轴流压气机中叶尖泄漏涡、失速先兆、叶尖微喷气非定常关联性的实验研究

论文摘要

压缩系统中对以旋转失速和喘振为代表的流动失稳现象的控制，一直是困扰叶轮机械工业界的难题，也是推动当今流动失稳机理研究深一步开展的主要动力。本文的研究目的有两层：一、机理方面，对低速轴流压气机的转子顶部进行微喷气已经证明可以有效的抑制旋转失速，对微喷气引起的非定常响应机制也有初步证明，但对所对应的物理现象尚不够清楚。而近年来，人们发现在某些流动条件下，叶顶泄漏涡会产生明显的非定常波动，并影响压气机的总性能。这就形成了对物理现象研究的一个重要思路，那就是探求泄漏涡非定常波动的形成机理以及这种非定常性与旋转失速之间的关系。就微喷气而言，则是探求微喷气的响应机制与泄漏涡非定常性之间的关系。本文的第一部分将通过一系列实验来确证与分析这种关系。二、应用方面，微喷气作为一种新的扩稳措施，它的成功与否要看最终能否应用于实际的压气机中，因此为了在实际应用中实现最佳的扩稳效果，提供指导性的微喷气参数设计准则是本文的第二个目的。在第三章中，本文首先针对喷嘴结构进行了改进，一方面是使喷嘴结构向实用化推进，另一方面是改进后的喷嘴结构可以用来直接观察微喷气作用于泄漏涡的结果。通过一系列的实验表明：喷气的影响区域越贴近叶项区域，扩稳效果越好，此时扩稳效果的好坏将取决于喷气的出口动量。在第四章中，对于如何研究泄漏涡非定常性与旋转失速之间的关系，首先需要能从实验数据清晰地确认泄漏涡的位置及其非定常性的发生。本文通过对转子顶部的壁面静压采用锁相平均法和均方差分析来判断泄漏涡的起始位置和轨迹走向，然后结合功率谱分析确证由泄漏涡非定常性引起的特征频带。对在压气机机匣沿周向所布置的8只传感器分析结果发现：压气机的上半周泄漏涡非定常性表现活跃，而下半周非定常性几乎不出现，而泄漏涡非定常性活跃的地方也正是已实验证明的突尖型先兆的源头，表明了泄漏涡非定常性与旋转失速存在某种关系。在第五章中，基于微喷气能够提高压气机的稳定性(正面影响)，因而可将它作为一种手段用于本项研究，以求进一步验证泄漏涡非定常性与旋转失速的关系。首先在泄漏涡非定常性发生之前和之后进行喷气，对结果的分析表明：微喷气可以将泄漏涡的起始位置向下游推移，相当于抑制了泄漏涡非定常性的发生，从而推迟失速的发生。接着通过不同轴向喷气位置和不同周向位置喷气的结果都表明：顶部微喷气可以有效抑制泄漏涡非定常性的发生。这些结果从正面的效应验证了泄漏涡非定常性与旋转失速存在的关系。在第六章中，基于进口畸变可以降低压气机稳定性(负面影响)，将它也作为一种研究手段，从另一角度来验证泄漏涡非定常性与旋转失速的关系。实验结果表明：进口畸变与泄漏涡非定常性活跃的地方相重叠时会大大降低压气机稳定性，而不重叠时压气机的稳定性相对较好。另外，存在进口畸变下，微喷气也可以有效提高压气机的稳定性。在第七章中，基于低亚音速压气机和高亚音速压气机上施加微喷气实验结果的相互验证与分析，为在实际应用中实现最佳的扩稳效果，提出了若干指导性的微喷气参数设计准则，例如喷嘴轴向安装位置最好位于动叶前缘附近，喷气方向沿轴向方向，扩稳效果取决于喷气出口动量等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 压气机流动失稳的控制技术
• 1.2.1 失稳的主动控制
• 1.2.2 旋转失速的叶尖喷气控制技术
• 1.2.3 流动失稳控制研究的小结
• 1.3 旋转失速先兆及其检测的研究
• 1.3.1 失速先兆多样性的研究
• 1.3.2 失速先兆检测的研究
• 1.3.3 失速先兆研究小结
• 1.4 旋转失速机理的研究
• 1.4.1 旋转失速模型的研究
• 1.4.2 叶尖泄漏涡与失速先兆关联性的研究
• 1.4.3 旋转失速机理研究小结
• 1.5 上面综述对本文工作的启发
• 1.6 本文主要研究目的和内容
• 第二章 实验装置及测试系统
• 2.1 低速单转子压气机实验台及数据采集设备简介
• 2.1.1 低速轴流压气机实验台介绍
• 2.1.2 数据采集设备介绍
• 2.2 高亚音单转子轴流压气机实验台及数据采集简介
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 测量系统及测试方法
• 2.2.2.1 探针的设计和校准
• 2.2.2.2 数据采集
• 第三章 低速轴流压气机顶部微喷气的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 研究对象及测量方案
• 3.2.1 研究对象
• 3.2.2 测量方案
• 3.2.2.1 压气机稳态特性测量方案
• 3.2.2.2 压气机动态数据测量方案
• 3.3 喷嘴设计及喷气系统
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 四套不同径向角喷嘴的扩稳效果比较
• 3.4.2 三种不同孔径喷嘴的扩稳效果比较
• 3.4.3 新旧喷嘴结构的扩稳效果比较
• 3.5 动态数据处理结果分析
• 3.5.1 壁面压力谱直接观察法
• 3.5.2 小波分析结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 叶顶泄漏流非定常性与旋转失速的关联性探讨
• 4.1 引言
• 4.2 研究对象和测量方案
• 4.3 低速压气机实验结果与分析
• 4.3.1 流量工况对叶顶泄漏流非定常性的影响
• 4.3.1.1 壁面动态压力谱分析
• 4.3.1.2 锁相平均和 RMS 分析
• 4.3.1.3 PSD（功率谱）分析
• 4.3.2 泄漏涡非定常性与旋转失速的关系
• 4.4 本章小结
• 第五章 微喷气影响泄漏涡非定常性的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验装置
• 5.2.1 实验台及测量方案
• 5.2.2 喷气系统
• 5.3 验证泄漏涡非定常性与旋转失速关系
• 5.3.1 实验方案设计
• 5.3.2 确认频带 2 出现的工况点
• 5.3.3 工况 6 开始喷气的结果分析
• 5.3.4 工况 1 启动喷气与工况 6 启动喷气的结果分析
• 5.3.5 不同轴向位置喷气的扩稳效果比较
• 5.3.6 不同周向位置喷气的扩稳效果比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 进口畸变下微喷气提高压气机稳定性的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验装置
• 6.3 进口畸变与泄漏涡非定常性耦合作用的实验结果
• 6.4 不同进口畸变下微喷气的实验结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 不同喷气方案下微喷气扩稳效果分析
• 7.1 引言
• 7.2 实验装置及测量方案
• 7.3 实验结果分析
• 7.3.1 不同喷气量实验结果分析
• 7.3.2 不同喷气角的实验结果
• 7.3.3 不同喷嘴个数的实验结果
• 7.3.4 不同轴向喷气的实验结果
• 7.3.5 不同喷嘴出口孔径的实验结果
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结和展望
• 8.1 总结
• 8.2 创新之处
• 8.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励
• 致谢