王昊, 薛飛, 岳少原,2, 王掩剛

〗1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院, 陜西 西安710072;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空天技術(shù)研究所, 四川 綿陽621000

旋轉(zhuǎn)失速作為軸流壓氣機(jī)中一種常見的流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，是葉輪機(jī)械中最嚴(yán)重的氣動(dòng)災(zāi)難之一(另一個(gè)為喘振)[1]。從表面來看旋轉(zhuǎn)失速與喘振出現(xiàn)時(shí)的共同特征都是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生巨大的轟鳴聲，然而這兩種流動(dòng)失穩(wěn)的內(nèi)在物理機(jī)制并不相同[2]，所引發(fā)的后果也有很大的差異。由于發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)存在遲滯效應(yīng)，此時(shí)唯一的方法是降低轉(zhuǎn)速，但是會(huì)造成壓升急劇降低，使得旋轉(zhuǎn)失速更難以退出失穩(wěn)工況。與喘振相比，旋轉(zhuǎn)失速是飛行員更不愿面對(duì)的災(zāi)難。

據(jù)Stenning[3]記載，Whittle首次在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量減少到一定程度時(shí)，在壓氣機(jī)中存在旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛而持續(xù)的研究。隨著對(duì)壓氣機(jī)失穩(wěn)機(jī)理的不斷研究，目前公認(rèn)的失速先兆類型有2種[4]：大尺度的模態(tài)波型失速和小尺度的突尖波型失速。1989年McDougall等[5]采用空間傅里葉分析法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，在1臺(tái)單級(jí)低速軸流壓氣機(jī)中檢測(cè)到了周向傳播速度為50%轉(zhuǎn)子速度的模態(tài)型失速先兆。由于模態(tài)型失速先兆對(duì)壓氣機(jī)的破壞性相對(duì)較小且可逆向恢復(fù)，研究人員更關(guān)注突尖擾動(dòng)引起的失速擾動(dòng)。Day[4]在1臺(tái)軸流壓氣機(jī)中首次發(fā)現(xiàn)了突尖型失速先兆，該擾動(dòng)完全不同于模態(tài)擾動(dòng)，起源于轉(zhuǎn)子葉頂前緣區(qū)域且呈現(xiàn)三維、短尺度特征，通常占據(jù)一個(gè)或幾個(gè)葉片通道。隨后Camp和Day[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)突尖型失速先兆發(fā)生于轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域, 其周向傳播速度為70%～80%轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速且發(fā)展十分迅速，僅僅經(jīng)過幾轉(zhuǎn)就直接發(fā)展為旋轉(zhuǎn)失速。在發(fā)展過程中伴隨著擾動(dòng)尺度逐漸增大且周向傳播速度逐漸衰減，當(dāng)發(fā)展為成熟的失速團(tuán)時(shí)，傳播速度降低為20%～50%轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。但是壓氣機(jī)在失速時(shí)，往往不僅僅出現(xiàn)一種失速先兆，Houghton[7]發(fā)現(xiàn)即使模態(tài)型擾動(dòng)波已經(jīng)出現(xiàn)，也有可能再出現(xiàn)突尖擾動(dòng)，隨后由突尖擾動(dòng)直接引起失速。經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，目前學(xué)術(shù)界對(duì)于常規(guī)轉(zhuǎn)子-靜子交替布局壓氣機(jī)中的失速現(xiàn)象已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)。

