基于新型机匣处理的风扇/压气机流动稳定性混合控制方法研究

admin · 发表于 2024-3-9 09:25:00

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失速/喘振控制是未来智能发动机控制的关键技术之一，以旋转失速为代表的流动稳定性题目严重制约着现代航空发动机的发展，使得作为核心部件的高负荷、高级压比先进风扇/压气机更难达到失速裕度要求。因此，寻求新的风扇/压气机扩稳技术途径一直是研究人员为之努力的目标。与目前国内外对风扇/压气机流动稳定性研究采取的传统扩稳方法及失速主动控制等技术途径显著不同，本文提出了一种基于壁面非定常边界条件改变的风扇/压气机流动稳定性混合控制方法，通过理论分析、数值模拟和实验研究展示了该方法的有效性，主要完成的工作包括：其一，提出一种旨在扩大风扇/压气机失速裕度的新型机匣处理的设计方法，这种机匣处理与传统的机匣处理完全不同，它是通过壁面非定常边界条件的改变，即通过波涡相互作用来影响风扇/压气机失速先兆的起始、演化，进而扩大其稳定工作的范围，而不是着眼于改变叶片尖部的具体流动结构。所发展的理论方法展示了各种气动、几何参数变化对稳定性影响的敏感性，为新型机匣处理设计奠定了理论基础。其二，依据参数敏感性研究的预测结果设计了一种带有低穿孔率(4~10%)的穿孔板和环形背腔的新型机匣处理，在三台低速风扇/压气机和一台高速跨音压气机实验台上开展扩稳实验。实验结果显示：新型机匣处理不仅能够实现对亚音及跨音风扇/压气机稳定裕度有8%~18%的显著改善，而且不会对压气机压比特性及效率产生明显改变。这与理论研究结果符合得很好，有效地验证了新型机匣处理扩稳理论的预测和设计能力。其三，为揭示和验证新型机匣处理的扩稳机制，从非定常角度出发，开展新型机匣处理扩稳机理的实验观察，考察新型机匣处理对失速先兆波产生及发展的影响。实验证明，新型机匣处理改变了压气机系统的阻抗边界条件，有效的耗散了低频扰动波的能量，不仅能将扰动能量控制在较低水平，而且使系统能够承受较光壁情况更高水平的扰动而不失稳，这充分说明新型机匣处理通过改变壁面边界而影响了系统的演化行为。其四，新型机匣处理扩稳参数可调控性研究表明，在亚音及跨音情况下，裕度改善可分别达到8%~12%和8%~16%的变化幅度。此外，实验证实，波涡相互作用的确是新型机匣处理扩稳的物理机制，从这一机制出发可以寻找改变边界条件最敏感的参数，进而为裕度可调控或混合控制提供依据和设计准则。其五，基于新型机匣处理扩稳参数的敏感性理论分析和可调控性实验研究，实验演示了一种兼具传统机匣处理和失速主动控制优点的基于新型机匣处理的风扇/压气机流动稳定性混合控制技术。通过机电装置对机匣背腔容积和斜槽开度、通气偏流等机匣参数的调节控制，实现了风扇/压气机的稳定工作范围可控。在本文的实验演示中，可以实现低速风扇在六个工作转速下流量裕度改善在1.5%~7.5% 之间任意可调，从而能够满足风扇/压气机不同工作状态下的裕度需求。实验演示结果亦表明，基于新型机匣处理的风扇/压气机流动稳定性混合控制方法有可能为未来智能航空发动机的失速/喘振控制提供一种新的解决途径。

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