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。     

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。     

非定常机匣处理对失速先兆波的抑制作用实验研究

非定常机匣处理在不影响效率的前提下可以明显提高压气机的稳定工作范围,针对这种通过改变斜槽和气室来调节壁面阻抗边界条件的新型处理机匣,从非定常角度,开展其对失速先兆波产生及发展的影响的实验研究.在压气机转子前缘附近沿圆周均匀布置八支高频响压力传感器,采集壁面动态压力信号,进行周向傅立叶分析(SFT)和功率谱密度分析(PSD),捕捉到旋转失速先兆波的出现和发展的动态细节,比较光壁和处理机匣两种情况的结果,证实了处理机匣并非阻止了失速先兆波的出现,而是有效的抑制了其非线性发展.非定常机匣处理改变了压气机系统的阻抗边界条件,能够在全过程中对低频扰动波进行有效的抑制,从而推迟旋转失速的发生,实现压气机的扩稳目的.      

亚声速轴流压气机失速监测方法试验

为了研究轴流压气机失速先兆信号监测的有效算法,对亚声速轴流压气机试验台的孤立转子在不同转速下,从稳定工况到失速工况叶顶不同轴向位置进行了动态压力信号测量试验,采用自相关分析和方差分析算法对试验数据进行了对比分析。结果表明,该压气机为突尖型失速,在叶顶前缘附近能明显感受到失速先兆信号,自相关分析监测到失速先兆信号的时间明显早于方差分析,可更有效的达到失速预警的作用。     

周向畸变条件下压气机失速先兆分布特征

在低速单转子轴流压气机实验台上开展了周向插板式畸变实验研究,通过安装在叶顶前缘的动态压力传感器和转子出口的梳状五孔探针获取不同插板高度下畸变进气失速特性,结合实验及数值模拟,并采用时域分析法和一维连续小波方法对失速先兆传播特性及失速先兆尺度进行了分析。研究结果表明,失速先兆总是在叶顶前缘位置首先出现,然后由叶顶前缘沿轴向传播至转子出口叶顶位置,之后沿径向传播由叶顶向叶根发展直至失速团占据整个径向叶高。同时,随着畸变强度增加,失速先兆传播速度逐渐增加,且尺度不断增大,从突尖型失速先兆变为长尺度型失速先兆。      

失速团动态演变特性试验

对一台单级低速轴流压气机进行了节流特性试验,通过周向布置动态压力传感器测得了节流过程的动态压力信号,结合时域、频域及极坐标可视化的分析方法,研究了节流过程的失速团动态演变特性.结果表明:失速先兆类型为模态波失速先兆,其传播频率约为40%转子转动频率;压气机进入失速初期349.5r时周向形成两个失速团,360r时两个失速团合并为单个失速团,压气机进入深度失速时单个失速团重新分裂并在410r时稳定为两个失速团;压气机退出失速的过程中,665r时两个失速团重新合并为单个失速团,674.5r时压气机退出失速.      

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

低速轴流压气机叶尖非定常流动试验

利用动态压力传感器对一低速轴流压气机转子的叶顶间隙流场进行详细的试验测量,通过对信号特征的分析,对压气机节流过程中叶顶间隙的非定常流动发展演变规律进行了研究。结果表明：压气机完全失速时,叶尖存在一以46.5%转子转速周向传播的失速团;节流过程中,叶尖前缘处的动态压力信号中存在非定常波动的特征频率带,其变化规律与叶顶流场压力非定常波动的能量迁移有关;随着压气机流量减小,叶顶泄漏流影响区域向前缘移动,失速团在叶顶前缘附近产生,并向尾缘方向扩展,最终覆盖叶片全部弦长;近失速工况时,叶顶间隙相邻通道内泄漏流相互作用,造成通道中的低压区“一前一后”交替分布从而形成一个空间上周期约2个叶片通道的扰动波。     