對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)作為一種具有尺寸小，重量輕優(yōu)勢(shì)的新型壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)，得到了研究人員的關(guān)注。由于前后轉(zhuǎn)子相互獨(dú)立工作的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速比對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)具有很大的影響，導(dǎo)致其內(nèi)部的失速過程相較常規(guī)壓氣機(jī)更加復(fù)雜。高麗敏等[8-10]采用數(shù)值方法研究了對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)中的失速過程，結(jié)果顯示當(dāng)轉(zhuǎn)速比在0.7～1.11之間時(shí)，前后轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)速差對(duì)失速初始擾動(dòng)類型無本質(zhì)影響；在不同轉(zhuǎn)速比下壓氣機(jī)的失速邊界存在差異，且二次泄漏流在軸流對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的非穩(wěn)定流場(chǎng)失穩(wěn)過程中起著至關(guān)重要的作用。Mao等[11]數(shù)值研究了周向槽機(jī)匣處理對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度的影響，結(jié)果表明了周向槽可以抑制失速。王掩剛等[12]應(yīng)用數(shù)值分析手段研究了葉頂間隙對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)性能參數(shù)的影響規(guī)律。徐強(qiáng)仁等[13]應(yīng)用三維非定常數(shù)值手段研究了高負(fù)荷對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)尾跡渦對(duì)葉頂泄漏流的影響。岳少原等[14-15]通過試驗(yàn)研究了對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)中的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，捕捉到了一種不同于模態(tài)失速先兆和突尖失速先兆的失速類型，與常規(guī)動(dòng)靜交替布局的壓氣機(jī)具有明顯的區(qū)別，其失速擾動(dòng)的產(chǎn)生及消亡具有突發(fā)性，并且失速擾動(dòng)沿周向的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

從公開的文獻(xiàn)來看，研究人員針對(duì)新幾何構(gòu)型的對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)開展了大量的研究工作，豐富了研究人員對(duì)其流動(dòng)機(jī)理和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。但大部分的研究以數(shù)值分析的手段開展，有關(guān)流動(dòng)失穩(wěn)的研究還有待加強(qiáng)，少量的以試驗(yàn)研究的結(jié)果還與數(shù)值研究結(jié)果所獲得結(jié)論存在明顯差異，這嚴(yán)重制約了研究人員對(duì)該類新型結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)的認(rèn)識(shí)。本文以西北工業(yè)大學(xué)低速軸流對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)為對(duì)象，應(yīng)用試驗(yàn)手段開展對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)的探索工作，豐富對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同轉(zhuǎn)速比條件下對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的失速特性，為進(jìn)一步深入理解對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)中的流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象提供支撐。

1 研究對(duì)象及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)臺(tái)介紹

本文所研究的對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)由進(jìn)口導(dǎo)葉(19)、上/下游對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(21/21)組成，上下游對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子由2臺(tái)變頻電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和控制，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2 400 r/min，葉頂間隙0.5 mm，設(shè)計(jì)點(diǎn)流量6.4 kg/s，壓比1.07。順著氣流方向望去，前轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，后轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。采用PID技術(shù)將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差控制在0.1%以內(nèi)。通過控制節(jié)流錐的軸向位置改變流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量，當(dāng)發(fā)生喘振等緊急情況時(shí)，可控制電磁放氣閥放氣實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)快速退出危險(xiǎn)工況。

圖1為對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)總體布局。通過大氣溫度變送器捕捉到的當(dāng)?shù)販囟萒atm結(jié)合當(dāng)?shù)卮髿鈮簆atm可以獲得當(dāng)?shù)卮髿饷芏圈補(bǔ)tm，再通過進(jìn)出口壁面靜壓孔得到的進(jìn)口平均靜壓pi,ave和出口平均靜壓pe,ave結(jié)合布置在前轉(zhuǎn)子前端球頭五孔探針獲得的壓氣機(jī)進(jìn)口氣流速度軸向分量Vix、壓氣機(jī)進(jìn)口氣流平均總壓pti，可以計(jì)算得到流量、總靜壓升、流量系數(shù)和總靜壓升系數(shù)，進(jìn)而獲得壓氣機(jī)特性曲線。計(jì)算過程如下：

(1)

式中：ε為膨脹系數(shù)，對(duì)于本文中的對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由于Mai<0.3，ε取1即可；Ai為壓氣機(jī)進(jìn)口流通面積，單位為m2。由(1)式可以計(jì)算得到壓氣機(jī)進(jìn)口氣流質(zhì)量流量。

(2)

利用(2)式即可得到進(jìn)口流量系數(shù)。其中U1m為壓氣機(jī)前轉(zhuǎn)子中徑線速度，利用前轉(zhuǎn)子葉片葉頂及葉根直徑和轉(zhuǎn)速計(jì)算得到。

Δp=pe,ave-pti

(3)

(4)

