叶尖主动定常喷气抑制失速先兆的非定常耦合机制研究

以课题组的双级高速轴流压气机试验台为载体，针对其失速限制级建立叶尖主动定常喷气系统，应用先进的稳态和动态实验技术深入系统地研究叶尖主动定常喷气的喷气量对压缩系统稳态特性、近失速区以及流动失稳过程中动态特性的影响。在实验研究的基础上，以多叶排全通道非定常并行CFD手段为依托，分析叶尖区域复杂流动的瞬态结构，揭示主动定常喷气抑制失速先兆波的非定常耦合机制，并进一步从机理上认识喷气量大小对双级压缩系统失速限制级及其整机稳定性的影响关系，为我国航空燃气涡轮发动机失速主动控制技术的发展提供理论依据和技术储备。

叶尖主动定常喷气是压气机失速主动控制技术的重要分支之一，项目定位对制约其工程应用的基础问题进行研究。以高速小尺寸轴流压气机实验台为载体，本项目的研究工作分两步开展，这两部分是紧密相关层层递进的关系。研究的第1部分中，开展了无叶尖喷气情况下的实验和数值研究工作。首先采用先进的流场测试手段对无叶尖喷气情况下其率先失速级稳定及失速起始工况的叶尖流场进行了详细的实验测量。接着，以全通道CFD手段为依托对其近失速稳定和失速起始工况的三维流场结构进行了全通道非定常数值模拟。采用小波变换（wavelet），傅里叶变换（FFT）以及短时傅里叶变换（STFT）等信号分析方法获得了无叶尖喷气近失速稳定工况以及失速起始工况近叶尖流场的频域特征，找到了对非定常数值模拟结果进行动态校核的切入点。在对计算结果进行稳态和动态校核的基础上，揭示了无叶尖喷气情况下压气机近失速稳定工况叶尖流动非定常性发生的流体动力学机理以及流动失稳过程中突尖型小尺度先兆波的诱发机制。基于无叶尖喷气情况下的研究结果，在第2部分中开展了主动定常喷气的实验测量和数值模拟工作。重点对比分析了无叶尖喷气和有叶尖喷气情况下载荷分布以及动叶间隙区域复杂流动的瞬态结构，揭示了主动定常喷气抑制失速先兆波的非定常耦合机制。项目的研究成果建立了近失速工况叶尖流动非定常性与突尖先兆波发生之间的内在机理性关联，从机理上认识了主动定常喷气对载荷分布规律的影响是其扩稳的根本原因。这些基础性的研究成果将为我国先进航空燃气涡轮发动机失速主动控制技术的发展提供理论依据和技术储备。