/静叶联合调节规律研究

为了减少多级轴流压气机多排可转导/静叶联合调节对实验的依赖,利用Isight软件、HARIKA算法以及部分自编接口程序搭建可转导/静叶联合调节方案的优化设计平台。通过结合压气机原特性给定目标喘振边界并量化当前喘振边界与目标喘振边界的距离作为目标函数,从而便于快速获取压气机不同转速下多排可转导/静叶安装角的调节角度,实现压气机可转导/静叶的无级调节。并将此优化平台应用于八级轴流压气机,发现可转导/静叶的调节能力受限于调节级数,需仔细考虑所需的调节级数以达到预期的调节目标。优化后压气机非设计转速的喘振边界向左上方移动,如Case 2中70%转速时近失速点流量减小了17.94%,近失速点压比增加了4.93%,压气机的低工况稳定性得到改善。利用三维软件计算优化后的压气机特性,证明了此优化平台的可行性和有效性。     

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。     

压气机失稳过程的幅值与频率理论研究

在压气机主动稳定控制与健康监控时,为了准确描述失速和喘振的幅值与频率特性,以压气机系统模型为基础,从动力学的角度,基于失速团的构成,应用模态波理论分析压气机失速行为;基于压气机喘振的一维振荡特性,应用强非线性理论分析喘振现象;通过分析推导并给出压气机失稳过程的幅值与频率理论描述。数值仿真表明:失速与喘振的幅值与频率是压气机特性、压气机结构参数与气流参数的函数,在失速过程中,模态阶数越低,其幅值越先出现并趋于稳定;扰动模态阶数越高,旋转频率越大;在喘振过程中,压气机出口节流系数越小,喘振幅值与振荡频率越大。     

基于声压信号的某型涡轴发动机喘振识别

为了识别某型涡轴发动机喘振时的特征,通过进气畸变方式开展了某型发动机台架试车逼喘试验,利用声压传感器测量采集了轴流压气机和离心压气机两侧的声压信号。对声压信号进行测试环境与背景噪声修正,再采用时频分析方法实现了对由于进气减少引起的压气机叶片失速团特征和低频喘振特征的检测,并采用小波低频重构声压信号方法实现了某型涡轴发动机喘振信号的提取与识别。结果表明：随着进气的增加,轴流压气机和离心压气机转子频率处声压信号幅值会降低,同时会产生失速团,轴流压气机右侧能最先监测到喘振,喘振频率约为60 Hz。     

机匣处理作用下高负荷轴流压气机转/静子匹配设计研究

为了探索机匣处理作用下转/静子的轴向匹配方法以进一步提高压气机级的失速裕度,研究了静子的叶型安装角及"弯"、"掠"规律对压气机性能的影响,针对机匣处理与优化静子的组合结构进行了非定常数值模拟,阐述了该结构的扩稳机理以及压气机新的失速机制。研究结果表明,在机匣处理作用下,静子成为压气机失速的触发因素,通过对静子叶型安装角及"弯"、"掠"规律的优化均可进一步提高压气机级的失速裕度,其中改变静子"弯"型对压气机级失速裕度的改善最大。组合应用机匣处理与尖部反弯根部正弯静子后,压气机效率基本不变,失速裕度提升了80.2%,较单独使用机匣处理提升30.9%。在该组合结构作用下,压气机的失速由静子触发,静子叶根吸力面在激波作用下发生附面层分离,且与轮毂表面附面层相互作用形成角区涡,接近失速边界时,静子叶根形成"前缘溢流,尾缘反流"现象,造成静子通道的大范围堵塞,诱发压气机失速。压气机级的扩稳应充分考虑机匣处理的影响,对静子进行优化设计。     