利用(3)式和(4)式便可得到總靜壓升Δp和總靜壓升系數(shù)Ψts。

圖2為動(dòng)態(tài)壓力傳感器布局方案，總共采用了31個(gè)高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器，其中1～9號(hào)傳感器布置在前轉(zhuǎn)子葉頂弦長(zhǎng)方向，10～17號(hào)傳感器布置在后轉(zhuǎn)子葉頂弦長(zhǎng)方向，1號(hào)及18～24號(hào)傳感器沿周向均布在前轉(zhuǎn)子前緣平面，11號(hào)及25～31號(hào)傳感器沿周向均布在后轉(zhuǎn)子前緣平面。2個(gè)光纖傳感器(L1,L2)分別布置在前后轉(zhuǎn)子弦向中間位置以實(shí)現(xiàn)前后轉(zhuǎn)子的鎖相功能。在前后轉(zhuǎn)子某葉片葉頂分別涂上反光材料，其余葉片葉頂涂黑。當(dāng)此葉片經(jīng)過光纖傳感器時(shí)會(huì)被捕捉到，進(jìn)而觸發(fā)高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器采集信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)前后轉(zhuǎn)子的鎖相功能。在本文試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)壓力傳感器的采樣頻率為5.120 kHz，傳感器響應(yīng)頻率為20 kHz。

圖1 對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的總體布局

圖2 動(dòng)態(tài)壓力傳感器總體布局

1.2 轉(zhuǎn)速配置以及特性錄取方案

為研究不同轉(zhuǎn)速比以及相同轉(zhuǎn)速比不同轉(zhuǎn)速對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)失速類型的影響，目前研究人員主要針對(duì)前后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比為0.7～1.4區(qū)間進(jìn)行分析[8-9]。本文共設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)方案，分別為轉(zhuǎn)速比小于1(包含0.75,0.857,0.875,0.889)，等于1及大于1(包含1.125,1.167,1.333)。相同轉(zhuǎn)速比下分為不同的轉(zhuǎn)速配置，共包含19種轉(zhuǎn)速配置，涵蓋了低-中-高的轉(zhuǎn)速范圍, 從而研究同一轉(zhuǎn)速比下，壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速的失速過程的變化規(guī)律。定義轉(zhuǎn)速比為Rr=n1∶n2，其中n1代表前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，n2代表后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。表1給出了試驗(yàn)測(cè)量的3組試驗(yàn)方案詳細(xì)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)。

采集特性曲線的過程，均采取以下方案，以8號(hào)試驗(yàn)(轉(zhuǎn)速比等于1)為例進(jìn)行說明。設(shè)定上、下游轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，隨著節(jié)流錐從全開狀態(tài)緩慢關(guān)閉，壓氣機(jī)流量系數(shù)降低、壓升系數(shù)升高，壓氣機(jī)特性曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的stable1段。當(dāng)節(jié)流錐關(guān)閉到一定程度時(shí)，在線葉頂動(dòng)態(tài)壓力傳感器陣列顯示其內(nèi)部流動(dòng)首次出現(xiàn)強(qiáng)烈波動(dòng)，在特性曲線上記錄為近失速B點(diǎn)，此時(shí)保持節(jié)流錐不動(dòng)，壓氣機(jī)特性曲線經(jīng)歷了壓升系數(shù)急速下降和流量系數(shù)劇烈波動(dòng)的過程，特性線記錄為圖3所示的B-C失速發(fā)展(stall occur)過程。在工況C繼續(xù)關(guān)閉節(jié)流錐到工況D再緩慢打開到工況E，此時(shí)壓氣機(jī)內(nèi)存在完全發(fā)展的失速團(tuán)沿周向轉(zhuǎn)動(dòng)，流量系數(shù)及總靜壓升系數(shù)變化平緩。隨后，給節(jié)流錐一個(gè)打開狀態(tài)的微小擾動(dòng)后保持節(jié)流錐位置不動(dòng)，壓升系數(shù)又經(jīng)歷了急速抬高、流量系數(shù)略有增加的過程，最終穩(wěn)定在特性曲線F點(diǎn)，特性線上記錄為E-F失速恢復(fù)(recovery stall)過程。繼續(xù)緩慢打開節(jié)流錐，壓氣機(jī)流量系數(shù)增加，壓升系數(shù)減小，葉頂動(dòng)態(tài)壓力陣列信號(hào)重新恢復(fù)穩(wěn)定。至此節(jié)流錐已遍歷完所有的目標(biāo)位置，通過分析進(jìn)出口壁面靜壓孔采集到的數(shù)據(jù)，即可得到該轉(zhuǎn)速配置下的特性曲線。其他轉(zhuǎn)速比條件下，按照此流程均可得到對(duì)應(yīng)的具有遲滯行為的特性曲線，這里不再贅述。下文分析的失速邊界均按照此方法試驗(yàn)獲得的近失速B點(diǎn)作為壓氣機(jī)特性曲線上最后一個(gè)點(diǎn)。

