軸流風(fēng)扇壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究

軸流風(fēng)扇壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究

風(fēng)扇壓氣機(jī)是吸痰系統(tǒng)的重要部件之一。除了高效和高負(fù)荷要求外，充分的失速裕度是一個(gè)重要指標(biāo)。氣箱處理是一種常見的擴(kuò)穩(wěn)方法，可以改善壓氣機(jī)的失速裕度。然而，它的影響不僅是急性流動(dòng)的失速裕度，而且是壓氣機(jī)的壓升性能和效率。應(yīng)用的關(guān)鍵是如何處理裕度和效率之間的關(guān)系。一些人認(rèn)為，處理氣箱處理技術(shù)總是以效率損失為代價(jià)。一些案例是kangmchnie的“receive”實(shí)驗(yàn)和chuli的“交叉斜縫”試驗(yàn)，而對(duì)于特定的壓氣機(jī)，它們無法總結(jié)出普遍的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這些工作基礎(chǔ)仍然是“試圖”的方法，很難應(yīng)用于其他地方，這需要重新識(shí)別氣盒處理的功能機(jī)制。那么,帶有氣室的機(jī)匣處理究竟是改變了導(dǎo)致失速的葉片通道中的阻塞特征呢?還是對(duì)失速起始階段的先兆波發(fā)生了作用?盡管沒有控制的先兆波的發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致阻塞甚至失速,但如果認(rèn)為機(jī)匣處理是抑制了失速的先兆波進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)穩(wěn),則應(yīng)用非定常方法來研究它對(duì)擾動(dòng)波抑制的機(jī)理;如果從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)來看,則應(yīng)從定常的角度分析機(jī)匣氣室回流所導(dǎo)致的動(dòng)量、質(zhì)量交換來解釋擴(kuò)穩(wěn)的機(jī)理,力求設(shè)計(jì)好氣室內(nèi)回流通道使機(jī)匣達(dá)到最大的擴(kuò)穩(wěn)效果,并減小機(jī)匣內(nèi)部的流動(dòng)損失使壓氣機(jī)保持較高的效率.Kang等人設(shè)計(jì)了各種機(jī)匣氣室中的回流通道,結(jié)果是在腔深一定的情況下,氣室內(nèi)無論采用何種通道,其效率是一樣的.這說明氣室內(nèi)的流動(dòng)相對(duì)于主流是一個(gè)小量,對(duì)效率的影響是微不足道的.從非定常角度出發(fā),怎樣理解從高壓葉尖區(qū)流進(jìn)氣室然后又從壓力較低的葉片前緣區(qū)流出的氣流作用呢?景曉東等設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)理性實(shí)驗(yàn),研究了帶有氣室的多孔板或多縫板在有氣體流入流出時(shí)所發(fā)生的非定?，F(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn),盡管流進(jìn)、流出氣體流動(dòng)的方向完全不同,但只要絕對(duì)速度相等,所導(dǎo)致的非定常邊界或阻抗邊界是相同的.而流進(jìn)、流出的結(jié)果是在多孔板或多縫板出口產(chǎn)生渦環(huán)或渦街,而這些渦將與作用在壁面的壓力波(或聲波)相互作用,發(fā)生能量交換,波能或聲能轉(zhuǎn)化為渦能.以波渦相互作用理論為基礎(chǔ),發(fā)展了相應(yīng)的計(jì)算模型和方法,理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致.這些結(jié)果給人最直接的啟示是:帶有氣室的先進(jìn)機(jī)匣處理實(shí)際上是提供了一種非定?！败洝边吔?入射到機(jī)匣壁面的失速先兆波的能量轉(zhuǎn)換成非定常渦能,進(jìn)而抑制了它的非線性放大所導(dǎo)致的失穩(wěn).不管是何種類型的失速先兆波,在這種波渦相互作用的非定?？刂茩C(jī)制下,都能得到有效的抑制.孫曉峰在其三維可壓縮旋轉(zhuǎn)失速穩(wěn)定性模型中提出一種方案,機(jī)匣處理的影響通過反映邊界特性的壁面阻抗值進(jìn)入模型,從而可以定性研究機(jī)匣處理的影響.