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。     

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。     

基于非定常喷气的压气机模型及模态控制

以定常喷气下的多维压气机系统模型为基础,考虑引入非定常喷气带来的质量和动量效应,建立了非定常喷气下的多维压气机系统模型；分析了压气机主动稳定模态控制机理,并在上述模型基础上设计了非定常喷气下的模态控制律。以某压气机为例,在失速工况下,分别进行无喷气开环性能和非定常喷气下模态控制仿真。结果表明:与定常喷气模态控制相比,采用非定常喷气进行模态控制,流量仅为定常喷气的57%~80%,即可达到相同的控制效果,可有效减少喷气控制的流量,并且前4阶模态控制可以扩展压气机稳定工作范围达2.34%；控制模态越多,扩稳范围越大。      

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。     

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。     

周向畸变下轴流压气机的失速预警方法研究及应用

为了探究进气畸变条件下轴流压气机的有效失速预警方法并将其应用于主动控制系统中,在一台低速单转子轴流压气机上对均匀进气和周向畸变条件下的失速预警方法进行了实验研究。实验通过在进口布置高度可调节的插板来产生不同强度的周向畸变,并通过在转子叶顶布置的动态压力传感器测得非定常压力信号,运用自相关、互相关和均方根算法对其进行分析,比较了周向畸变下三种失速预警方法的可靠性。分析结果表明:只有传感器安装在畸变区时自相关和均方根分析才有效;互相关分析不依赖于传感器的安装位置,在畸变区和非畸变区均能有效感受到畸变的影响,且互相关系数随着周向畸变的产生或消失相应地下降或上升,因此在周向畸变下互相关分析为更有效的失速预警方法;最后在基于互相关分析的基础上对该单转子轴流压气机实施了喷气主动控制应用,在24.75%畸变强度条件下,主动喷气能取得9.32%的失速裕度改善,与定常喷气相比,获得几乎相等的失速裕度改善的同时节省了约40%的喷气量。     

基于互相关分析的前失速先兆检测分析

 针对轴流压气机流动失稳控制中的反馈信号,采用互相关分析方法对前失速先兆信号进行了检测。通过在机匣壁面周向对称布置的动态传感器对压力信号进行检测分析,并在单转子低速轴流压气机上进行了实验研究。实验中分析了不同流量工况时,对称布置动态传感器压力信号互相关系数的变化趋势,并在此基础上对前失速先兆与叶顶间隙泄漏涡非定常性进行了关联性研究;同时也分析了采用叶顶喷气作为控制手段之后,机匣壁面对称布置传感器动态压力信号的互相关系数随着喷气量增加的变化趋势。实验结果表明:互相关检测分析方法能够有效及时地检测到壁面压力锯齿波的破坏程度,有利于提高控制器的响应速度,留给作动机构充足的反应时间。而且叶顶喷气作为控制手段能够提高对称布置传感器动态压力信号的互相关系数,从而实现拓宽稳定裕度的目的。     

紧连阀轴流压气机变转速过失速瞬态模型

为了给各种压气机喘振主动控制器提供验证平台,提出了一个新的旋转失速及喘振模型.该模型在Moore-Greitzer轴流压气机过失速瞬态模型的基础上,考虑了转子动态及旋转失速高阶谐波对压气机气动稳定性的影响,并且在模型中增加了紧连阀作为执行机构.仿真结果表明:随着压气机转速的增加,压气机的失稳行为由旋转失速转为喘振;压气机转速的变化作为系统内部扰动,可能使压气机在节流阀开度较大时便进入气动失稳状态;虽然压气机初始扰动仅含有1阶谐波,但随着旋转失速的发展,高阶谐波强度不断增长而变得不可忽略.      

基于互相关分析的前失速先兆检测分析

针对轴流压气机流动失稳控制中的反馈信号,采用互相关分析方法对前失速先兆信号进行了检测。通过在机匣壁面周向对称布置的动态传感器对压力信号进行检测分析,并在单转子低速轴流压气机上进行了实验研究。实验中分析了不同流量工况时,对称布置动态传感器压力信号互相关系数的变化趋势,并在此基础上对前失速先兆与叶顶间隙泄漏涡非定常性进行了关联性研究;同时也分析了采用叶顶喷气作为控制手段之后,机匣壁面对称布置传感器动态压力信号的互相关系数随着喷气量增加的变化趋势。实验结果表明:互相关检测分析方法能够有效及时地检测到壁面压力锯齿波的破坏程度,有利于提高控制器的响应速度,留给作动机构充足的反应时间。而且叶顶喷气作为控制手段能够提高对称布置传感器动态压力信号的互相关系数,从而实现拓宽稳定裕度的目的。     