通過處理葉頂機(jī)匣壁面動(dòng)態(tài)壓力傳感器采集的信號(hào)，得到8號(hào)試驗(yàn)失速起始階段機(jī)匣壁面壓力波沿周向的傳播過程,如圖4所示。從圖中可知失速初始擾動(dòng)首先出現(xiàn)在后轉(zhuǎn)子前緣(25號(hào)傳感器)并快速向上游及下游擴(kuò)張，0.1s后前轉(zhuǎn)子前緣也檢測(cè)到了失速擾動(dòng)并且快速增長(zhǎng)為完全發(fā)展的失速團(tuán)。失速團(tuán)周向跨度為135°，傳播方向與后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致，失速團(tuán)轉(zhuǎn)速約等于轉(zhuǎn)子下游轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的8%，這說明本文所研究的對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)在近失速點(diǎn)捕捉方面有較高的精度，試驗(yàn)結(jié)果可以用于分析對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速比對(duì)其失穩(wěn)邊界影響規(guī)律。

圖3 總靜壓升系數(shù)-流量系數(shù)曲線圖4 失速起始階段壁面壓力軌跡

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)速比對(duì)壓氣機(jī)失速邊界影響

圖5為19種轉(zhuǎn)速配置下對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)流量(Q)-總靜壓升(Δp)特性曲線，圖例參考表1，例如：前后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為900 r/min和1 200 r/min對(duì)應(yīng)第一組試驗(yàn)的1號(hào)，則將其命名為1.1，按照此命名規(guī)則對(duì)所有轉(zhuǎn)速配置進(jìn)行命名。圖中紅色、藍(lán)色、黑色曲線分別代表轉(zhuǎn)速比等于1、小于1及大于1的情況，紫色曲線代表壓氣機(jī)失速邊界線。圖中失速邊界線為所有轉(zhuǎn)速配置下共同失速邊界，該失速邊界總體呈現(xiàn)出折線特征，與常規(guī)壓氣機(jī)中失速邊界形態(tài)有所區(qū)別。以2 100(r·min-1)/1 800(r·min-1)(轉(zhuǎn)速比1.167)和1 800(r·min-1)/2 100(r·min-1)(轉(zhuǎn)速比0.857)的轉(zhuǎn)速配置為例，在前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值互換的情況下，從失穩(wěn)難易程度方面講，轉(zhuǎn)速比小于1的特性曲線相比于轉(zhuǎn)速比大于1的失速點(diǎn)更靠近左邊，即轉(zhuǎn)速比小于1時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)更難失穩(wěn)。從增壓能力方面講，轉(zhuǎn)速比大于1的特性曲線相比于轉(zhuǎn)速比小于1的更靠上方，即轉(zhuǎn)速比大于1時(shí)壓氣機(jī)增壓能力更強(qiáng)。這是由于當(dāng)轉(zhuǎn)速比大于1時(shí)，前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速更大，對(duì)氣流的做功能力更強(qiáng)。而在后轉(zhuǎn)子之前去除了靜子葉排，使得后轉(zhuǎn)子的流場(chǎng)更加復(fù)雜且難以組織。因此后轉(zhuǎn)子不僅有增壓的作用，而且還承擔(dān)著將前轉(zhuǎn)子對(duì)氣流所加的功轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能的功能。所以當(dāng)進(jìn)口氣流流量相同時(shí)，轉(zhuǎn)速比大于1時(shí)的增壓能力更強(qiáng)。通過前后轉(zhuǎn)子進(jìn)出口的速度三角形亦可以進(jìn)行分析。

