【摘要】： 壓縮系統(tǒng)中對(duì)以旋轉(zhuǎn)失速和喘振為代表的流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象的控制，一直是困擾葉輪機(jī)械工業(yè)界的難題，也是推動(dòng)當(dāng)今流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理研究深一步開展的主要?jiǎng)恿Α?本文的研究目的有兩層：一、機(jī)理方面，對(duì)低速軸流壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子頂部進(jìn)行微噴氣已經(jīng)證明可以有效的抑制旋轉(zhuǎn)失速，對(duì)微噴氣引起的非定常響應(yīng)機(jī)制也有初步證明，但對(duì)所對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象尚不夠清楚。而近年來，人們發(fā)現(xiàn)在某些流動(dòng)條件下，葉頂泄漏渦會(huì)產(chǎn)生明顯的非定常波動(dòng)，并影響壓氣機(jī)的總性能。這就形成了對(duì)物理現(xiàn)象研究的一個(gè)重要思路，那就是探求泄漏渦非定常波動(dòng)的形成機(jī)理以及這種非定常性與旋轉(zhuǎn)失速之間的關(guān)系。就微噴氣而言，則是探求微噴氣的響應(yīng)機(jī)制與泄漏渦非定常性之間的關(guān)系。本文的第一部分將通過一系列實(shí)驗(yàn)來確證與分析這種關(guān)系。二、應(yīng)用方面，微噴氣作為一種新的擴(kuò)穩(wěn)措施，它的成功與否要看最終能否應(yīng)用于實(shí)際的壓氣機(jī)中，因此為了在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳的擴(kuò)穩(wěn)效果，，提供指導(dǎo)性的微噴氣參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是本文的第二個(gè)目的。 在第三章中，本文首先針對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，一方面是使噴嘴結(jié)構(gòu)向?qū)嵱没七M(jìn)，另一方面是改進(jìn)后的噴嘴結(jié)構(gòu)可以用來直接觀察微噴氣作用于泄漏渦的結(jié)果。通過一系列的實(shí)驗(yàn)表明：噴氣的影響區(qū)域越貼近葉項(xiàng)區(qū)域，擴(kuò)穩(wěn)效果越好，此時(shí)擴(kuò)穩(wěn)效果的好壞將取決于噴氣的出口動(dòng)量。 在第四章中，對(duì)于如何研究泄漏渦非定常性與旋轉(zhuǎn)失速之間的關(guān)系，首先需要能從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)清晰地確認(rèn)泄漏渦的位置及其非定常性的發(fā)生。本文通過對(duì)轉(zhuǎn)子頂部的壁面靜壓采用鎖相平均法和均方差分析來判斷泄漏渦的起始位置和軌跡走向，然后結(jié)合功率譜分析確證由泄漏渦非定常性引起的特征頻帶。對(duì)在壓氣機(jī)機(jī)匣沿周向所布置的8只傳感器分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：壓氣機(jī)的上半周泄漏渦非定常性表現(xiàn)活躍，而下半周非定常性幾乎不出現(xiàn)，而泄漏渦非定常性活躍的地方也正是已實(shí)驗(yàn)證明的突尖型先兆的源頭，表明了泄漏渦非定常性與旋轉(zhuǎn)失速存在某種關(guān)系。 在第五章中，基于微噴氣能夠提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性(正面影響)，因而可將它作為一種手段用于本項(xiàng)研究，以求進(jìn)一步驗(yàn)證泄漏渦非定常性與旋轉(zhuǎn)失速的關(guān)系。首先在泄漏渦非定常性發(fā)生之前和之后進(jìn)行噴氣，對(duì)結(jié)果的分析表明：微噴氣可以將泄漏渦的起始位置向下游推移，相當(dāng)于抑制了泄漏渦非定常性的發(fā)生，從而推遲失速的發(fā)生。接著通過不同軸向噴氣位置和不同周向位置噴氣的結(jié)果都表明：頂部微噴氣可以有效抑制泄漏渦非定常性的發(fā)生。這些結(jié)果從正面的效應(yīng)驗(yàn)證了泄漏渦非定常性與旋轉(zhuǎn)失速存在的關(guān)系。 在第六章中，基于進(jìn)口畸變可以降低壓氣機(jī)穩(wěn)定性(負(fù)面影響)，將它也作為一種研究手段，從另一角度來驗(yàn)證泄漏渦非定常性與旋轉(zhuǎn)失速的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：進(jìn)口畸變與泄漏渦非定常性活躍的地方相重疊時(shí)會(huì)大大降低壓氣機(jī)穩(wěn)定性，而不重疊時(shí)壓氣機(jī)的穩(wěn)定性相對(duì)較好。另外，存在進(jìn)口畸變下，微噴氣也可以有效提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。 在第七章中，基于低亞音速壓氣機(jī)和高亞音速壓氣機(jī)上施加微噴氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證與分析，為在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳的擴(kuò)穩(wěn)效果，提出了若干指導(dǎo)性的微噴氣參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，例如噴嘴軸向安裝位置最好位于動(dòng)葉前緣附近，噴氣方向沿軸向方向，擴(kuò)穩(wěn)效果取決于噴氣出口動(dòng)量等。
【圖文】：

