压气机旋转失速声学特性及主动控制策略探讨

通过对轴流压气机旋转失速的声学特征的描述，从非定常角度出发对旋转失速发作的原因及其声学特性进行了分析。同时，对轴流压气机非定常现象具有的时间尺度进行了对比研究。建立了考虑旋转失速声学特性的开环系统控制的物理模型，对于揭示轴流压气机旋转失速机理以及进一步对旋转失速进行主动控制提供了理论基础。     

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。      

压气机旋转失速特征参数的一种声学测量方法

轴流压气机旋转失速试验的重要内容之一,是通过各种测试手段来研究失速团数目、失速团旋转角速度等旋转失速特征参数与压气机气动、几何参数之间的关系,以期对于旋转失速发作机理的理解日臻深化。与现有的方法不同,本文探索一条通过声学测量与分析达到上述目的途径。现将初步试验以及相应的分析阐述如下。      

低速轴流压气机旋转失速特性试验

在一台双级低速轴流压气机上进行了均匀进气时的全流量特性试验研究,重点分析了该压气机旋转失速特性随流量系数的变化情况和失速起始特性.试验结果表明,压气机在失速前出现模态波扰动,其传播频率约等于40%转子旋转频率,范围贯穿整台压气机;压气机第二级在模态波扰动诱导下率先进入旋转失速,初始失速团旋转速度为83.3%转子转速;失速团在向第一级扩散传播过程中,其旋转速度逐步降低,最后稳定在41.9%转子转速;失速团旋转频率随着流量系数的降低而减小;失速团范围随着流量系数的减小而逐渐增加.      

轴流压气机失速初始扰动形式的实验研究

对一单级轴流压气机的旋转失速发展过程进行了实验研究。应用SFC分析方法识别出失速的初始扰动有旋转波和小失速团两种形式,并且发现,压气机结构型式对失速的初始扰动形式有很大的影响。单级压气机与弧立转子相比,其失速初始扰动形式更为明显地表现为旋转波扰动。      

基于节流阀模型跨声速轴流压气机失速特性研究

为了研究跨声速轴流压气机失速特性,基于节流阀模型,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 37进行了数值计算,得到了整个失速过程中的流场分布.结果表明,随着阀门进一步关小,压气机逐渐进入旋转失速,在失速发展过程中,失速团逐渐扩展至10％ ～ 20％叶高,并绕着旋转轴以低于转子转速同方向旋转.     

扰动波对轴流压气机旋转失速的影响

提出了考虑轴流压气机进出口气流角和非定常损失变化的二维旋转失速稳定性模型,进行了数值分析和讨论。计算结果表明压气机前方的扰动波对压气机旋转失速稳定性有一定的影响,压气机本身的结构形式以及压气机上、下游结构对扰动波的传播速率有重要影响     

进气畸变对低速轴流压气机失速特性的影响

利用插板扰流器模拟压气机进口畸变流场,并深入分析了此畸变流场对某单级低速轴流压气机的旋转失速特性的影响.通过对压气机性能瞬时响应、失速扰动信号的发展和失速扰动信号的频谱特性的分析,探讨了进气总压畸变对压气机失速形式、失速强度、失速频率的影响.在畸变区形成的失速扰动将经历形成、发展、衰减甚至消失这一发展过程,只有当阻尼不足以阻止失速扰动的发展和周向传播时,压气机才会进入旋转失速状态,从而影响了压气机失速特性.      

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.      

旋转进气畸变对压气机气动稳定性及失速起始特性的影响

开展了旋转进气畸变对压气机气动稳定性影响的试验研究,试验结果表明旋转畸变网对压气机的气动稳定性和总静压升特性均有很大的影响.当畸变网与压气机相反旋转时,压气机的压升能力变化较小,稳定边界点流量系数变化不大;当两者转向相同时,进气畸变旋转频率对稳定边界点的压升系数和流量系数的影响均较大,尤其是在40%60%转子转速范围内压气机的稳定性和压升能力急剧下降.通过对特征频率幅值变化的分析,认为畸变网转速在40%60%转子转速范围内时,首先产生由畸变网后低压区诱导的旋转失速;随着压气机工作流量的继续降低,压气机进入其自然旋转失速状态.失速起始过程的试验结果表明,旋转进气畸变对于该压气机的失速起始特性未产生影响,表现为模态波失速起始的特征.      