于巍巍繼而發(fā)展了包含機(jī)匣處理影響的三維跨音風(fēng)扇/壓氣機(jī)穩(wěn)定性模型,該模型以等價(jià)分布源方法為基礎(chǔ),結(jié)合穩(wěn)定性方程,能夠考慮帶氣室的處理機(jī)匣各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響,可用于帶激波的多排葉柵的風(fēng)扇/壓氣機(jī)失速起始點(diǎn)的預(yù)測(cè).若從這一角度研究問題,將對(duì)這種非定常機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí),從而產(chǎn)生更有效的設(shè)計(jì)方法.基于此,設(shè)計(jì)了一種非定常處理機(jī)匣,通過改變斜槽的參數(shù)調(diào)節(jié)壁面阻值,通過改變氣室容積調(diào)節(jié)壁面抗值,通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以在不同工作狀態(tài)下,調(diào)節(jié)處理機(jī)匣的幾何參數(shù),實(shí)現(xiàn)可變參數(shù)的被動(dòng)控制——即主被動(dòng)控制.這就從非定常的角度,通過主動(dòng)調(diào)節(jié)壁面阻抗邊界條件,實(shí)現(xiàn)了壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速擴(kuò)穩(wěn)目的.本文將對(duì)這種非定常機(jī)匣處理開展詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究,研究的目的是要解決以下三個(gè)問題:非定常機(jī)匣處理對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)是否有效?機(jī)匣參數(shù)的可調(diào)節(jié)性,即主被動(dòng)控制的效果怎樣?對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的效率有何影響?1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹非定常機(jī)匣處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有三個(gè):低速風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、中科院工物所低速壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖1).主要性能參數(shù)見表1.2機(jī)表面加工處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示:1.處理機(jī)匣內(nèi)環(huán),改變斜槽調(diào)節(jié)阻值;2.處理機(jī)匣外環(huán),形成封閉腔體;3.處理機(jī)匣支架,內(nèi)壁面加工有不同直徑的槽道,與外環(huán)配合形成不同容積的氣室;4.帽錐,固定在轉(zhuǎn)子上,隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng);5.氣室,通過改變其容積大小調(diào)節(jié)抗值;6.壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子;7.壓氣機(jī)靜子.3能源壓縮器參數(shù)為了更明顯觀察失速的起始,采用流量-靜壓升系數(shù)(φ-ψ)特性曲線.(1)進(jìn)口軸向速度qvψ=p2-p*10.5ρU2m(1)?=VxUm=qvUmA0(2)qv=αA0√2|pΗ-p0|ρ0(3)ψ=p2?p?10.5ρU2m(1)?=VxUm=qvUmA0(2)qv=αA02|pH?p0|ρ0??????√(3)其中Vx為進(jìn)口軸向速度;Um為葉中切向速度.(2)設(shè)計(jì)點(diǎn)流量裕度計(jì)算SΜ=(ψs/φsψd/φd-1)(4)SM=(ψs/φsψd/φd?1)(4)流量裕度SΜm=qmd-qmsqmd×100%(5)SMm=qmd?qmsqmd×100%(5)其中qmd為設(shè)計(jì)點(diǎn)流量,qms為失速點(diǎn)流量.(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析η=qv(p*2-p*1)1000Νk(6)Νk=Ν電?η電?η機(jī)(7)其中電機(jī)效率η電=0.89,機(jī)械效率η機(jī)=1.0.實(shí)驗(yàn)以變頻器輸出電功率為電機(jī)輸入功率η電,并且未考慮由于負(fù)載變化所引起的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率的影響.4固壁重復(fù)性實(shí)驗(yàn).