动叶下游非定常特征的实验

在自主搭建的低速大尺寸轴流压气机实验台上,使用动态四孔探针和壁面安装的Kulite动态压力传感器进行了详细的实验测量,研究了动叶下游的非定常特征及其流动机理。通过分析动叶下游总压的功率谱密度PSD(power spectrum density),发现在叶顶区域存在0.4倍叶片通过频率BPF(blade passing frequency)左右的非定常频带。这种总压波动频带主要是由轴向速度的波动引起,随流量工况点接近失速点而逐渐增强,在向下游传播的过程中逐渐衰减。波动区域根据总压PSD的衰减速度可以分成两个部分,靠近机匣壁面的部分波动强度衰减较快。综合分析动叶下游的涡量和机匣壁面静压PSD等测量结果,发现这种非定常频带的强弱和衰减跟叶顶泄漏涡与边界层、尾迹的互相作用密切相关。     

低速轴流压气机中气动旋转不稳定性和叶顶泄漏流脉动特性

为了探究气动旋转不稳定性和叶顶泄漏流脉动特性的关系,对一台1.5级低速轴流压气机进行了实验和数值研究.在转子顶部机匣上布置动态压力传感器,采集不同流量下叶顶的压力脉动信号,在小流量下捕捉到了旋转不稳定性的产生.通过锁相平均和方均根压力图谱,发现当叶顶泄漏流与相邻叶片发生干涉时叶顶流场脉动显著增强.对压气机转子进行全通道数值模拟,发现叶顶泄漏流在小流量下发生周期性振荡,且相邻流道间的压力脉动具有相位延迟,这诱导产生了一个具有多重频率的旋转压力波.通过频谱分析发现:脉动的叶顶泄漏流产生的旋转压力波与旋转不稳定性具有一致的频率特性,表明叶顶泄漏流的脉动对压气机中旋转不稳定性的产生具有重要作用.      

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.     

Identification of vortices in a transonic compressor flow and the stall process

IntroductionVortex is often the essential element re-sponsible for triggering stall and surge in com-pressors.So the identification and the analysisof the vortices in compressor are usually quitehelpful for the understanding of the compressorbehavior.Howe…     

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。     

跨声速轴流压气机径向涡现象与失稳机理

对NASA Rotor 37进行数值模拟并与实验结果对比,计算了堵塞点到失稳点的全部工况,详细探究了跨声速轴流压气机附面层分离规律与失稳机理.研究发现:激波后的吸力面附面层中存在一条径向涡,它增强了附面层分离,使部分靠近吸力面的主流向叶尖堆积.随着工况向失稳点推进,压气机转子叶尖出现两块堵塞区,由叶尖泄漏涡与激波作用引起的堵塞区位于压力面前端,由叶尖泄漏涡与径向附面层分离涡耦合作用引起的堵塞区位于吸力面50%弦长后,两块堵塞区的叠加作用最终引起压气机失稳.      

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.      

基于POD方法的跨声速轴流压气机转子叶顶间隙流场分析

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 36为对象,研究了叶顶间隙流场的非定常流动特性。在数值模拟结果的基础上,采用本征正交分解(POD)方法获取POD模态和时间系数分布规律,进一步分析了近失速工况下叶顶间隙流场的流动特性。结果表明:在近失速工况下,叶顶间隙流场的主导频率为叶顶泄漏涡频率,约为0.6倍转子通过频率;能量较高的POD模态决定了叶顶泄漏涡的波动频率和幅值,低能量的高阶涡则影响流场的细微结构;同时发现,前5阶POD模态就可以很好地重构流场,这为低阶模型的应用提供了一定的理论指导。      

自适应流通机匣处理改善压气机性能的机理

为了探索自适应流通机匣处理形式影响跨声压气机性能及流场的流动机理,文中采用非定常数值模拟方法研究了自适应流通机匣处理对NASA轴流Rotor37气动性能的影响。数值计算结果表明:自适应流通机匣处理能有效地延迟失速并在大部分流量范围内略微提高压气机的效率。通过详细的流场分析表明,该机匣处理能有效地增大叶顶区的气流进气角度,抑制了间隙泄漏涡在叶顶通道内的发展,同时阻止泄漏涡涡核在通过激波后破碎,提高了转子顶部通道的流通能力,进而减少叶顶区的流动损失。     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。