组合压气机旋转失速特征的小波分析

采用高频响动态压力探针测量了小流量轴流/离心组合压气机的旋转失速和喘振,并采用基于Morlet小波时频分析和小波系数奇异分解的方法分析了压气机失速信号.研究结果表明:稳定工况下,频率分量较多、幅值较小.失速工况下,特征频率能量较大、且成倍频关系.在该组合压气机的失稳过程中,并没有引起大幅度的压力脉动.压气机光滑地从失速前出现的模态波过渡到完全失速.周向存在2个失速团,失速团传播速度约为44.8%~45.9%转速.      

对转压气机最先失速级的小扰动理论分析

 对转压气机(CRC)由于其独特的气动和结构优势而被认为是进一步提高航空发动机推重比的重要技术途径之一。在小扰动理论的基础上发展了对转压气机旋转失速的小扰动分析方法,并以实验室对转压气机为研究对象,采用小扰动理论和计算流体力学(CFD)数值模拟两种方法对不同转速匹配工况下的最先失速级位置进行了相应的研究,为对转压气机失速边界的预估探索一种快速有效的方法。研究结果表明:①旋转失速的小扰动分析方法可以较好地预估对转压气机失速边界和最先失速级位置;②小扰动分析方法和CFD计算结果均显示:转速匹配方案对对转压气机最先失速级位置存在明显的影响。当转速比大于或等于0.9时,转子2为最先失速级;当转速比小于0.9时,转子1为最先失速级;③由于小扰动分析方法进行了大量的简化,因而使得预估值同实际值之间存在相应的误差。同时,由于对转压气机级间存在较强的非定常性,进而使得相对误差进一步增大。     

低速轴流压气机旋转失速边界的模型描述

从低速轴流压气机完整旋转失速过程所具有的突变性和迟滞性等典型动力学特征出发，通过对其拓扑性质的对比分析，证明压气机旋转失速与突变理论尖点突变模型在拓扑结构上具有相似性；以拓扑不变性定理为基础，通过发展有效的拓扑映射方法，建立了尖点突变模型的突变点集与压气机旋转失速突变点集之间的拓扑映射关系.在两台低速轴流压气机上的模型实际应用效果表明:尖点突变模型能够定性地描述具有突变型失速特点的低速压气机不同转速工况下完整旋转失速过程的突变性、迟滞性以及分岔特性，通过该发展的拓扑映射方法，可以将实验获取的失速点和恢复点完全映射到模型线上，这表明尖点突变模型能较为准确地描述旋转失速的失速边界.      

跨声速压气机转子失速过程的实验

针对一台跨声速压气机转子在不同转速下的失速过程进行了稳态和动态实验研究.通过对原始信号、小波分析结果以及FFT(fast Fourier transform)变换结果的分析得到,该压气机转子在3个不同转速时均为突跃型全叶高失速,流场中存在一个失速团,失速团沿周向的传播方向与转子转动方向相同,其相对静止坐标系的量纲一转速随转子转速的增大而减小,对这一规律产生的原因进行了分析.      

轴流压气机失速特征识别

为了能够准确识别压气机旋转失速过程中失速团的数目,将压气机旋转失速过程中脉动压力波动的相位和幅值特征绘制在极坐标中,然后根据其在极坐标图中表现出来的特征来确定失速团的数目.经过与传统方法对比说明该分析方法对于失速团数目的确定优于原有的方法,具有抗噪性和一定的精度.另外,使用该方法可以可视化周向失速分布区域,并能可视化压气机失速先兆的发生和发展.      

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.