作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),對(duì)固壁機(jī)匣的失速特性進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,圖3給出了低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)3次不同大氣壓力和溫度情況下的固壁重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果.可以看出,數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可信的.多次實(shí)驗(yàn)的平均值作為處理機(jī)匣比較的固壁結(jié)果,最終可以確定流量誤差在0.5%以內(nèi),效率誤差在1%以內(nèi).5非定常機(jī)盒處理試驗(yàn)結(jié)果5.1抗沖壓氣機(jī)特性本文對(duì)非定常處理機(jī)匣在3臺(tái)低速風(fēng)扇/壓氣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),圖4～圖6分別給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.從圖中可以看到,非定常處理機(jī)匣在3臺(tái)低速風(fēng)扇/壓氣機(jī)試驗(yàn)裝置上均取得了較好的擴(kuò)穩(wěn)效果.表2、表3分別給出了非定常處理機(jī)匣在低速風(fēng)扇試驗(yàn)臺(tái)不同工作轉(zhuǎn)速情況下,改變開槽個(gè)數(shù)和腔深條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果.表4給出了相應(yīng)的不同阻抗條件下的對(duì)比結(jié)果.從數(shù)據(jù)結(jié)果來看,在很小穿孔率(4%～8%左右)的情況下,可以得到較大的裕度提高(約5%～8%),明顯擴(kuò)大了風(fēng)扇/壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍.其中,在低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,24槽和30槽兩種機(jī)匣處理情況下,對(duì)流量裕度均有3%～5%左右的改善,而由流量系數(shù)得到的綜合裕度有8%～11%左右的提高.值得注意的是,不帶氣室的處理機(jī)匣也有一定的裕度改善,但略遜于有氣室的擴(kuò)穩(wěn)效果.這是因?yàn)闄C(jī)匣壁面厚度(約15mm)較大,壁面阻值對(duì)阻抗的影響占主導(dǎo)地位,所以腔深的變化帶來的抗的改變效果不夠明顯.表2～表4中阻抗特性的規(guī)律性將放在接下來的非定常機(jī)匣處理的腔深可調(diào)節(jié)性部分中進(jìn)行討論.圖7給出了24槽L60機(jī)匣處理(見表2說明)對(duì)低速風(fēng)扇在不同工作轉(zhuǎn)速下的失速特性改善的結(jié)果,可以看到,機(jī)匣處理使得壓氣機(jī)在所有工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的失速邊界明顯左移,從而較好的實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇/壓氣機(jī)的全面擴(kuò)穩(wěn).同時(shí)可以看到,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的處理機(jī)匣,對(duì)不同狀態(tài)的壓氣機(jī)特性改善情況是不盡相同的,這就是機(jī)匣處理的調(diào)節(jié)性問題,也是進(jìn)行主被動(dòng)控制的目的所在.5.2腔深對(duì)機(jī)表面積的影響對(duì)非定常機(jī)匣處理開展參數(shù)調(diào)節(jié)特性實(shí)驗(yàn).首先研究斜槽數(shù)目的改變對(duì)穩(wěn)定裕度的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(nèi)(約4%～8%左右),穩(wěn)定裕度會(huì)隨著穿孔率的增加而提高,但繼續(xù)增加穿孔率,裕度提高的幅度會(huì)明顯變小.對(duì)比表2、表3中低速風(fēng)扇試驗(yàn)臺(tái)24槽和30槽(穿孔率分別為6%和7.5%)的結(jié)果,就可以發(fā)現(xiàn)穿孔率的提高并沒有帶來明顯的裕度改善.