壓氣機(jī)失速與喘振裕度控制技術(shù)研究

常 軒，姚松勤，常 鑫

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000；2.杭州和利時(shí)自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

引言

旋轉(zhuǎn)失速和喘振的發(fā)生制約著壓氣機(jī)的工作裕度。旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生時(shí)，壓縮機(jī)流量波動不大，但會造成壓縮機(jī)失去加功能力，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)等工作。喘振發(fā)生時(shí)，壓縮機(jī)流量出現(xiàn)脈動振蕩，造成劇烈的機(jī)械振動，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。無論是旋轉(zhuǎn)失速還是喘振都是壓縮機(jī)在工作過程中應(yīng)避免的，而關(guān)于導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速和喘振發(fā)生的失穩(wěn)先兆的研究，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)，也曾被認(rèn)為是未來一段時(shí)間內(nèi)壓氣機(jī)研究的重要方向之一[1-2]。

1 壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理分析

由于某種因素引起壓氣機(jī)空氣流量減少時(shí)，會使得葉片排的進(jìn)氣沖角增大，當(dāng)沖角增大到一程度后，由于來流中的擾動或葉片排的加工、裝配誤差，促使某幾個(gè)葉片比其余葉片首先產(chǎn)生繞流分離。氣流分離后，流動損失增大，靜壓升下降，不能再保持已分離葉片周圍正常的氣體流動，從而形成明顯的氣流堵塞或流量減少區(qū)域。這個(gè)受阻滯的氣流區(qū)使周圍流動發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使一邊相鄰葉片進(jìn)口氣流沖角增大，直至造成分離。而另一邊相鄰葉片進(jìn)口氣流沖角減少，從而形成分離區(qū)沿葉片排周向傳播。旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象可分為兩大類：漸進(jìn)型和突變型。

1.1 漸進(jìn)型旋轉(zhuǎn)失速的主要特點(diǎn)

增壓比隨流量減小逐漸下降，等轉(zhuǎn)速線上沒有間斷點(diǎn)。分離區(qū)數(shù)目隨空氣流量減少而逐漸下降，且分離區(qū)向葉高方向的范圍逐步擴(kuò)展。分離區(qū)的移動速度不隨分離區(qū)數(shù)目的增加而變化。

1.2 突變型旋轉(zhuǎn)失速的主要特點(diǎn)

當(dāng)氣流在整個(gè)葉高上發(fā)生分離時(shí)，形成的是突變型旋轉(zhuǎn)失速。突變型旋轉(zhuǎn)失速的特點(diǎn)是：分離區(qū)數(shù)目一般不會太多，只有一個(gè)或兩個(gè)。失速時(shí)增壓系數(shù)急劇下降，在等轉(zhuǎn)速線上有間斷點(diǎn)。特性線明顯分為左下和右上，并出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。

2 壓氣機(jī)失速與喘振裕度控制技術(shù)分解

壓縮機(jī)產(chǎn)生失速與喘振的主要原因分為兩大類，一是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的，二是葉輪周期性旋轉(zhuǎn)中流場原因造成的，如：邊界層流場。與之相對應(yīng)，壓縮機(jī)失速與喘振裕度控制技術(shù)分為結(jié)構(gòu)控制和通過流場控制。對于流場控制又分為通過流體吸附、通過流體引射、采用局部感應(yīng)轉(zhuǎn)子和定子交界面流體回流方式以及采用相關(guān)的等離子發(fā)生器來對壓縮機(jī)失速與喘振裕度控制。依據(jù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的方式不同，對上述功能分類進(jìn)行細(xì)分，如圖1 所示。

本文主要通過影響邊界層，控制邊界層，從而達(dá)到控制或改善壓縮機(jī)入口流場，改善壓縮機(jī)失速與喘振裕度。一是通過流體吸附技術(shù)分支：通過抽、吸的手段改善入口氣流。二是通過流體引射技術(shù)分支：通過將氣流引射進(jìn)壓縮機(jī)入口的手段改善入口氣流。三是采用局部感應(yīng)轉(zhuǎn)子和定子交界面流體回流方式技術(shù)分支：通過采用開設(shè)回流槽的方式。四是采用相關(guān)的等離子發(fā)生器技術(shù)分支：通過在壓縮機(jī)機(jī)匣固定位置施加適當(dāng)強(qiáng)度和頻率的等離子體激勵(lì)。

