轴流压气机新型小尺度先兆波诱发机理的试验和数值研究

In combining the applicant's valuable academic findings with the recent progress in the research field of stall precursors in subsonic and transonic axial flow compressors, an innovative research plan is proposed in this project. In this plan, the advanced instantaneous measurement techniques will be firstly used to capture stall precursors under different geometrical and aerodynamic conditions, thus identifying different kinds of multicell disturbances. Then, the steady performance measurements and instantaneous casing static pressure measurements will be conducted under a specific geometrical and aerodynamic condition, which corresponds to a kind of multicell disturbances. Based on these experimental investigation results, whole-passage unsteady simulations will be laid out to uncover the complex flow mechanism behind the emergence of different kinds of multicell disturbances, and set up a inherent linkage between the multicell disturbances and stall inception. The objectives of this innovative research plan are to unify the flow mechanism of short length-scale stall precursors, including spike and multicell disturbances, from a viewpoint of the activity of "tip secondary vortex", and provide solid experimental and theoretical basis for uncovering the flow mechanism of short length-scale stall precursors in transonic compressors.

基于申请人针对亚音轴流压气机近失速工况叶尖区非定常流动以及突尖波诱发机理研究所取得的创新性成果，并结合国际上针对新型小尺度先兆波（Multicell disturbance）的试验研究和机理探索的最新成果，项目提出以课题组的高亚音轴流压气机试验台为载体，采用先进的动态试验测量技术完成不同几何和气动条件下先兆波的检测，从而识别出不同种类的新型小尺度扰动浮现的几何和气动条件，并完成相应几何和气动条件下的稳态性能和特征工况点机匣壁动态压力的试验测量。在试验测量的基础上，以三维非定常的CFD手段为依托，揭示不同种类的新型小尺度扰动出现的流体动力学机理及其与流动失稳之间的内在关联，从机理上统一不同类型的小尺度扰动（包括Spike和Multicell Disturbance）的诱发机制，并为高负荷跨音压气机小尺度先兆波诱发机制的研究奠定坚实的理论和试验基础。

以高亚音轴流压气机转子为研究对象，通过改变动叶间隙以及转速来诱发新型小尺度先兆波的出现。实验研究中，首先采用稳态测量技术获得等转速不同间隙下转子的稳定工作范围，从而确定动态测量的特征工况点集。接着，采用先进的动态试验测量技术完成特征工况点集机匣壁动态压力测量。最后，采用先进的动态信号处理方法对动态测量结果进行系统分析，进而识别出新型小尺度先兆波（Multi-cell disturbance）浮现的几何和气动条件。项目的实验研究表明，当实验转子叶顶间隙≥0.4mm时，Multi-cell disturbance在三种转速的近失速稳定工况就出现了。三个转速下的失速起始工况均出现的是spike诱发失速的情况，且spike浮现之前叶尖流场的主导特征依然是multi-cell disturbance的活动，从而从实验的角度证明了multi-cell disturbance与小尺度先兆波的浮现之间有着因果关联。基于以上实验结果，以三维全通道的CFD手段为依托，首先对实验测量转子近失速工况以及失速起始工况三维流场进行了非定常数值模拟，以频率特征的对比为切入点对计算结果进行了动态校核。以此为基础对数值模拟的瞬态流场进行深入分析，结果表明叶尖二次涡是导致multi-cell disturbance出现的流体动力学机理，从而建立了spike和multi-cell disturbance内在机理性关联。基于以上认识，继续开展了单级亚音轴流压气机实验台的全通道数值模拟，以探索动静叶排的间隙对失速起始过程的影响。结果表明，静叶的存在改变了失速起始过程中近叶尖载荷的周向分布规律，使得先兆波的形式从孤立转子环境下的“突尖型”转变为单级环境下的“多个小失速团”型，而叶尖二次涡的的活动依然是“多个小失速团”扰动浮现的流体动力学机制。项目的实验和数值模拟结果表明，叶尖二次涡是不同类型小尺度先兆波（包括Spike和Multicell Disturbance）浮现的共性机理特征。这一新发现为构建航空发动机失速主／被动控制技术的新思路和新方法奠定坚实的理论基础