叶片径向载荷分布影响失速先兆表现形式的非定常流体力学机制探索

轴流压气机叶片径向载荷分布与失速先兆表现形式的关联性已有所报道，但与其对应的基于叶片通道尺度下非定常流体力学机制尚不明确，而澄清这一机制也是进行一些扩稳方案优化设计的前提。本申请项目拟以低速轴流压气机为研究平台，利用径向畸变构建不同的叶片径向载荷分布，在获得其与先兆类型明确关联的基础上，以通道内叶顶间隙流及轮毂角区分离流动两种非定常流动为切入点，就不同类型失速先兆对应的流体力学机制开展探索和尝试，希望研究成果能刻画出不同失速先兆的非定常触发及发展过程，进而有助于明确不同失速先兆的物理成因，为先兆类型的预判及扩稳措施的设计提供技术支持。本申请项目拟采用实验测量为主，数值模拟为辅的科研手段，运用小波分析、谐波能量法等实验数据分析方法，在非定常数值模拟中运用节流阀模型来模拟失速过程。

目前，针对轴流压气机旋转失速的研究已经深入到对其诱发原因的探索，以期能更早地抑制其产生，为设计高负荷、高效率的压气机叶片提供理论基础。模态波及尖脉冲先兆是公认的两类典型失速先兆，研究者们对其形态特征已经获得了足够的认识，但仍缺乏对其产生机理的澄清。显然，若要从物理本质上解释两类先兆的成因，必然要深入分析叶片通道内部流动，而叶轮机械内部流动以三维性、非定常性为主要特征，是极其复杂的。现有的研究结果表明，叶顶间隙流动与尖脉冲先兆的产生存在一定关联性，但模态波先兆与叶片通道内哪种流动关系最为密切还不甚清楚，但压气机进口条件的改变通常会导致该压气机失速类型亦发生改变，受此启发，本项研究即通过采用进口畸变的方法来研究不同失速先兆的产生机理。研究的主要内容包括：首先利用叶栅试验，明确了叶顶间隙流非定常流动的产生机理，从而解释了一些压气机在产生尖脉冲先找前叶顶间隙流非定常流动的成因，同时也正视尖脉冲与叶顶间隙流的关联；其次，制作了进口畸变发生装置并开展了不同进气畸变的试验及数值模拟研究。研究结果表明，径向载荷分布不同可以改变压气机的失速先兆类型，其关键因素在于分离区最早出现在叶顶区域还是叶根区域。通常叶顶区域叶片载荷较大，所以会表现为尖脉冲先兆。当叶根载荷过大而首先发生分离式，角区分离区域的径向膨胀会是的压气机表现出模态波的失速先兆特征；最后，结合研究成果，针对某氦气压气机开展了高负荷叶型设计，并获得了成功。该项研究为下一步如何合理分配压气机径向载荷的研究奠定了基础。