多级轴流压气机出口增压容积对失稳边界的影响

介绍了一台三级轴流压气机在不同的出口增压容积下进行的失稳边界试验，试验结果表明，由于出口增压容积增大，使原来存在旋转失速边界的喘振特性，变为突发性喘振边界，该试验证实Greitzer的B系数作为压气机失稳边界的失速判据是适用的。该特性说明，涡喷发动机的低压压气机在喘振之前，存在旋转失速边界，有可能进行预先报警。     

神经网络用于风洞中压气机失速监控

旋转失速和喘振是严重影响轴流压气机性能的截然不同的两种气动不稳定现象。旋转失速和喘振均能引起转子和静子叶片振动及压气机内部温度急剧上升，在叶片上的大的动应力会引起严惩的机械破坏。对16英尺超音速风洞试验中压气机的3C3转子叶片，失速发生约10转（即1秒）后，失速产生的振动应力将达到对压气机产生机械危害的程度。旋转失速是16英尺跨音速风洞试验中C－1压气机中常见的不稳定现象；旋转失速在2转（0．2秒）时间内，产生一个应力峰值并逐渐衰减。显然，需要一个系统在出现失速征兆的瞬间能很快探测到并发出警告，该系统还具有自主修正能力。建立在多年实践观察基础上的开环技术已成为当前主要的监控模式，工程师可以采修正的操作以避免压气机进入失速。在控制系统中引入闭环防失速装置可使压气机工作点离开失速边界是人们最终的追求目标。实现对压气机失速的控制需要对开环和闭环模式的高速自动处理。神经网络用于数据分类、信号处理、对象建模及预测的一项新的信息处理技术。由于神经网络用于数据分类具有快速、精确及高抗噪性，因而，神经网络适合被选作对压气机不稳定性进行探测及监控研究。     

级间引气对多级轴流压气机性能和流场影响的低速实验研究

基于北航四级低速大尺寸压气机试验台,在二级静子出口进行周向槽引气,采用分别保持引气位置上游流量不变和引气位置下游流量不变两种比较方式,针对不同引气流量大小对压气机性能和内部流场的影响进行了实验研究。结果表明,级间引气会影响压气机压升特性和失速裕度,影响程度与引气量大小有关。级间引气对引气位置上游转子流场的影响表现在上游压气机工况的变化上,上游转子流场的展向分配并不受到引气的影响。引气位置下游受到引气和上游压气机工况变化的共同影响,且引气量越大,影响程度越大。此外,级间引气可以改善下游叶片叶尖区域的流动环境,增强叶尖处流通能力,提高下游压气机失速裕度。     

近失速压力扰动的试验

采取在静子叶片表面埋入微型压力传感器的方法,对叶尖、叶中和叶根3个截面上的动态压力进行测量,实验研究了压气机近失速的流场特性。实验结果表明:压气机失速前,存在两个特征频率的压力扰动;这两个特征扰动的扰动频率与压气机转速成正比,与转子转动频率的相对频率分别等于5和8;相对频率为5的特征扰动强度随着流量系数减少而增大,在失速点达到最大,而相对频率为8的特征扰动随着流量系数减少先增大,在失速点突然下降;选择相对频率为5的特征扰动作为压气机失稳预警信号,设定某一λ值作为报警的阈值,可以有效防止压气机失速。      

轴向间距变化对轴流压气机全流量特性的影响

针对动静叶排轴向间距变化对压气机特性的影响,实验研究了6个轴向间距下压气机的压升特性。并采取在静子叶片表面埋入微型压力传感器的方法,对叶尖、叶中和叶根三个截面上的动态压力进行了测量。结果表明,对于同一轴向间距,不同转速下包括左支特性在内的全流量范围的压升特性具有重合性;轴向间距对压气机的失速流量和失速模态有很大的影响,轴向间距减小时,压气机的失速流量减小,稳定性得到加强;而且压气机工作于多团失速时的流量范围减小,失速模态由多团失速过渡到单团失速提前。     

小尺寸多级轴流压气机喘振现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,在首级转子叶顶沿弦向布置Kulite动态压力传感器以及在后面级插入高频压力探针,通过动态测量试验,研究不同转速下多级轴流压气机喘振现象.结果表明:在中高转速下,该压气机深度喘振是由模态波扰动发展成旋转失速,从而引起流动堵塞,最终导致流动崩溃所造成的;在低转速下,压气机轻度的经典喘振由模态波直接引起的,在喘振周期内一直伴随有旋转失速的产生、发展和消失.      

