轴流压气机中可控转速机匣处理的扩稳机制研究

The casing treatment is a passive control method that significantly increases the stall margin of the compressor.From the perspective of the controllable casing under the adverse pressure gradient, the applicant proposes to transform the conventional stationary casing into a two-part structure, namely a fixed part and a rotatable ring segment.Appropriate design scheme of rotatable ring segment will effectively change the adverse pressure gradient in the tip region and improve the stall margin of compressor. This is a new casing treatment method which takes into account both the compressor speed factor (strong unsteady) and the flexible matching of casing.The influence of controllable speed casing on the behavior of compressor tip clearance flow will be investigated in this project by constant/unsteady numerical simulation and experimental methods. During the investigation,the influencing factors and mechanism of controllable speed casing on the aerodynamic of compressor single rotor and compressor stage will be study,including the detail analysis of the rotating speed,axial width and configuration of rotatable ring segment.Based on these analyses, the optimize design principles and solutions for effectively improving the stable working range of compressor will be explored.The new research direction of improving compressor stability will be given,which can lay the foundation for designing the high performance compressor.

机匣处理是一种能显著提高压气机失速裕度的被动控制方法。申请人从逆压梯度下可控机匣的角度出发，提出将传统的固定机匣转变为两部分结构，即固定部分和可转动环段，合适的可转动环段设计方案将有效改变叶顶区域的逆压梯度，提高压气机的失速裕度，这是一种新型的兼顾压气机转速因素（非定常性强）与机匣柔性匹配的机匣处理方法。本项申请结合定常/非定常的数值模拟和实验测量技术，针对可控转速机匣处理方法调控压气机叶顶区域复杂流动结构进行研究，通过改变转速、可转机匣轴向宽度及可转动环段的布局组合方式，研究以上诸多因素的影响机理，深入探索和揭示可控转速机匣处理对压气机转子和压气机级气动性能的影响规律和作用机制，进而探求能够有效改善压气机稳定工作范围的优化设计原则和方案。项目的开展将尝试新的改善压气机稳定性的研究内容，为高性能压气机的设计提供理论基础。

航空发动机是我国航空业发展的主要技术瓶颈，发展航空发动机具有重大的战略性意义，研究并掌握完全自主的核心关键技术刻不容缓。作为航空发动机的核心部件之一，压气机性能对整机性能影响巨大，实现其高负荷是提高航空发动机推重比的必由之路。高负荷的追求往往与压气机高效率和宽稳定工作范围之间存在一定的矛盾，扩稳问题始终伴随着高负荷压气机的研制，这就对流动稳定性控制技术提出了新的挑战，探索更加合理的扩稳方法对提高高负荷压气机性能有着重要的意义。.本项目创新性提出了可控转速机匣技术，它可使叶顶区域周向压力梯度减小，对叶顶区域气流产生附加的周向作用力，使对流动稳定性产生影响的流动形式得到源头上的控制。本项目主要开展了：①可控转速机匣对设计转速下压气机单转子性能及流动稳定性的影响研究；②可控转速机匣对非设计转速下压气机单转子性能及流动稳定性的影响研究；③可控转速机匣对单级轴流压气机性能及流场结构的影响研究。重要研究结果包括：①揭示了单转子中可以获得扩稳效果的可控转速机匣转速范围、转动方向、起始位置及终止位置等气动参数以及上述参数变化对其作用效果的影响；②明晰了压气机单转子流场中的可优化流场稳定性的可控转速机匣设计方案及其扩稳机制；③得到了非设计转速时能够有效完成扩稳的可控转速机匣设计参数；④确定了不同转速及转动方向的可控转速机匣对压气机级压比、效率及稳定工作裕度的影响效果；⑤提出了可控转速机匣结构的工程实现方案。研究结果表明，压气机单转子和单级压气机中可控转速机匣的最优方案均可在不降低压气机压比和的前提下，分别将稳定工作裕度提高53.53%和45.44%。可控转速机匣在针对不同的研究对象时，可对叶顶区域气流施加附加的周向力作用，改变泄漏涡及破碎后气流的流动轨迹，在源头上改善叶顶泄漏流动，提升转子的通流能力，提高压气机的稳定工作裕度，本项目研究的开展将为高性能压气机的设计和工程应用奠定坚实的理论基础。