多级低速大尺寸压气机中基于调控失速先兆模式的端壁处理设计策略

In axial compressor, there are two types of stall inception, which are spike-type inception and modal-type inception. Compared with spike inception, it’s easier to monitor and perform active flow control to modal inception. Recent researches show that some designs of endwall treatment can convert spike-type into modal-type stall inception. However, the mechanism of conversion is still unknown, as well as the design method of this kind of casing treatment. Hence, a new four-stage large scale research compressor will be experimentally investigated by 5-hole probes, hot-wire and high frequency pressure transducers. Numerical simulations will also be carried out on the LSRC by DES. The purposes of this project include: exploring the flow mechanism and dynamics mechanism of the conversion of two stall inceptions; building a correlation model between characteristics of modal-type inception and design parameters of endwall treatment; revealing the key design parameter of endwall treatment about the existence and energy of modal-type inception; illuminating the inherent law of manipulating stall inception under real and complex inflow environment; establishing the design strategy of endwall treatment in axial compressors based on manipulating the stall inception type.

在轴流压气机中，相较于突尖波，模态波失速先兆更易于被监测并实施主动控制。近年来对于被动控制的研究表明，一些端壁处理设计能够将失速先兆由突尖波型转变为模态波型，而背后的作用机理及设计方法尚不明确。基于这一出发点，本项目拟采用低速大尺寸压气机试验台（LSRC）作为主要研究对象，综合运用五孔探针、热线、高频响动态压力传感器等测试系统，结合高精度的DES数值分析，探索两种失速先兆之间转换的流动机理及动力学机制，构建模态波失速先兆特征与端壁处理设计参数之间的关联模型，揭示与模态波存在性及能量特征相关的端壁处理关键设计参数，阐明真实复杂来流条件下端壁处理调控失速先兆的内在规律，建立基于调控失速先兆模式的端壁处理设计策略。

本项目瞄准先进航空发动机压气机流动控制技术发展的需求，基于调控失速先兆模式的目的，开展端壁处理调控失速先兆模式的机理研究，形成立足于先兆类型调控的端壁处理设计策略，对失速先兆的调控效果及流动机理进行探讨。项目获得了以下研究进展：1) 高压压气机中非线性流动不稳定机理研究。针对跨声速压气机及高压压气机模化放大后多级压气机级，通过多通道非定常数值模拟，揭示叶尖泄漏流、转静子轴向间隙泄漏流等复杂流动现象造成的非线性不稳定流动机理。在转子叶尖，转子叶片激波与泄漏涡干涉造成涡破碎诱发了突尖波失速先兆现象。2) 叶尖失速先兆时频分析方法研究。针对叶尖泄漏流造成的失速先兆现象，发展基于小波分析的时频分析方法，结合叶尖非定常流场分析，阐明了节流过程中失速先兆产生、发展的过程及流动机理。3) 端壁处理调控失速先兆机理研究。基于突尖波失速先兆来源于叶尖泄漏流前溢的流动机理，采用主流与泄漏流的轴向动量平衡关系进行端壁处理扩稳机理的研究。阐明了端壁处理对于叶尖动量平衡关系的重构机理，并因而从动量参数分布的角度提出端壁处理设计的关键参数。4) 低速大尺寸压气机试验与失速机理研究。针对代表了现代高压压气机设计特点的低速模化大尺寸压气机级，进行压气机级的总体性能及级间参数分布测试，并校验数值模拟方法。基于进行多通道非定常数值模拟，研究表明大间隙下转子通道内的失速扰动进一步堵塞叶片通道，而小间隙下则显著影响前缘及吸力面处的通道流动。吸力面分离产生的径向涡诱发相邻叶片产生新的分离，并溢出前缘平面在不同间隙的叶片通道中交替出现。5) 叶片/端壁处理耦合优化设计策略研究。基于端壁处理与叶尖动量分布的强耦合，发展了叶片与端壁处理的耦合并行优化策略，通过叶片的弯掠设计与端壁处理关键几何参数设计的同步优化，获得在效率及裕度方面均优于单独优化及顺序优化更优的性能。叶片与流动控制同步耦合优化的策略能够应用于不同的流动控制设计场景。

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