轴流压缩系统不稳定形态的实验研究

本文测取了一轴流压缩系统的不稳定形态。依据实验结果 ,确定了该系统不稳定型式的转换特征 ,分析了排气部件的影响规律 ,详细对比了单级压气机与孤立转子不稳定形态的差异。实验发现 ,在高转速下该压缩系统将形成“不可恢复性”喘振失速现象     

喘振状态下叶片振动响应的试验研究

在某单级轴流压气机试验台上,进行了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的试验研究,利用电阻应变片、动态压力传感器、滑环式引电器和磁带记录仪等,录取叶片振动应变和动叶出口压力信号,然后回放磁带,做信号处理,在对时域和频域数据分析的基础上,论述了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的特征。     

轴流离心组合压气机性能及流场分析

以某轴流、离心组合式压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速典型工作状态下该压气机的性能和流场细微结构,为进一步提高压气机的压比、效率,扩大压气机的稳定工作裕度,对压气机进口导流叶片和第一级静子叶片安装角进行优化调节,对改进后压气机的典型工况进行了数值模拟,并进行了相应的试验研究。研究结果表明优化后压气机稳定工作范围增大,在90%设计转速和最大压比不变的情况下,最高效率提升1.05%,典型工况下流场结构也有不同程度的改善。     

Numerical simulation of rotating stall in a subsonic compressor

Rotating stall is generally the first instability met in multi-stages compressors, before surge. This 3D phenomenon is characterized by one or more cells of stalled flow which rotate at a fraction of the rotor speed ω. The present paper deals with the simulation and the analysis of the rotating stall in a stage of a subsonic compressor.The configuration used for the study is an axial single-stage low speed compressor. A numerical simulation is carried out with a quasi three dimensional in-house code which solves the Navier–Stokes equations on a stream surface. The simulation shows a rotating stall with two cells which rotate at 48% of the rotor speed. Particular emphasis is laid on the pre stall phenomena analysis. The spatial mode which is responsible for the rotating stall cells number is identified many revolutions before the stall inception thanks to a Fourier analysis. However, further investigations are needed in order to identify the destabilizing mode origin.     

Effect of system response on partial surge initiated instability in a transonic axial flow compressor

Partial surge is a type of instability inception in transonic compressors and occurs in the form of axisymmetric low-frequency disturbances localized in the hub region. Previous studies illustrate that the frequency of partial surge is set by the Helmholtz frequency of the entire system,which motivates to propose a hypothesis that the system response performs an important role in the formation of partial surge. For further verification, a series of experiments are conducted to explore the link b...     

旋转失速状态下静子叶排的新认识

测量了孤立转子及单级轴流压气机的旋转失速起始边界、旋转失速后续性能及其流场结构以及整个压缩系统的不稳定形态。讨论了单级轴流压气机中静子叶排对各特征参数的影响, 分析了旋转失速状态下静子叶排所起的作用。通过分析指向静子叶盆的滑移速度, 讨论了旋转失速状态下静子叶排加入后各性能参数的变化趋势, 解释了单级压气机所固有的一些性质。      

轴向间距对压气机气动稳定性的影响

针对低速轴流压缩系统 ,从理论分析和试验验证两个方面论述了静子在轴流压气机气动稳定性方面的作用。理论上论证了 ,当静子非首先失速部件时 ,其作用有利于抑制扰动的发展 ,增强压气机的气动稳定性 ;试验验证了 ,随着转静子之间轴向间距的减小 ,静子的增稳作用增强 ,压气机的失速流量减小