轴流压气机跨声级转子叶顶喷气的流动特性

采用带周向槽处理机匣的动叶叶顶喷气方法,研究了叶顶喷气对一轴流压气机跨声级转子在设计转速下的性能(包括失速裕度和效率)和内部流动特征的影响。结果表明,叶顶喷气能显著提高压气机的失速裕度,同时效率有所降低。不同流量和角度喷气的计算结果比较得出,近0°喷气角和0.5%喷气流量时,喷气效果最佳。对比无喷气时,失速裕度提高10%,峰值效率下降不到0.5%。内部流场结构的剖析揭示了叶顶喷气控制叶顶区的流动引起失速裕度提高和效率下降的内在流动机理。     

自适应流通处理机匣喷气位置对压气机性能的影响

采用数值模拟方法研究了跨声风扇转子Rotor 67的失速机理和3个喷气位置的自适应流通处理机匣对转子性能的影响.结果表明:叶顶间隙泄漏涡中低速团是诱发失稳的主要原因;3个喷气位置的处理机匣均增大了压气机的稳定工作范围,喷气位置居中和后移的处理机匣综合稳定裕度改进量分别为13.43%,9.47%,均大于前移的2.72%;喷气位置居中和后移有利于抑制间隙泄漏流的发展,减小低能流体泄漏范围;相比前移和居中,后移不能激励压力面前缘处的低速团和抑制低能流体从叶顶前部泄漏.      

低反力度跨声速转子的叶顶喷气扩稳数值研究

为进一步提高低反力度压气机的稳定工作范围，以某三级低反力度高负荷压气机首级跨声速转子为研究对象，借助三维数值模拟方法，进行了叶顶喷气扩稳研究，分析讨论了叶顶喷气提升低反力度压气机转子稳定性的机理，并探讨了不同喷气轴向位置对扩稳效果及气动性能的影响。结果表明：叶顶喷气通过削弱叶顶泄漏涡和通道激波的相互作用，抑制了转子近失速工况下泄漏涡的破碎，消除了叶顶通道的大面积堵塞，拓宽了转子的稳定工作边界；随着喷嘴的位置从叶顶前缘处沿轴向上游移动，转子的失速裕度提升量呈现出先增大后减小的趋势，综合扩稳效果和对压气机总性能参数的影响，最佳喷气轴向位置为叶顶前缘上游转子5%叶顶轴向弦长处；叶顶喷气改变了转子气动参数的径向分布，降低了转子上15%叶高范围内的负荷，同时也使得其它叶高区域的负荷提升。     

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.     

微喷气对压气机稳定性影响的实验

在低速双级轴流压气机上开展了一系列不同喷射系统布局、射流参数的实验研究,并探讨了微喷气扩大压气机稳定裕度的原因.结果表明:当布局在压气机进口的喷嘴周向均布且不小于4个的时候,压气机稳定裕度增量主要受到每个喷嘴的出口动量的影响;微喷气扩稳的机理是从频率和压力幅值两个方面抑制模态波的发展,越接近喷气流,模态波被抑制的程度越大,一旦喷气流无法抑制模态波的发展时,压气机就会进入失速状态.      

Experimental and numerical study of tip injection in a subsonic axial flow compressor

Parametric study of tip injection was implemented experimentally on a subsonic axial flow compressor to understand the underlying flow mechanisms of stability improvement of the compressor with discrete tip injection.Injector throat height varied from 2 to 6 times the height of rotor tip clearance,and circumferential coverage percentage ranged from 8.3％ to 25％ of the annulus.Static pressure fluctuations over the rotor tip were measured with fast-response pressure transducers.Whole-passage time-accurate simulations were also carried out to help us understand the flow details.The combinations of tip injection with traditional casing treatments were experi mentally studied to generate an engineering-acceptable method of compressor stall control.The results indicate that the maximum stability improvement is achieved when injectors are choked despite their different sizes.The effect of circumferential coverage percentage on compressor stabil ity depends on the value of injector throat height for un-choked injectors,and vice versa.Tip blockage in the blade passage is greatly reduced by the choked injectors,which is the primary reason for stability enhancement.The accomplishment of blockage diminishment is maintained in the circumferential direction with the unsteady effect of tip injection,which manifests as a hysteresis between the recovery of tip blockage and the recovery of tip leakage vortex.The unsteady effect is primarily responsible for the effectiveness of tip injection with a partial circumferential coverage.Tip injection cannot enhance the stability of the rotor with axial slots significantly,but it can improve the stabil ity of the rotor with circumferential grooves further.The combined structure of tip injection with circumferential grooves is an alternative for engineering application.     

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。     

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.