圖5 不同轉(zhuǎn)速配置下對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)流量-靜壓升特性曲線及失速邊界

圖6為當(dāng)前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速互換且質(zhì)量流量一致時(shí)速度三角形示意圖。此時(shí)各轉(zhuǎn)速比下前轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣流絕對(duì)速度C1in相同。由于前后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同，如圖所示Rr<1和Rr>1的前后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均與Rr=1的轉(zhuǎn)速相差 ，致使前轉(zhuǎn)子出口絕對(duì)速度C1out即后轉(zhuǎn)子進(jìn)口絕對(duì)速度C2in和后轉(zhuǎn)子出口絕對(duì)速度C2out方向存在一定差異。輪緣功Lu反應(yīng)了壓氣機(jī)對(duì)氣流的加功量，即輪緣功越大，增壓能力越強(qiáng)，計(jì)算公式如(5)式所示

Lu=Cout,uUout-Cin,uUin

(5)

式中：Cout,u和Cin,u分別為轉(zhuǎn)子出口和進(jìn)口絕對(duì)氣流周向分量;Uout和Uin分別為轉(zhuǎn)子出口和進(jìn)口圓周速度。對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)而言，同一轉(zhuǎn)子進(jìn)出口Uin和Uout相同，(5)式可簡(jiǎn)化為

Lu=UCout,u-Cin,u)

(6)

圖6 前后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速互換時(shí)速度三角形示意圖

將(6)式結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣流通過前轉(zhuǎn)子時(shí)，轉(zhuǎn)速比大于1對(duì)應(yīng)的出口-進(jìn)口絕對(duì)氣流周向分量之差(C1out,u-C1in,u)和轉(zhuǎn)速U比轉(zhuǎn)速比小于1時(shí)更大，輪緣功更大。對(duì)于后轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)速比小于1時(shí)對(duì)應(yīng)的輪緣功更大。將前后轉(zhuǎn)子綜合來看，轉(zhuǎn)速比大于1時(shí)對(duì)應(yīng)的前后轉(zhuǎn)子總輪緣功更大。反映在圖5中即當(dāng)前后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速互換時(shí)，轉(zhuǎn)速比大于1時(shí)的特性曲線更靠近上方，即相同流量條件下，增壓能力更強(qiáng)。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)其他符合條件的轉(zhuǎn)速配置均滿足該規(guī)律，即前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值互換的情況下，轉(zhuǎn)速比越大壓氣機(jī)增壓能力越強(qiáng)，同時(shí)穩(wěn)定性更差。

由于前后轉(zhuǎn)子相互獨(dú)立，轉(zhuǎn)速越大表明壓氣機(jī)做功能力的增強(qiáng)。為方便說明，定義前后轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)速Rave=(n1+n2)/2。為更清晰的表達(dá)壓氣機(jī)在Rave相等的情況下的增壓和失穩(wěn)規(guī)律，分別定義Δmstall和ΔpRstall分別為前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值互換時(shí)，轉(zhuǎn)速比大于1情況下相比于轉(zhuǎn)速比小于1情況下的失速起始點(diǎn)流量增量和靜壓升增量。通過對(duì)表1中前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值互換的試驗(yàn)組進(jìn)行試驗(yàn)，表2列舉了Δmstall及ΔpRstall的詳細(xì)結(jié)果。表中編號(hào)與表1一致，Qini為失速起始點(diǎn)流量，Δpini為失速起始點(diǎn)靜壓升?？梢园l(fā)現(xiàn)：當(dāng)前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值互換時(shí)，轉(zhuǎn)速比大于1的壓氣機(jī)相比于轉(zhuǎn)速比小于1的情況更容易失速，且失速起始點(diǎn)流量提前至少18%左右。與此相反，轉(zhuǎn)速比大于1的壓氣機(jī)相比于轉(zhuǎn)速比小于1的情況增壓能力更強(qiáng)，且失速起始點(diǎn)增壓能力至少高出5.5%。不同的轉(zhuǎn)速比下，壓氣機(jī)增壓能力與穩(wěn)定性相互制約。從上文分析來看，轉(zhuǎn)速比對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的特性曲線分布規(guī)律具有重要的影響作用，這里以轉(zhuǎn)速比作為分類依據(jù)，對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的失速邊界進(jìn)行進(jìn)一步的討論。

