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。     

周期扰动下低压压气机旋转失速先兆辩识

为了尽早预测压气机旋转失速的发生,通过在进口施加进气周期干扰以达到识别旋转失速先兆的目的。以一台单级低速低压轴流压气机为研究对象,通过全周数值模拟再现了压气机旋转失速现象。在旋转进气畸变扰动下,具体分析不同干扰对压气机空间模态随分岔参数变化的影响,并考察幅值灵敏度在识别失速先兆中的作用。结果显示,在各种进气条件下压气机一阶、二阶空间模态的幅值及其灵敏度在各自不稳定边界均表现出明显增大的现象。通过监测一阶模态幅值灵敏度的演化,在进气畸变干扰的条件下,相比均匀进口条件能够提前识别出失速先兆。     

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     

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。     

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.      

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。      

轴流式压气机旋转失速信号的早期检测

早期检测航空发动机压气机旋转失速信号对于设计一种高效的防喘、消喘控制系统具有重要意义。通过对压气机旋转失速形成、发展、退出过程中压力信号频谱演化特性的分析,提出了一种基于FFT的压气机旋转失速信号检测判据。对某轴流式压气机压力测量信号的分析结果表明,该判据是准确、可靠和快速的,可以用于旋转失速信号的早期检测。     

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.      

压缩系统过失速过程的数值模拟

基于描述轴流压气机及其系统的动态气动响应的一维非定常数学模型,通过数值求解,即可对系统的过失速过程进行数值模拟。以一台三级压气机为算例,数值模拟了发生于该系统中的喘振和旋转失速现象     

某轴流式血液泵的实验与改进设计

原型血液泵LAP-00的数值模拟及实验结果表明,在设计转速9000r/min下,最大效率点对应的设计点流量为11L/min,远大于临床所需38L/min的流量,致使血液泵在实际应用时效率偏低;而静子区域存在的流动分离与回流,极易造成血流停滞进而引发血栓.改进后的血液泵LAP-23,将设计转速从9000r/min降低至8000r/min,减小了转子叶尖切应力对血细胞的破坏;设计点流量降低至6L/min,并消除了静子区域内的分离和回流.      

带气腔的离心压缩机旋转失速的三维数值模拟

使用商业CFD计算软件CFX求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程组, 结合出口气腔模型对某带无叶扩压器的离心压缩机的旋转失速现象进行数值模拟.首先使用定常计算得到了该离心压缩机的稳态性能曲线, 并和实验测量值进行了比较.然后引入出口气腔模型, 模拟离心压缩机内的旋转失速流动.在小流量下, 从矢量图和径向速度等值线图中观察得到了离心压缩机内部流场的非定常流动现象.还研究了气腔模型不同参数对失速流动的影响, 结果表明气腔体积越大, 计算得到的失速频率越低.      

旋转失速状态下叶片激振频率的研究

研究了各不同几何状态下（平均半径处叶片安装角从３２．９°－４７．９°，叶栅稠度从０．５８３－１．１６５）的旋转失速流场及叶片受迫振动的激振频率。在失速压力信号为非正弦信号及周向叶片并非完全轴对称的假设下，建立了旋转失速状态下叶片激振频率的预测公式，预测结果与实验结果较好的吻合表明，本文所提出的预测公式是可靠的，满足工程精度要求。     

径向预旋系统温降与流阻特性的数值研究

为了探索“预旋降温效应”在航空发动机中应用的新形式,研究径向预旋结构的温降和流阻特性,对径向预旋系统结构的简化模型进行了数值模拟,通过实验验证了数值方法,分析模型内部的流动结构,获得旋转雷诺数和无量纲质量流量对径向预旋系统温降和流阻特性的影响规律.结果表明:数值计算得到的结果与实验值趋势一致,最大相对误差不超过20%.计算的参数范围内,当流经径向预旋系统的冷气质量流量一定时,气流温降和压降均随旋转雷诺数的增大而降低;当径向预旋系统工作的旋转雷诺数一定时,气流温降和压降均随无量纲质量流量的增大而增加.      

基于小波神经网络的无叶扩压器失速分析

用来自不同文献的实验数据作为样本,对小波神经网络进行训练,并利用训练好的神经网络研究叶轮和扩压器几何尺寸对无叶扩压器失速的影响.计算分析结果表明:几何尺寸对于宽、窄扩压器失速的影响表现不同,这也证明了不同宽度的扩压器的确存在不同的失速机理.文章的结果,对无叶扩压器的设计具有一定的借鉴意义.      

高位垂直进气径向出流旋转盘腔风阻效应的实验

用实验的方法对高位垂直进气转静系旋转盘的风阻效应进行了研究,研究结果表明:转盘无量纲力矩系数随着旋转雷诺数的增加而减小;转盘无量纲力矩系数随着流量系数的增加而增加;且与冷却的具体结构有关;在高旋转雷诺数时,转盘无量纲力矩系数小于自由盘无量纲力矩系数;当流量为0时,无量纲力矩系数的数值全部小于自由盘之值.     

封闭腔内旋转圆盘阻力扭矩特性和微沟槽减阻研究

为了研究旋转圆盘的微沟槽减阻的作用机理,结合离心泵圆盘减阻问题,采用数值模拟的方法对封闭腔体中旋转圆盘的流场进行了仿真计算,并对微沟槽减阻的效果和作用机理进行了分析。计算结果显示,较小的法向间隙和微沟槽都能够起到减阻作用,最大减阻率为13.1%。对壁面参数和流场结构的分析表明,产生减阻效应的原因是法向间隙和微沟槽改变了局部涡的结构和位置,从而改变了湍流强度和壁面旋转剪切应力分布,导致圆盘受到的扭矩减小。研究结果展示了旋转条件下微沟槽减阻效应的作用机理,支持了微沟槽结构在离心泵等旋转机械中提高性能和降低能耗的应用。     

出口边界条件对跨音扩压器流场的影响

本文对音速及等压两种不同的出口边界下跨音速扩压器的流场做了实验研究.扩压器的扩张角为6°,激波波前马赫数均为1.335.实验结果表明:在等压出口边界条件时,激波自恃振荡的幅度及分离包的尺度比音速出口条件时要大得多.     

双旋转盘腔压力特性实验

将压力传感器安装在测点测量几何结构复杂的双旋转盘腔转盘表面的压力分布及盘腔进出口的总压损失.实验结果表明:当湍流参数由0.1变化到0.4时,转盘表面的压力先随旋转雷诺数的增大而减小,之后随旋转雷诺数的增大而增大,并且转变的湍流参数对于两个转盘是不同的.在相同湍流参数下,旋转雷诺数决定了转盘表面的压力分布曲线形状;两个旋转腔的总压损失随湍流参数的增大而增大,随旋转雷诺数的变化规律不同,右旋转腔两个入口到出口的总压损失随旋转雷诺数的变化规律也有差异.      

大扩张角扩压器的附面层吹除技术的研究

本文介绍以附面层吹除技术控制大扩张角扩压器气流分离的试验研究.研究中确定了抑制扩压器分离所需的最小吹除气流流量,并详细测定了流场变化和扩压性能参数.研究结果表明:对于扩张半角为15°的直壁扩压器,采用附面层吹除措施时,当吹气量为总气量的4%条件下,可明显地改善扩压性能,并消除了扩压流动中的分离.静压恢复系数较未采用吹除的原型扩压器提高7%,总压恢复约增加2%、而出口畸变指数改善8%.