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.      

压气机旋转不稳定性的周向模态特性及其分解方法

基于实验和数值模拟的方法,研究压气机叶顶区域不稳定压力波的周向模态特性。使用基于空间傅里叶变换的周向模态分解方法对实验和数值计算结果进行了分析,给出了实验和数值计算结果的频谱模态分解结果,得到了压气机连续周向模态特征频谱峰值。对压气机叶顶区域各模态幅值和相位的时变特性做了详细分析,得到了叶顶旋转不稳定性周向模态传播速度和传播方向。结果表明:旋转不稳定性的主模态具有稳定的周向传播结构,而其他模态波的幅值和相位存在较大波动。利用多组有限测点组合方式消除了模态混叠现象影响,将可以分析的模态上限提高数倍,取决于测点数的选择;基于该方法可以用有限测点捕捉高阶模态,大大减少了实验所需的传感器数目。      

压气机叶顶流动不稳定性试验和数值研究

为了研究大叶顶间隙下压气机的流动失稳演化过程和物理机理,以某单级轴流压气机试验台为研究对象,利用布置于机匣壁面的动态压力传感器测量叶顶流场的脉动特征,利用全通道数值模拟获得与流场失稳发展相关的非定常流动细节。结果表明：随着流量减小压气机内部流动经历了稳定状态、旋转不稳定性和旋转失速3个阶段,叶顶泄漏涡的两种临界行为与不稳定性模式的转变有关。当叶顶泄漏涡移动到相邻叶片尾缘时,在与相邻叶片的干涉作用下开始随时间振荡,导致了小尺度的扰动沿周向传播,即旋转不稳定性。在近失速工况下,叶顶泄漏涡与主流交界面超过叶片流道进口平面,导致前缘溢流,并伴随着前缘径向涡的周期性产生、周向迁移和衰减。此时,前缘径向涡沿周向几乎呈均匀分布,构成了有序传播的扰动。随着压气机被进一步节流,前缘径向涡的有序传播被破坏,形成了局部聚集的分布特征,从而产生了局部堵塞更强、熵更高的失速团。     

多级轴流压气机内部噪声测试及频谱演化特征分析

主要研究压气机高压一级转子叶片出现非同步振动前后,压气机流道内部的噪声特性.利用声波导管系统,分别对某型涡扇发动机整机和压气机部件试验中压气机流道内部噪声进行了测量.对转子叶片振动前后噪声信号的频谱、特征频率处的声压级和总声压级的演化过程进行了详细分析,并与国外相关研究做了对比.分析结果表明:两种试验条件下压气机高压一级转子叶片出现非同步振动现象前后压气机流道内部噪声特性呈现相似的特征,进一步分析得知诱发压气机高压一级转子叶片非同步振动的声源可能仅存在于压气机局部范围内,激励可能是由气动力引起的并与旋转不稳定性有关.     

旋转畸变对模态波发展过程影响试验

为探究"危险频率"的物理机制,设计了旋转畸变发生器,对旋转畸变条件下两级低速轴流压气机的失速起始过程进行了试验研究.结果表明:该旋转畸变发生器在不同转速下均能输出类方波状的总压分布.旋转畸变导致压气机总静压升特性下降和稳定裕度损失,并且存在使压气机稳定裕度损失最大的畸变旋转频率.失速起始过程中模态波产生于畸变区,传播到非畸变区时会受到抑制.当畸变旋转频率等于模态波的传播频率时,模态波发展为旋转失速所需的时间最短,压气机稳定裕度损失最大.对失速起始信号的时频分析显示"危险频率"在数值上等于模态波的传播频率.     

旋转扰动波对轴流压气机气动稳定性影响

利用旋转扰动波发生器在一台低速二级轴流压气机上开展实验,研究其旋转频率、扰动扇区角度以及产生的低压区个数对压气机气动稳定性的影响,发现不同的扰动扇区角度和低压区个数下对压气机稳定裕度影响最大的“危险频率”不变.基于M-G模型发展出考虑旋转扰动波影响的二维不可压缩模型,该模型可计算不同扰动扇区角度及低压区个数的旋转扰动波对压缩系统稳定性及动态失速特性的影响,对实验压气机进行建模分析,发现旋转扰动波会诱发模态波的产生,且频率越接近旋转失速团的传播频率对压缩系统稳定裕度的影响越大.      

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.      