從表4及圖5中工物所低速壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的結(jié)果也同樣可以看到,斜槽的個(gè)數(shù)并不是越多越好,由30槽到48槽,穿孔率提高60%,而裕度僅提高0.5%,裕度并沒有隨著槽的個(gè)數(shù)增加而顯著增加.這說明,穩(wěn)定裕度會(huì)隨著穿孔率的增加而提高,但并非是線性增加,即所付出的性能損失代價(jià)有可能會(huì)高于收到的擴(kuò)穩(wěn)效果.接下來研究氣室容積的改變對(duì)裕度的影響,圖8給出了低速風(fēng)機(jī)的失速裕度隨機(jī)匣氣室深度的變化特性,可以看到,腔深的變化對(duì)流量裕度和綜合裕度都會(huì)產(chǎn)生明顯的影響(圖8(a)),而且實(shí)驗(yàn)具有比較好的重復(fù)性(圖8(b)).在低速風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上在5mm到120mm徑向腔深范圍內(nèi)進(jìn)行抗性實(shí)驗(yàn),詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2、表3.圖9中給出了100%和85%轉(zhuǎn)速下的腔深特性曲線,可以看到,腔深的變化會(huì)對(duì)處理機(jī)匣的擴(kuò)穩(wěn)效果帶來較大的影響.另外,處理機(jī)匣并不是容積越大效果越好,需要和穿孔率等結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配.值得一提的是,在腔深只有5mm(容積0.2L)情況下,非定常機(jī)匣處理依然有4%左右的流量裕度改善,這意味著機(jī)匣的結(jié)構(gòu)可以相當(dāng)緊湊,這對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用有很大好處,不至過于受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制.機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)參數(shù)(斜槽、氣室等)的變化,可以改變壁面非定常阻抗特性,在這方面,孫曉峰等開展了相關(guān)的壁面阻抗主動(dòng)控制研究工作,為帶氣室機(jī)匣處理的非定常阻抗邊界調(diào)節(jié)提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).阻抗邊界的改變,直接影響旋轉(zhuǎn)失速的演化過程,并最終改變了風(fēng)扇/壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍.壁面阻抗的非定常調(diào)節(jié)特性,在理論方面,和于巍巍的旋轉(zhuǎn)失速穩(wěn)定性模型中關(guān)于處理機(jī)匣的結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論結(jié)果得到了相互印證;在實(shí)際應(yīng)用方面,為風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性問題提供了另外一種解決途徑——非定常機(jī)匣處理主被動(dòng)控制方案.風(fēng)扇/壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速主被動(dòng)控制方案是把主動(dòng)控制和傳統(tǒng)處理機(jī)匣結(jié)合起來,不僅具有傳統(tǒng)機(jī)匣處理的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果明顯的優(yōu)點(diǎn),而且能夠?qū)C(jī)匣結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié),適用于不同工況下的擴(kuò)穩(wěn)需要,從而可以很好的解決前文提到的機(jī)匣處理設(shè)計(jì)通用性問題.現(xiàn)有的機(jī)匣處理設(shè)計(jì)工作,通常依賴于并不完善的模型結(jié)果或是采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),這種依靠經(jīng)驗(yàn)或“試湊”設(shè)計(jì)的機(jī)匣處理,往往很難取得預(yù)期的效果.而采用主被動(dòng)控制方案則可以通過調(diào)節(jié)機(jī)匣處理的結(jié)構(gòu)參數(shù),改變壁面的阻抗邊界條件,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇/壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)目的.