3 壓氣機(jī)失速與喘振裕度控制技術(shù)改進(jìn)方案一

失速與喘振裕度控制技術(shù)改進(jìn)方案，主要包括三個(gè)抽吸環(huán)。抽吸環(huán)為一環(huán)狀殼體，其上下兩個(gè)端面形成軸向定位面，其內(nèi)壁面為內(nèi)殼曲面，外壁面為外殼曲面。抽吸環(huán)上周向均布有兩排抽吸孔，抽吸孔為連通內(nèi)殼曲面與外殼曲面的圓形通孔，每排抽吸孔的數(shù)量為28 個(gè)。各抽吸環(huán)均通過定位臺階鑲嵌在輪緣機(jī)匣上，壓氣機(jī)輪緣機(jī)匣結(jié)構(gòu)的輪緣機(jī)匣內(nèi)壁有定位臺階，抽吸環(huán)兩端面的軸向定位面與兩個(gè)相應(yīng)的定位臺階止靠并密封配合，使得抽吸環(huán)鑲嵌在輪緣機(jī)匣上。輪緣機(jī)匣上周向均布有兩排貫通壁面的主抽吸孔，每排主抽吸孔的數(shù)量為28 個(gè)。各抽吸環(huán)外壁面、兩個(gè)軸向定位面和輪緣機(jī)匣內(nèi)壁面之間形成一空腔，即抽吸腔。葉輪機(jī)械通道內(nèi)的低能流體通過抽吸環(huán)上的抽吸孔進(jìn)入各抽吸腔內(nèi)，再由輪緣機(jī)匣上的主抽吸孔進(jìn)入外界抽吸設(shè)備中，形成整個(gè)完整密封的抽吸路線。

失速與喘振裕度控制技術(shù)改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)：輪緣機(jī)匣附面層抽吸擴(kuò)穩(wěn)裝置吸除了近端壁處的低能流體，抑制了高熵流體沿徑向的發(fā)展，減小了其與主流區(qū)域的摻混，降低了該處氣流的橫向二次流動，提高了壓氣機(jī)的工作效率，改善了端壁區(qū)域的流動阻塞狀況，增加了壓氣機(jī)的流通能力，擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度。

4 壓氣機(jī)失速與喘振裕度控制技術(shù)改進(jìn)方案二

失速與喘振裕度控制技術(shù)改進(jìn)方案：開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對稱自循環(huán)處理機(jī)匣，含有壓氣機(jī)渦殼，在壓氣機(jī)渦殼壁面上設(shè)有抽吸環(huán)槽、導(dǎo)流環(huán)槽和回流環(huán)槽，抽吸環(huán)槽、導(dǎo)流環(huán)槽和回流環(huán)槽形成自循環(huán)通道，抽吸環(huán)槽的前端面距主流葉片的前緣的距離Sr在圓周方向上為正弦分布[3]，即：

式中：A0為抽吸環(huán)槽位置的平均值，根據(jù)離心壓氣機(jī)的葉輪直徑D 確定A0的取值范圍為0.05≤＜0.2；A 為分布的幅度，0.1＜＜0.35；θ0為初始角度，取值范圍為0°≤θ0≤360°；α 為機(jī)匣周向角度，為公式的自變量，定義域?yàn)椋害?≤α≤θ0+360°。

壓氣機(jī)渦殼由外殼和內(nèi)嵌套組成，抽吸環(huán)槽設(shè)置在內(nèi)嵌套的壁面上，外殼的內(nèi)壁面和內(nèi)嵌套的外壁面形成導(dǎo)流環(huán)槽和回流環(huán)槽。固定外殼，并旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌套，使二者裝配相對位置發(fā)生改變，可以得到不同初始角度θ0的抽吸環(huán)槽位置的正弦分布。外殼和內(nèi)嵌套通過螺釘連接組成，在外殼上周向上均布n 個(gè)螺釘孔，即可得到對應(yīng)于n 個(gè)不同初始角度θ0的分布曲線，通過壓氣機(jī)性能試驗(yàn)確定最優(yōu)的初始角度θ0。

失速與喘振裕度控制技術(shù)改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)：開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對稱自循環(huán)處理機(jī)匣，相比于開槽位置在圓周方向上一致的軸對稱自循環(huán)處理機(jī)匣，可以較大地提高離心式壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，同時(shí)維持效率基本不變。