旋转总压畸变对压气机稳定性影响的研究

【摘要】： 压气机气动稳定性问题是目前航空发动机研制和发展过程中面临的关键技术问题之 一,压气机设计始终面临着压比、效率和稳定裕度之间的矛盾和折衷,一个好的设计既要能保证高压比、高效率,又要求具有足够的稳定裕度。在发展和完善压气机性能设计的理论和方法的同时,迫切需要发展压气机稳定性设计、分析的理论和方法。本论文开展了压气机失速特性、动态失速过程的理论模化和数值模拟研究,从数值模拟和实验验证两个方面,重点研究了旋转总压畸变对压气机稳定性的影响。 首先,以Moore-Greitzer模型为基础,利用一个预测轴流压缩系统动态失速特性及进气非均匀性影响的二维不可压缩理论模型,系统计算分析了压气机的动态失速特性和进气总压畸变旋转频率对下游压气机稳定性的影响。计算结果表明进气总压畸变的幅值和旋转频率对压缩系统的动态失速特性和稳定性都有强烈的影响,旋转频率对旋转失速边界和喘振边界的影响类似。但是,对应系统稳定裕度损失最大值的“危险”响应频率强烈地依赖于其旋转失速的传播频率。本文采用的二维不可压缩理论模型既简单、便于计算分析,又能较好地反映出目前已认识到的物理现象,计算结果与现有实验数据的比较表明该模型是可靠的。 其次,基于压缩系统气动稳定性理论模型对于计及压气机内部流动可压缩性以及叶排之间相互影响的需要,本论文应用一个用于分析多级轴流压气机动态失速特性的多“激盘”可压缩模型,重点分析研究了多级轴流压气机中二维小尺度旋转失速起始特性和动—静叶之间相互作用的影响,以及总压畸变旋转频率对下游压气机稳定性的影响。该模型采用二维非定常的可压缩Euler方程描述压气机上、下游管道以及各叶排之间轴向间隙内的流动,而采用“激盘”分别取代压气机的各个叶片排。 最终,鉴于旋转进气畸变对压气机稳定性影响问题的复杂性,为了能够在揭示这种影响规律的基础上,得到对这一问题的机理和物理过程的深刻认识,本论文在一台大尺寸低速双级轴流压气机实验器上,开展了细致的实验研究。在详细分析均匀进气时该压气机稳态特性和旋转失速特性的基础上,实验获得了进气畸变旋转频率对该压气机稳定性和压升能力影响的规律,并对其影响机理进行了较为深入的探讨。实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。当畸变网与压气机反向旋转时,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。失速起始过程的实验结果表明,旋转进气畸变对于该压气机的失速起始特性未产生影响,仍表现为模态波失速起始的特征。