圖1.2Vo單通道計(jì)算結(jié)果實(shí)際壓氣機(jī)中，葉片通道中存在著各種非定常流動(dòng)，既包括因?yàn)槿~排氣動(dòng)干涉形成的固有非定常流動(dòng)，也包括尾跡脫落、泄漏渦和其他復(fù)雜流動(dòng)自身的非定常波動(dòng)。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泄漏渦自身的非定常性十分感興趣。Wemet等l;5]采用DPIV技術(shù)對(duì)某低速多級(jí)軸流壓氣機(jī)第一級(jí)動(dòng)葉頂部間隙區(qū)域的流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn):在近失速點(diǎn)，泄漏渦的軌跡變得非常凌亂，泄漏渦呈現(xiàn)出明顯的非定常波動(dòng)狀態(tài)。Mailach等四給出了一種新的現(xiàn)象一一旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性。他們?cè)谀车退佥S流壓氣機(jī)中發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉頂部泄漏渦在近失速工況和大葉頂間隙條件下會(huì)和相鄰葉片發(fā)生周期性碰撞，由此形成旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性。在隨后的壓氣機(jī)平面葉柵實(shí)驗(yàn)中，他們同樣發(fā)現(xiàn)只有在大間隙和大攻角時(shí)，頂部泄漏渦才會(huì)和相鄰葉片發(fā)生周期性干涉，形成沿著葉片周向傳播的短尺度非定常擾動(dòng)。但他們認(rèn)為這種現(xiàn)象是頂部間隙噪聲和葉片振動(dòng)的根源，與失速先兆沒有必然聯(lián)系。Marz等人[77]對(duì)軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果也證實(shí)了這一流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)發(fā)生在近失速工況點(diǎn)鄧

夸2.1低速單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及數(shù)據(jù)采集設(shè)備簡(jiǎn)介夸 2.1.1低速軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹圖2.1是低速單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的照片，實(shí)驗(yàn)壓氣機(jī)的通道外徑為0.5m，內(nèi)徑為0.375m，空氣由外徑o.7m的雙扭線進(jìn)氣口，經(jīng)過一小段擴(kuò)壓段和平直段后進(jìn)入壓氣機(jī)。該壓氣機(jī)用一臺(tái)18.skw交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由一臺(tái)SANKEN變頻器實(shí)現(xiàn)，變頻器的輸出頻率誤差在士0.01%，并且具有轉(zhuǎn)速跟蹤、瞬間電壓補(bǔ)償和瞬停再啟動(dòng)等功能。壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2400印m。具體參數(shù)如表2.2所示。圖2.1低速單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)表2.2單轉(zhuǎn)子低速軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)件的氣動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號(hào)】：TH453

【引證文獻(xiàn)】

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2 李繼超;劉樂;張宏偉;童志庭;林峰;聶超群;;低速單級(jí)軸流壓氣機(jī)自引氣擴(kuò)穩(wěn)實(shí)驗(yàn)[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2012年11期

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本文編號(hào)：2604003