低能流体径向迁移模式与压气机突尖波型旋转失速先兆触发机制的相关性研究

The origins and induced mechanism of spike-type rotating stall are very significant and challenge problems in the field of flow stability in compressors, which is valuable in theory and engineering for the compressor stability extending and realization of active control technology. Base on the thorough research on the flow field structure of stall process in the blade tip region and our recently research results, the applicant proposes that the radial vortex from the change of spanwise migration in the boundary layer on the blade surface could be an important triggering reason for the initial disturbance of spike-type rotating stall. To the spanwise migration law of the boundary layer on the rotor surface as the breakthrough point, exploring and establishing the intrinsic physical contact between the universal phenomenon of radial flow and the inception of spike-type rotating stall. The emphases are taken upon the study of the formation conditions of radial vortex on the blade surface, and relationship between the radial vortex and the key flow behavior that leads to the spike-type initial disturbance in the local blade tip region. Fending to make a breakthrough in the basic laws of spatial development of the low energy fluid and in the connection of flow instability and spike-type stall inception. The study gives the supplement and perfection for the understanding of common features and basic laws of flow structure in the spike-type rotating stall process and supplies the theoretical foundation and scientific basis for the signal identification of active control technology and compressor stability enhancing.

旋转失速先兆波的起源和诱发机制是压气机气动稳定性领域重要又极富挑战性的研究课题，对于压气机扩稳设计和主动控制技术实现具有重要的理论和工程价值。基于人们对于触发突尖波型失速先兆的关键流场结构认识的不断深入和申请人团队前期的研究成果，项目提出低能流体径向迁移模式改变所引起的一类径向旋涡结构是突发型旋转失速初始扰动产生的重要诱因的假设，以叶片表面附面层径向迁移规律研究为切入点，探索这一普遍存在的流动现象与突尖波失速先兆触发过程之间的内在联系。重点针对叶片表面附面层展向输运条件，以及径向涡与触发初始扰动发生的关键失稳行为之间的联系这两个科学问题开展工作。力争在近失速条件下，压气机叶片表面低能流体径向迁移规律、叶顶区域流动失稳与突尖波型失速先兆内在联系方面有所突破。补充和完善对突尖波型旋转失速先兆来源的共性特征和基本规律的认识，为压气机旋转失速主动控制和压气机扩稳设计提供理论基础和科学依据。

气动稳定性是燃气轮机压缩系统最为重要的核心问题之一。项目从低能流体径向迁移这一基本规律出发，探讨了叶片表面附面层径向迁移模式改变引起的一类径向旋涡结构与突发型旋转失速初始扰动产生之间的联系。研究了近失稳条件下，压气机叶栅内低能流体径向迁移和径向集中涡形成条件、低能流体径向输运过程的空间形态变化规律、突尖失速先兆的过程中径向涡与叶顶流向涡系的作用等问题，分析了压气机叶顶区域突尖波初始扰动的来源，并进行了部分试验验证。.通过项目的研究工作，获得了某船用燃机压气机平面叶栅和1.5级压气机的全通道数值模拟结果和关键试验数据。对比分析结果表明，压气机叶片扭曲规律、攻角分布和级间间隙尺寸的变化都将显著改变叶片表面的负荷条件，从而影响低能流体的径向迁移过程，一定程度上决定了径向集中涡的形成条件和空间发展规律。通过调整负荷的径向分配可以实现从角区分离模式到叶尖失速模式的转化，其中径向涡结构发挥关键作用。1.5级压气机试验结果捕捉到了失稳过程中的旋转不稳定（0.5BPF左右）和突尖波扰动等多种不稳定信号，随着节流的加深，旋转不稳定信号频率持续降低并最终消失，低频的突尖波初始扰动波（0.5N）形成。数值模拟结果表明起始于动叶根部角区的低能流体形成的集中径向旋涡结构在失速模式变化过程中发挥了重要的触发作用。径向涡抵达叶顶间隙触发压气机内旋转不稳定信号的出现，并与叶顶涡系形成新的稳定涡系结构。随着节流的加深，径向涡轴沿圆周方向弯曲，最终形成周向“龙卷风”涡结构，突尖波初始扰动形成。试验和数值模拟结果具有很好的一致性，项目给出了堵塞传递和涡结构的演化模型。最后，初步研究了采取叶片尾缘间隙干扰径向流扩稳的技术途径。.项目的研究工作，将压气机叶栅内部低能流体展向输运与突尖波初始扰动等失稳现象的触发机制建立联系，有助于突破对突尖型旋转失速起源问题认识的空间局限，促进产生新的压气机主动控制策略和扩稳设计思路。