表2 前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值互換時(shí)失速起始點(diǎn)性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速比的變化

圖7為5種轉(zhuǎn)速比下的對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)流量-總靜壓升特性曲線，共包含16種轉(zhuǎn)速配置。圖中曲線分別代表轉(zhuǎn)速比為1的7種轉(zhuǎn)速配置、轉(zhuǎn)速比為0.75的2種轉(zhuǎn)速配置、轉(zhuǎn)速比為0.889的3種轉(zhuǎn)速配置、轉(zhuǎn)速比為1.125的2種轉(zhuǎn)速配置、轉(zhuǎn)速比為1.333的2種轉(zhuǎn)速配置，同時(shí)采用對(duì)應(yīng)顏色標(biāo)記出了各轉(zhuǎn)速比下的獨(dú)立失速邊界。可以看到：在各轉(zhuǎn)速比下，失速邊界比較光滑，與常規(guī)壓氣機(jī)失速邊界形式一致。不同的轉(zhuǎn)速比下，失速邊界存在差異，相互獨(dú)立。因此相比于常規(guī)壓氣機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的失速邊界與轉(zhuǎn)速比有很大關(guān)聯(lián)。為了更加直觀地反映轉(zhuǎn)速比對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)特性曲線的影響，圖8為5種轉(zhuǎn)速比下的對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)流量系數(shù)-總靜壓升系數(shù)特性曲線，圖中顏色與轉(zhuǎn)速配置的對(duì)應(yīng)關(guān)系與圖7一致?？梢园l(fā)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)速比相同時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的無量綱特性曲線具有比較高的重合度，而不同轉(zhuǎn)速比之間的無量綱特性曲線存在明顯的差異。除此之外，在相同的流量系數(shù)下，靜壓升系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速比的增大逐漸減小，特性曲線向下方移動(dòng)。由于當(dāng)流量系數(shù)相同時(shí)，不同轉(zhuǎn)速比下的前轉(zhuǎn)子進(jìn)口速度三角形相似，若轉(zhuǎn)速比也相同，則前后轉(zhuǎn)子進(jìn)出口的速度三角形均相似。因此相同轉(zhuǎn)速比下，不同轉(zhuǎn)速的無量綱特性曲線幾乎重合。

圖7 不同轉(zhuǎn)速比下對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)流量-靜壓升特性曲線及失速邊界

圖8 不同轉(zhuǎn)速配置下對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)流量系數(shù)-總靜壓升系數(shù)曲線

圖9為當(dāng)流量系數(shù)相同時(shí)，Rr<1，Rr=1和Rr>1時(shí)前后轉(zhuǎn)子進(jìn)口速度三角形分布。由于轉(zhuǎn)速比相同的情況下，只要流量系數(shù)相同即進(jìn)口速度三角形相似，壓氣機(jī)無量綱壓比就相同。因此，不失一般性，此處對(duì)于無量綱壓比的分析，可將Rr>1,Rr=1和Rr<1情況下的進(jìn)口速度三角形按全等處理。當(dāng)轉(zhuǎn)速比不相同時(shí)，由于前轉(zhuǎn)子進(jìn)出口速度三角形均相同，結(jié)合(6)式可得此時(shí)前轉(zhuǎn)子所做輪緣功相同。當(dāng)氣流經(jīng)過后轉(zhuǎn)子時(shí)，Rr>1時(shí)出口絕對(duì)氣流周向分量與轉(zhuǎn)速方向相反為-ΔU，Rr=1時(shí)出口絕對(duì)氣流方向沿軸向，Rr<1時(shí)出口絕對(duì)氣流周向分量與轉(zhuǎn)速方向相同為ΔU。故隨著轉(zhuǎn)速比減小，后轉(zhuǎn)子出口和進(jìn)口絕對(duì)氣流周向分量之差(C2out,u-C2in,u)和轉(zhuǎn)速U增大，Lu更大。綜合前后轉(zhuǎn)子來看，隨著轉(zhuǎn)速比減小，對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的增壓能力更強(qiáng)，最終形成如圖8所示的不同轉(zhuǎn)速比下特性曲線具有差異性的分布規(guī)律。

