涡轴发动机压气机流动失稳在线监测与扩稳技术研究

摘要

以旋转失速和喘振为代表的流动失稳对航空涡轮发动机安全运行构成极大威胁。流动失稳一旦发生，不但使发动机性能（推力、经济性）大为恶化，而且更严重的是它会引起发动机的突然熄火，或引起压气机叶片剧烈振动以致叶片断裂而造成整台发动机的损坏。因此，有必要在以下两方面开展进一步研究:一是失稳控制技术，探求最有效、快捷的工程办法，能准确地捕获压气机失稳信号，从而快速控制发动机退出非稳定工作状态:二是扩稳技术，探求有效的控制失稳的方法，在准确地捕获到压气机失稳先兆信号后，不仅能控制发动机退出非稳定工作状态，使发动机不发生失稳，而且还能够使发动机喘振裕度增大，将发动机非稳定工作边界外推。
　　鉴于此，本文在分析目前国内外该领域的研究思路和方法的基础上，在涡轴发动机流动失稳在线预报和扩稳技术方面进行部分探索工作。主要工作和研究成果如下:
　　流动失稳信号特征研究:通过对壁面压力信号进行时域信号分析、小波分析以及自相关分析，获取压气机流动失稳信号特征及其发生发展过程，找出表征失速先兆的参数及其判据，进而提出一种基于自相关分析的失稳在线预报方法。分析表明，“Spike”先兆仅可在失速前1～2转通过时域分析发现;小波“斑团”在失速前几十转甚至几百转时就可发现;压气机转子壁面动态压力的自相关系数在靠近失速点降低幅度较大（较大流量点下降约7％～9％），与小波分析观察到的16倍转子频率带处出现的斑团相对应，为压气机流动失稳时壁面压力锯齿波周期性遭到破坏所致。
　　流动失稳在线预报技术研究:基于流动失稳时转子顶部壁面压力信号特征，提出了一种以压力信号自相关系数为判据的流动失稳先兆预测方法，即当自相关系数降低到某一闽值（文中实例为0.87），且概率达到某设定值(30％)时，则认为流动失稳即将发生。在准确捕捉失速先兆信号的基础上，基于现代DSP控制技术，研制了一套针对轴流级压气机流动失稳的在线预报系统，并在某高亚音速轴流压气机试验台上进行了试验验证，在失速前175转(约1.28s)时发出失速报警信号，使流动失稳的预警时间较常规预测方法大幅提前。
　　流动扩稳技术研究:针对轴流压气机低转速下前面级易于出现流动失稳的特点，开展了针对叶项的一系列喷气扩稳实验。实验结果表明:喷气（主流流量的0.256％）可使轴流压气机稳定工作范围扩大7.1％，效率提高1％，并提出了该方法的工程应用建议，即采用0°即沿轴向喷气，喷气位置安装在动叶前缘附近。通过对叶顶压力信号的小波分析和自相关分析，首次解释了喷气流动扩稳的机理，即喷气能够有效改善壁面压力的周期性，消除导致流动失稳的微小扰动，拓宽流动稳定工作范围。
　　针对某组合压气机离心级的流动特点，专门设计了针对径向扩压器前缘的喷气扩稳系统，试验结果表明，利用喷气量（主流流量的1.5％、2.0％、2.5％），可以有效地改善离心压气机径向扩压器进口的流动状况，提高组合压气机的喘振裕度(0.6％～2.3％)，提高效率(0.4％～2.5％)。
　　退喘监控系统研制:基于不同折合转速下涡轴发动机压气机试验结果的统计分析，提炼出了在不同工作状态下发生喘振时压气机进出口压力脉动幅值和频率的变化特征，脉动幅度一般为(40～85)％，喘振频率一般都在(0.5～10) Hz。在此基础上，具体凝练出某型涡轴发动机压气机喘振发生时压力脉动幅值的变化阈值，设计了一种独特、新颖的喘振判别系统。当喘振发生时，喘振判别系统输出阶跃信号，并进行声光报警，启动退喘阀门，从而达到准确测量涡轴发动机喘振边界和快速退出喘振状态的目的。该套喘振在线监控系统在某型涡轴发动机压气机部件台及整机试验台上进行了应用验证，结果表明，涡轴发动机喘振在线监控系统响应时间快（小于100ms），报警准确度高（优于95％）。
　　本文的研究成果可为先进涡轴发动机流动失稳在线监测和扩稳系统的研制提供技术支持和工程参考。

目录

摘要

符号注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 涡轴发动机流动失稳在线监测与扩稳技术研究的发展及趋势

1．2．1 压气机失速／喘振的国内外研究现状

1．2．2 压气机扩稳技术的研究进展

1．3 文献综述对本文工作的启发

1．4 论文的研究内容及思路

第二章 试验装置和测试系统

2．1 某高亚音速轴流压气机试验台

2．1．1 试验装置

2．1．2 测试系统

2．2 某涡轴发动机压气机试验台

2．2．1 试验装置

2．2．2 动态测试系统及测点位置

2．2．3 同步锁相发生器

2．3 本章小结

第三章 压气机失速在线监测与预报技术研究

3．1 前言

3．2 高亚音速轴流级压气机失速先兆信号分析

3．2．1 时域信号分析

3．2．2 小波分析

3．2．3 自相关分析

3．3 涡轴发动机轴流级压气机失速先兆信号分析

3．3．1 时域信号分析

3．3．2 自相关分析

3．4 轴流级压气机失稳在线预报系统的研制与试验验证

3．4．1 失稳信号在线检测原理

3．4．2 失稳在线预报系统研制

3．4．3 失稳在线预报系统试验验证

3．5 本章小结

第四章 压气机扩稳技术研究

4．1 前言

4．2 某高亚音轴流级压气机叶顶喷气扩稳研究

4．2．1 引言

4．2．2 不同喷气量的实验结果

4．2．3 不同喷气角的实验结果

4．2．4 不同喷气位置的实验结果

4．2．5 轴流压气机叶顶喷气扩稳机制探讨

4．2．6 轴流级压气机叶顶喷气扩稳技术小结

4．3 某组合压气机扩稳技术研究

4．3．1 引言

4．3．2 基准组合压气机数值模拟

4．3．3 射流控制三维数值模拟结果比较

4．3．4 试验件结构方案设计

4．3．5 射流控制试验结果分析

4．3．6 某组合压气机射流控制小结

4．4 本章小结

第五章 涡轴发动机压气机退喘监控系统

5．1 前言

5．2 某涡轴发动机压气机喘振信号特征分析

5．2．1 测试安排

5．2．2 喘振压力信号时域分析

5．2．3 喘振压力信号频域分析

5．2．4 喘振信号分析小结

5．3 涡轴发动机喘振在线监控系统

5．3．1 涡轴发动机喘振在线监控系统原理

5．3．2 涡轴发动机喘振在线监控系统方案设计

5．4 某型涡轴发动机喘振在线监控系统试验验证

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 主要研究成果

6．2 本文的创新点

6．3 未来研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文