多叶片通道环境下压气机端区非定常流场的跨通道传播特性

旋转失速先兆表现形式复杂多样，目前尚无一种通用的理论或标准来解释各类失速先兆的触发机理。本项研究拟以非定常数值模拟为主，辅以必要的实验验证，从前失速阶段叶片通道内非定常流场的发展和演变入手，以叶顶泄漏流周期非定常性跨通道传播及其诱发周向扰动信号为切入点，对多叶片通道环境下压气机端区非定常流场的跨通道传播特性开展系统深入的研究。研究对象涵盖低速和跨音速轴流压气机，在多变量影响下，通过跟踪先兆产生的原始积累，同时兼顾泄漏涡破碎和流动分离的综合影响效果，探索压气机先兆特征尺度与气动设计参数之间的内在联系、以及外部激励与这些特征尺度的相互作用规律，建立对各类失速先兆触发机理的统一的流体力学解释。从而为发展失速先兆诊断与控制的新方法提供机理认识上的支持。

本项研究采用非定常数值模拟为主要手段，辅以必要的实验验证，从前失速阶段叶片通道内非定常流场的发展和演变入手，以叶顶泄漏流周期性非定常波动和吸力面分离诱导周期性涡脱落为切入点，在多变量条件下研究了多叶片通道环境下压气机叶顶端区非定常流场跨通道周向传播特性随压气机节流的演变及其向完全发展失速团的过渡过程。只要相对坐标系下发生叶顶泄漏流周期性非定常波动或吸力面周期性涡脱落，绝对坐标系下端区流场就会产生周向传播。相对坐标系下非定常波动频带成分单一，而绝对坐标系下表现出多频带成分。相对和绝对坐标系下叶顶端区流场非定常波动调频特性和周向传播特征随压气机节流表现出两种发展模式，临界流量两侧流场特征及伴随的频率、传播速度、模态数等参数有不同的变化趋势。典型的模态波型和突尖型失速先兆对应端区流场周向传播特征的两段发展模式，以叶顶端区流场周向传播特征发展模式为依据可建立涵盖各类失速先兆的统一的流体力学触发机理和判定准则。由于叶顶端区非定常流场周向传播速度与转子转速的非同步性，使得基于机匣固定探针的压力自相关系数降低，该现象可作为一种有效的早期失速先兆信号检测和预警方法，且不受先兆类型影响。数值模拟中多通道计算模型的合理选取对准确捕捉非定常流场的周向传播特征及失速先兆特征尺度有重要影响；失速过程中节流阀关闭速度仅影响细节流场特征，对失速主要关键过程无明显影响。通过改进叶片吸力面型线，可有效减弱激波强度及其与附面层干涉，在保证压气机流量范围不变的前提下，提高了压比和效率。