圖9 不同轉(zhuǎn)速比下的速度三角形示意圖

2.2 變轉(zhuǎn)速比失速初始擾動(dòng)分析

上文表明轉(zhuǎn)速比對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的特性曲線及不同轉(zhuǎn)速比下的失速邊界有重要的影響。為進(jìn)一步深入研究對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速配置下近失速時(shí)的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)所有試驗(yàn)組進(jìn)行試驗(yàn)并分析。表3列舉了所有轉(zhuǎn)速配置下對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)失速擾動(dòng)類型及基于后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的失速團(tuán)旋轉(zhuǎn)速度歸納結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)速比等于1時(shí)，不同轉(zhuǎn)速配置下失速起始階段前后轉(zhuǎn)子中的失速擾動(dòng)均占據(jù)周向135°范圍，周向旋轉(zhuǎn)速度大約為后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的6%～8%，傳播方向與后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向一致，基于后轉(zhuǎn)子的失速旋轉(zhuǎn)速度隨著Rave增大而減小，且在相同的Rave條件下，隨著轉(zhuǎn)速比的增大，該值減小。圖4展示了前后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均為800 r/min時(shí)壓氣機(jī)壁面壓力信號(hào)，此時(shí)失速擾動(dòng)周向旋轉(zhuǎn)速度大約為后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的8%。在轉(zhuǎn)速比小于1的所有轉(zhuǎn)速配置下，失速擾動(dòng)特征與轉(zhuǎn)速比等于1時(shí)類似，不同的是失速擾動(dòng)周向旋轉(zhuǎn)速度大約為后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的10%～18%。在轉(zhuǎn)速比大于1的情況下，失速擾動(dòng)特征比較復(fù)雜。當(dāng)轉(zhuǎn)速比為1.125時(shí)，失速擾動(dòng)特征與轉(zhuǎn)速比小于等于1時(shí)相似，失速擾動(dòng)以后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向在周向以3%～4%后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)。綜合來看，當(dāng)轉(zhuǎn)速比小于等于1.125時(shí)，失速擾動(dòng)占據(jù)周向135°范圍，并以后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向在周向以3%～18%后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

表3 不同轉(zhuǎn)速比條件下對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)失速擾動(dòng)特征及初始擾動(dòng)頻率

這與旋轉(zhuǎn)速度通常大于50%轉(zhuǎn)子速度，周向通常占據(jù)2～3個(gè)葉片通道的典型突尖波[6]相似但存在差異。為方便描述，將這種周向尺寸遠(yuǎn)大于突尖波且旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)低于突尖波失速擾動(dòng)特征記為類突尖波。當(dāng)轉(zhuǎn)速比為1.167和1.333時(shí)，失速擾動(dòng)特征出現(xiàn)了明顯變化。此時(shí)失速擾動(dòng)與突尖波或者模態(tài)波擾動(dòng)都存在明顯的區(qū)別，擾動(dòng)固定在機(jī)匣周向的某個(gè)范圍內(nèi)，不沿周向傳播。如圖10所示，在轉(zhuǎn)速比為1.333時(shí)，前后轉(zhuǎn)子的失速初始擾動(dòng)均固定在周向大約225°范圍內(nèi)，故不存在初始擾動(dòng)頻率。該現(xiàn)象與常規(guī)壓氣機(jī)中的失速特征具有很大的差異。因此，盡管對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速比下的特性曲線并無太大區(qū)別，但其中的失速擾動(dòng)特征存在很大差異。

圖11為不同轉(zhuǎn)速比下失速擾動(dòng)特征的歸納結(jié)果，數(shù)據(jù)來源表3中19個(gè)轉(zhuǎn)速配置下的失速擾動(dòng)特征。圖中采用黑色代表轉(zhuǎn)速比小于或等于1.125的失速擾動(dòng)特征，紅色代表轉(zhuǎn)速比大于或等于1.167的失速擾動(dòng)特征。當(dāng)前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比小于或等于1.125時(shí)，失速擾動(dòng)沿周向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速比大于或等于1.167時(shí)，失速擾動(dòng)不沿周向旋轉(zhuǎn)。對(duì)于本文所研究的對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)，轉(zhuǎn)速比存在一個(gè)臨界值，該值位于1.125～1.167之間，當(dāng)轉(zhuǎn)速比小于該臨界值時(shí)，失速擾動(dòng)繞周向旋轉(zhuǎn)，與常規(guī)壓氣機(jī)類似。當(dāng)轉(zhuǎn)速比大于該臨界值時(shí)，失速擾動(dòng)不沿周向旋轉(zhuǎn)，該現(xiàn)象與常規(guī)壓氣機(jī)具有顯著差異。