圖10是采用前饋控制方式,在低速風(fēng)機(jī)上得到的機(jī)匣處理調(diào)節(jié)規(guī)律,使得壓氣機(jī)工作在不同轉(zhuǎn)速時(shí),預(yù)先將機(jī)匣處理參數(shù)調(diào)節(jié)到相應(yīng)的最佳狀態(tài),以此來實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)整個(gè)穩(wěn)定邊界的拓寬.6壓氣機(jī)當(dāng)前效率測(cè)試壓氣機(jī)的作用就是在低流阻損失情況下對(duì)所流過的氣流加功,因此效率是非常重要的參數(shù)指標(biāo).本文開展了非定常機(jī)匣處理對(duì)壓氣機(jī)效率的影響的實(shí)驗(yàn)評(píng)估工作.圖11給出了非定常處理機(jī)匣對(duì)低速風(fēng)扇效率的影響結(jié)果.可以看到,在不同工作轉(zhuǎn)速下,不論是24槽還是30槽的處理機(jī)匣,在整個(gè)截流過程中,相比固壁機(jī)匣,效率均沒有出現(xiàn)明顯變化.圖11(c)所示30槽的處理機(jī)匣效率略低于固壁情況,圖11(d)所示的24槽L60處理機(jī)匣效率要稍高于固壁機(jī)匣,但基本上都處在固壁機(jī)匣效率的誤差帶(約1%)以內(nèi).在流量低于固壁失速點(diǎn)流量時(shí),效率會(huì)繼續(xù)降低,這是由壓氣機(jī)本身的固有特性決定的.在中科院工物所低速壓氣機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)條件限制,未能進(jìn)行效率測(cè)試,但從特性線上可以看出,在有處理機(jī)匣的情況下壓升與固壁情況相比并沒有明顯的下降,說明壓氣機(jī)的效率同樣沒有明顯的變化.7非定常機(jī)表面設(shè)計(jì)與設(shè)備非定常處理機(jī)匣在明顯改善風(fēng)扇/壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度的同時(shí),沒有造成較大的效率損失,主要原因是由于機(jī)匣本身的穿孔率較低,在葉尖區(qū)域形成的回流量較小,對(duì)壓氣機(jī)主流流場(chǎng)影響不大.帶氣室的機(jī)匣處理在工作時(shí),葉尖氣流會(huì)從斜槽后緣流進(jìn)氣室,再從斜槽前緣流出(如圖12),這種流進(jìn)、流出產(chǎn)生脫落渦街或渦環(huán),可以有效的吸收壓力擾動(dòng)波,抑制失速先兆波的進(jìn)一步發(fā)展,這就是非定常機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)的機(jī)制所在(詳細(xì)的討論將在“非定常機(jī)匣處理對(duì)失速先兆波的抑制作用實(shí)驗(yàn)研究”一文中做進(jìn)一步的介紹).圖13給出了不同結(jié)構(gòu)形式機(jī)匣處理的示意圖,其中(a)～(e)為傳統(tǒng)處理機(jī)匣,(f)為非定常處理機(jī)匣.由于傳統(tǒng)處理機(jī)匣的穿孔率一般較高(甚至超過60%),氣流回流量相對(duì)較大,會(huì)在葉尖區(qū)域造成比較大的流動(dòng)損失,這必然帶來效率的損失.而非定常機(jī)匣處理穿孔率(<8%)很低,流入流出的氣流相對(duì)主流是極其微小的,所以對(duì)效率的影響不至太大.正如本文引言一開始就討論的那樣,傳統(tǒng)機(jī)匣處理是試圖通過較高的壁面開孔率來改進(jìn)葉間區(qū)流動(dòng)阻塞作用,強(qiáng)調(diào)的是對(duì)局部流動(dòng)的控制.而非定常機(jī)匣處理強(qiáng)調(diào)的是對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)系統(tǒng)失速先兆的抑制,出發(fā)點(diǎn)完全不同.所以,穿孔率低、效率沒有明顯損失是非定常機(jī)匣處理與傳統(tǒng)機(jī)匣處理最為明顯的優(yōu)點(diǎn)之一,它可以較好地處理了風(fēng)扇/壓氣機(jī)提高穩(wěn)定裕度和保持高效率之間的關(guān)系,加之結(jié)構(gòu)緊湊,可以進(jìn)行主被動(dòng)調(diào)節(jié),能夠適合不同工作狀態(tài)的擴(kuò)穩(wěn)需求,使得非定常機(jī)匣處理技術(shù)很可能在工程實(shí)際中擁有良好的應(yīng)用前景.8非定常機(jī)