压气机内部噪声特征与转子叶片声固耦合机理分析

航空发动机压气机转子叶片故障多由机械激励和气动激励造成,而高强声波对转子叶片的激振因素不容忽视。通过开展某型涡扇发动机压气机内部噪声测试试验,研究压气机转子叶片振动机理及其与噪声信号的对应关系。阐述了压气机内部旋转不稳定性非定常压力波作用机制,提出了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法,完成了某型涡扇发动机压气机内部噪声信号测试,对噪声信号进行了频谱分析和声传播特性分析。研究结果表明,某型涡扇发动机压气机内部噪声信号频谱呈现高峰值纯音分量1 402 Hz,并且该纯音分量与转子叶片通过频率呈现特定的频率组合关系。该纯音分量的噪声源在压气机内部沿发动机顺航向方向从后向前传播。利用旋转不稳定性理论,将声源频率在不同坐标系下进行转换,当噪声源周向模态数为13时,该纯音分量可调制出与高压一级转子叶片一阶振动频率相对应的激振频率。     

压气机内部旋转不稳定的研究综述

旋转不稳定是压气机工作在高负荷近失速工况时的一种常见现象。研究旋转不稳定在降低压气机工作噪声、减小流致振动以及保障航空发动机稳定工作等方面具有重要意义。首先对旋转不稳定现象进行了回顾,详细讨论了旋转不稳定的特征。其次,重点调研了旋转不稳定的起源和机理,将旋转不稳定产生的原因归纳为叶尖泄漏流、涡脱落以及流动剪切等类别。此外,回顾了模拟旋转不稳定的数值方法,讨论了多种流动控制手段对旋转不稳定的作用效果。最后,对旋转不稳定的研究现状进行了总结,对未来的研究趋势进行了展望。     

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.      

涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性影响的实验研究

为了探究涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性的影响,在一台低速轴流压气机转子上开展了实验研究。将梯形和半球形两种涡流发生器分别安装在转子叶顶上游机匣上,基于不同的安装角度共制定了五种控制方案。分析了气动性能的变化,并采用频谱分析和统计分析方法考察了壁面脉动压力特性的变化。实验结果表明：采用梯形涡流发生器后,除安装角为90°的方案外,其它方案在各工况下扩压能力均略有下降,失速时的流量也明显减小。在流场存在旋转不稳定性或失速的工况,-45°方案时涡流发生器增加了来流的正预旋,增加了气流动量,同时产生的诱导涡会径向迁移,进而抑制了叶顶区域的旋转不稳定性或旋转失速的强度。     

Hysteresis behaviors of compressor rotating stall with cusp catastrophic model

Rotating stall is a complex nonlinear dynamic phenomenon which is always characterized by catastrophe and hysteresis in high aerodynamic-loading compressor. Exploring the key contributing factors and characteristic rules of hysteresis is very important for compressor design and flow instability control. In this paper, a novel model method is proposed to analyze the hysteresis behaviors to extend the understanding of compressor rotating stall. The equilibrium states of compressor system under different conditions are first described based on Moore-Greitzer model. Then, through assessing the stability of the equilibrium points by Liapunov's theorem, the ratio of shutoff head to compressor characteristic semi-height is found to affect the stall hysteresis: the size of hysteresis loop will gradually decrease, even disappear with the increase of the ratio. Combing the effects of both the ratio and throttle coefficient, the hysteresis behaviors of compressor stall under multi-parameters can be found to be consistent with the topological properties of cusp catastrophic model by Thom’s catastrophe theory. Finally, according to topological invariant rules, from the perspective of potential function, the equilibrium surface equation of compressor system is developed by standard cusp catastrophic model to describe the various hysteresis behaviors of compressor rotating stall along different control routes.     

预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型

建立了预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型,采用有限差分数值模拟单转子和一台三级轴流压气机旋转失速的形成和发展过程,预测失速特征参数。由于合理地考虑了失速流动的非定常和非线性因素的影响,大多数失速特征参数的预测结果与试验测量值相符。     

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     

双级对转压气机的失速机理

在对实验室对转压气机进行定常数值模拟的基础上,开展了对转压气机旋转失速机理的初步研究.研究结果表明:①该对转压气机在近失速工况存在突尖波型失速初始扰动;②在近失速点转子2中间隙泄漏涡在三维空间上迅速发展,导致转子2流道严重堵塞,引起压气机内部失稳;③由于转子2叶片排存在较大的气动负荷,其叶顶间隙泄漏涡的发展情况很大程度上决定着对转压气机的稳定性.      

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。      

基于重组信号混沌特性的离心式压气机流场诊断方法

为了快速、准确地对离心式压气机内复杂三维流场的稳定性进行非接触式诊断,提出了一种可以识别和预判离心式压气机内可能出现的旋转失速或喘振等严重非稳定流动结构的新方法.通过从叶轮出口处盖板侧壁压信号映射的递归图中提取出合适的混沌特性量化指标来实现流场诊断,并利用周向相邻测点信号的预先重组进一步改进了该诊断方法.使用已公开发布...     

轴流压气机三维气动稳定性及主动控制模型

给出了考虑压气机径向扰动对失速影响的轴流压气机三维气动稳定性模型。计算结果表明压气机的失速特性与压气机基元叶栅特性密切相关。在轴流压气机三维气动稳定性模型的基础上,给出了考虑轴流压气机三维效应的主动控制模型及其传递函数。