圖10 轉(zhuǎn)速比為1.333時(shí)失速起始過程壁面壓力軌跡圖11 不同轉(zhuǎn)速比下失速初始擾動(dòng)特征的歸納結(jié)果

圖12為不同轉(zhuǎn)速比下失速初始擾動(dòng)頻率隨Rave的變化規(guī)律，共包含16種轉(zhuǎn)速配置。其中紅色代表轉(zhuǎn)速比小于1的情況，藍(lán)色代表轉(zhuǎn)速比等于1的情況，黑色代表轉(zhuǎn)速比等于1.125的情況?？傮w上，轉(zhuǎn)速比越小，失速初始擾動(dòng)頻率越高。在同一轉(zhuǎn)速比下，失速擾動(dòng)初始頻率隨Rave的增大而增大，表明失速初始擾動(dòng)的旋轉(zhuǎn)速度或個(gè)數(shù)有所增加。

圖12 失速頻率隨平均轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

3 結(jié) 論

本文以低速軸流對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，通過設(shè)置轉(zhuǎn)速比小于1、等于1以及大于1共19種轉(zhuǎn)速配置并進(jìn)行試驗(yàn)，成功捕捉到了所有近失速點(diǎn)及不同轉(zhuǎn)速比條件下的失速邊界特征。通過對(duì)所有轉(zhuǎn)速配置下的失速擾動(dòng)特征進(jìn)行分析可得到如下結(jié)論：

1) 在前/后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速值互換的情況下，轉(zhuǎn)速比大于1相比于轉(zhuǎn)速比小于1時(shí)壓氣機(jī)更容易失速，增壓能力更強(qiáng)，且失速起始點(diǎn)流量提前至少18%，增壓能力至少高出5.5%。不同的轉(zhuǎn)速比下，壓氣機(jī)增壓能力與穩(wěn)定性相互制約。相比于常規(guī)壓氣機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的失速邊界更復(fù)雜，不同轉(zhuǎn)速比下的失速邊界相互獨(dú)立。

2) 當(dāng)轉(zhuǎn)速比相同時(shí)，相同流量系數(shù)下，前后轉(zhuǎn)子進(jìn)出口速度三角形均相似，壓氣機(jī)壓升系數(shù)相等，因此等轉(zhuǎn)速比下無量綱特性曲線幾乎重合。當(dāng)轉(zhuǎn)速比不同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速比減小，相同流量系數(shù)下對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)后轉(zhuǎn)子所做輪緣功變大，增壓能力變強(qiáng)，無量綱特性曲線向上方移動(dòng)。

3) 對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)，存在一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速比值位于1.125～1.167之間。當(dāng)轉(zhuǎn)速比小于該臨界值時(shí)，失速擾動(dòng)占據(jù)周向大約135°范圍，以3%～18%后轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度沿與后轉(zhuǎn)子相同的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)，失速擾動(dòng)特征為類突尖波。此時(shí)轉(zhuǎn)速比越小，失速初始擾動(dòng)頻率越高，且在同一轉(zhuǎn)速比下，失速擾動(dòng)初始頻率隨Rave的增大而增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速比大于該臨界值時(shí)，失速擾動(dòng)固定在周向某一位置，不沿周向旋轉(zhuǎn)，該現(xiàn)象與常規(guī)壓氣機(jī)具有顯著差異。

通過本文試驗(yàn)研究，認(rèn)識(shí)到對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)中失速過程的復(fù)雜性，未來應(yīng)采用更精細(xì)的測(cè)量設(shè)備及更先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析手段清晰地刻畫對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)中的失速過程，為對(duì)轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用提供支撐。