离心压气机失速先兆发生位置与进/出口边界的内在联系及抑制方法研究

The asymmetric structure leads to the circumferential non-uniform boundary at the impeller inlet/outlet of the centrifugal compressor that further affects the stall inception location. Current studies have not paid attention to the circumferential location of stall inception under various asymmetric geometry structures. The application team has found that the static pressure bulge phenomenon in circumferential direction during the throttling process in the centrifugal compressor with a volute, and the static pressure bulge is closely related to the stall inception..This project confirms the inception location of the static pressure bulge by measuring and calculating the static pressure around the casing wall. The stall inception circumferential location can be determined preliminarily according the circumferential static pressure distribution around the casing wall at the impeller inlet. Installing transient probes around the impeller inlet casing wall and at the initial static pressure bulge location, the final stall inception location will be determined by the experimental and numerical results. Based on the inherent relation between the stall inception location and inlet/outlet boundary, the prediction mathematical model will be established and the stall control strategy for the partial circumferential localization will be proposed by the stall inception location..This study aims to find the cause of the static pressure bulge, the result of competitive mechanism for the inlet/outlet boundary in the formation of stall inception enriches the compressor instability theory and provides new insights into the active/passive control scheme of the compressor stall.

离心压气机在非对称结构作用下，导致叶轮进/出口形成周向非均匀边界，从而影响到失速先兆的发生位置，现有研究没有关注各种非对称结构作用下失速先兆发生的周向位置问题。申请团队研究发现，带有蜗壳的离心压气机在节流过程中周向上伴随出现静压凸起现象，静压凸起与失速先兆形成密切相关。本项目提出通过对轮缘壁面静压的测量和计算，确定初始静压凸起位置。依据叶轮进口轮缘壁面静压周向分布，初步判定失速先兆在周向上发生位置。在叶轮进口轮缘和静压凸起初始位置上设置动态测点，由实验和计算最终确定失速先兆发生位置。依据发现的失速先兆发生位置与进/出口边界之间的内在联系，建立失速先兆发生周向位置预估数学模型，形成基于失速先兆发生位置的部分周向定位的失速调控方法。项目研究得到的静压凸起发生原因，进/出口边界在失速先兆形成中的竞争性机制的结果将丰富压气机失稳理论内容，并为压气机失速主/被动控制方案的研究提供新思路。

本项目针对离心压气机失速先兆发生位置与非对称结构之间的对应关系问题，取得了一系列科学成果和突破，揭示了带有非对称结构的离心压气机失速先兆形成过程及内在机制。具体成果包括：.（1）获得了多种非对称进/出口结构下离心压气机节流过程中轮缘壁面静压分布的详细演化图谱，提出了离心压气机静压周向双峰波动分布概念，建立了复杂流动环境下压力扰动波逆向/顺向传播的周向偏转角预估模型，阐明了静压周向分布随进口弯扭管道和下游蜗壳两者之间相位关系的变化规律。.（2）揭示了离心压气机非对称出口边界对叶轮周向流通能力的调节机理，发现了小流量工况下静压周向双峰波动分布的形成机制。明确了失速先兆发生周向位置与轮缘壁面静压双峰分布的对应关系，创新性地建立了叶尖泄漏涡运行轨迹偏转角估算模型。.（3）针对离心压气机动态压力信号提出了基于变分模态分解和希尔伯特边际谱的失稳信号高效辨识方法，揭示了全转速下离心压气机流动失稳演化规律。采用正则模方法率先建立了考虑流动周向非均布的离心压气机无叶扩压器稳定性预测模型，引入伴随稳定性分析发展了离心压气机无叶扩压器流动敏感性研究方法。.（4）创新性地提出了通过离心压气机进口环形节流扩大稳定工作范围的方法。揭示了自循环机匣处理对离心压气机静压周向双峰波动的抑制机理。阐明了带消旋叶片自循环机匣处理扩稳机制，提出了一种有效扩大离心压气机稳定工作范围的主动控制式机匣处理方法。.项目圆满完成了预定研究目标：在国外重要学术期刊发表SCI论文52篇，EI论文6篇，会议论文4篇，共发表文章62篇，包括热机气动领域权威期刊Aerospace Science and Technology 8篇、ASME Journal of Turbomachinery、Energy等多篇。获得发明专利8项，举办国际学术会议1次，作国内外会议报告12次，以该项目部分研究成果获得两项部级二等奖，培养中青年学术带头人4人次，博士后2人，博士生10人，硕士生12人。