径向进气总压畸变对压气机气动稳定性的影响

为揭示径向进气总压畸变对压气机气动稳定性影响的物理机制,分别开展了尖部和根部进气总压畸变对压气机稳定边界以及动态失速过程影响的试验研究。结果表明,均匀进气时,压气机在叶尖区域首先形成失速团;径向总压畸变会引起气流参数的径向分布发生变化,其中尖部进气总压畸变会增加叶尖区域的攻角,导致压气机失速提前,而根部进气总压畸变则会改善叶尖区域的流场,降低攻角,使压气机失速延迟;气流参数径向分布变化也会影响动态失速过程中模态波扰动和失速团的三维扩散过程。     

叶根失速先兆触发跨声速压气机失速的机制研究

实验中发现了一种起始于叶根的新型压气机失速先兆,为了探索这种先兆的初始扰动特征及失速的动态发展机制,对该压气机开展全周非定常数值研究。数值结果表明,在压气机进入失速的过程中,静子叶根区域首先形成堵塞区,验证了失速初始扰动起源于叶根区域。该扰动由六个轴对称分布、以45%转子转速旋转的堵塞团组成。随着失速程度的加深,静子叶根堵塞团在低叶高范围内合并为整圈的分离区,造成整个叶根区域流动的堵塞。叶根的堵塞导致气流从堵塞区上方绕行,加快了叶尖区域的流动速度,激波的增强导致叶顶泄漏涡破碎程度加剧,形成转子叶尖堵塞区并发展为旋转失速团,最终导致压气机失速。     

总温畸变下跨声压气机失速过程非定常模拟

为研究进气总温畸变条件下跨声压气机失速机理,对德国Darmstadt跨声单级压气机开展进口周向范围180°、高温区500 K总温畸变条件下全环非定常数值模拟研究。结果表明进气总温畸变条件下压气机流量显著减小,总压比大幅下降。压气机转子出口面不同周向位置的总压径向分布不同。对于顺转子叶片旋转方向,在高温区总压逐渐减小,低总温区域的转子出口总压高于高总温区域。随压气机逐渐接近失速点,总压径向分布不均匀性增大。当流量进一步减小后,总温畸变下诱发旋转失速的先兆波为突尖型,最先出现失速先兆的周向位置是转子叶片离开低温区、转入高温畸变区时。失速先兆的周向传播速度约为88.9%转子转速,失速初期失速团的周向传播速度约为66.0%转子转速。整个失速过程伴随转子出口流量的大幅度波动,由失速团沿周向的运动和合并引起。     

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。     

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

局部喘振的发生机理

为了深入研究高负荷压气机的失稳机制,明确失稳先兆局部喘振现象的发生机理,总结了某跨声压气机在均匀进气不同工作转速下失稳过程的实验结果,继而对其在进气畸变条件的失稳过程开展实验和数值研究.结果发现:在均匀进气条件下,局部喘振在低转速时并未发生,而发生于高转速情况下,推断局部喘振的发生与压气机叶根区域的相对高负荷有关.随后在高转速下降低叶根负荷,则局部喘振现象不再发生;而在低转速下升高叶根负荷,则局部喘振现象发生.所以得出结论,压气机叶根相对高负荷确实为局部喘振的发生条件.对于所研究的压气机,如果近失速点叶根扩散因子超过0.6,则会发生局部喘振现象.      

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。      

单级轴流压气机失速起始的数值模拟

基于某亚声单级轴流压气机试验台孤立转子环境下预失速行为的研究成果,进一步数值研究了该试验台单级环境下的失速起始过程.数值探针的监测结果表明,失速起始过程中单级轴流压气机的流动失稳始于转子叶尖部位,这与前期针对该试验台流动失稳的测量结果是一致的.对数值模拟的瞬态流场进行分析表明,先兆波的型式已从孤立转子环境下的“突尖”型转变为单级环境下的“多个小失速团”型,说明静叶的存在改变了近叶尖载荷的周向分布规律.然而,“叶尖二次涡”的形成与运动依然是“多个小失速团”型先兆波浮现的流体动力学机理.      

圆弧槽处理机匣对影响跨声速压气机叶根失速先兆发展过程的实验研究

针对在一台跨声速压气机上发现的叶根型失速先兆局部喘振,通过实验方法,探究了一种特殊设计的圆弧槽处理机匣对局部喘振型叶根失速先兆发展过程的影响。通过对比实壁机匣和圆弧槽处理机匣的实验数据,压气机的稳定工作裕度在应用处理机匣的情况下拓宽了19.88%,而总压比峰值点仅降低了0.3%,同时绝热效率基本保持不变。结果表明:(1)实壁机匣情况下,压气机失速时伴有低频的局部喘振和高频的失速团信号,而安装圆弧槽处理机匣的实验结果表明在同样的流量下局部喘振现象依然存在,但此时压气机仍能稳定工作,证明局部喘振的发生与叶根高负荷有关,但与叶尖的流动情况无关;(2)处理机匣的使用改善了叶尖流动情况,推迟了转子叶尖区域高频旋转失速团的发生,从而实现了对叶根型失速先兆压气机的拓稳效果,同时这也揭示了在局部喘振型失速发展过程中,由局部喘振诱导的高频、发生于叶尖的旋转失速团是压气机失速的重要原因。     

基于模态波理论的压气机失速先兆识别方法

针对压气机气动失速预警存在无法兼顾对渐进型和突尖型失速先兆有效识别的不足，以及提取失速团幅值需要多路传感器信号的局限。分析了压气机失速发展过程中的信号特征；根据压气机失速信号的旋转特性，提出基于单路传感器信号重构周向多路失速先兆信号的方法，讨论了信号重构步长的取值；基于模态波理论，通过对重构信号进行空间傅里叶变换，得到失速扰动信号各阶模态幅值，根据低阶模态的幅值变化实现对渐进型与突尖型失速先兆的识别。以某压气机为例进行仿真，结果表明:当信号重构的步长小于突尖波时间尺度的一半时，重构的多路信号能够复现压气机周向位置失速发展过程，且步长越小，越有利于失速先兆的识别；由模态分解得到的1阶模态幅值的变化能够有效反映失速发展过程；通过合理设置模态幅值的阀值，可以在失速发展前期对失速先兆进行准确识别，从而，基于单路传感器失速信号即可实现对渐进型失速和突尖型失速均能进行预警。