壓氣機失速與喘振裕度控制技術研究

常 軒，姚松勤，常 鑫

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000；2.杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

引言

旋轉失速和喘振的發生制約著壓氣機的工作裕度。旋轉失速發生時，壓縮機流量波動不大，但會造成壓縮機失去加功能力，嚴重影響發動機等工作。喘振發生時，壓縮機流量出現脈動振蕩，造成劇烈的機械振動，甚至會導致發動機嚴重損壞。無論是旋轉失速還是喘振都是壓縮機在工作過程中應避免的，而關于導致旋轉失速和喘振發生的失穩先兆的研究，一直是國內外學者研究的焦點，也曾被認為是未來一段時間內壓氣機研究的重要方向之一[1-2]。

1 壓氣機旋轉失速機理分析

由于某種因素引起壓氣機空氣流量減少時，會使得葉片排的進氣沖角增大，當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，促使某幾個葉片比其余葉片首先產生繞流分離。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域。這個受阻滯的氣流區使周圍流動發生偏轉，進而使一邊相鄰葉片進口氣流沖角增大，直至造成分離。而另一邊相鄰葉片進口氣流沖角減少，從而形成分離區沿葉片排周向傳播。旋轉失速現象可分為兩大類：漸進型和突變型。

1.1 漸進型旋轉失速的主要特點

增壓比隨流量減小逐漸下降，等轉速線上沒有間斷點。分離區數目隨空氣流量減少而逐漸下降，且分離區向葉高方向的范圍逐步擴展。分離區的移動速度不隨分離區數目的增加而變化。

1.2 突變型旋轉失速的主要特點

當氣流在整個葉高上發生分離時，形成的是突變型旋轉失速。突變型旋轉失速的特點是：分離區數目一般不會太多，只有一個或兩個。失速時增壓系數急劇下降，在等轉速線上有間斷點。特性線明顯分為左下和右上，并出現遲滯現象。

2 壓氣機失速與喘振裕度控制技術分解

壓縮機產生失速與喘振的主要原因分為兩大類，一是由于機械結構造成的，二是葉輪周期性旋轉中流場原因造成的，如：邊界層流場。與之相對應，壓縮機失速與喘振裕度控制技術分為結構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、采用局部感應轉子和定子交界面流體回流方式以及采用相關的等離子發生器來對壓縮機失速與喘振裕度控制。依據實現各個功能的方式不同，對上述功能分類進行細分，如圖1 所示。

本文主要通過影響邊界層，控制邊界層，從而達到控制或改善壓縮機入口流場，改善壓縮機失速與喘振裕度。一是通過流體吸附技術分支：通過抽、吸的手段改善入口氣流。二是通過流體引射技術分支：通過將氣流引射進壓縮機入口的手段改善入口氣流。三是采用局部感應轉子和定子交界面流體回流方式技術分支：通過采用開設回流槽的方式。四是采用相關的等離子發生器技術分支：通過在壓縮機機匣固定位置施加適當強度和頻率的等離子體激勵。

3 壓氣機失速與喘振裕度控制技術改進方案一

失速與喘振裕度控制技術改進方案，主要包括三個抽吸環。抽吸環為一環狀殼體，其上下兩個端面形成軸向定位面，其內壁面為內殼曲面，外壁面為外殼曲面。抽吸環上周向均布有兩排抽吸孔，抽吸孔為連通內殼曲面與外殼曲面的圓形通孔，每排抽吸孔的數量為28 個。各抽吸環均通過定位臺階鑲嵌在輪緣機匣上，壓氣機輪緣機匣結構的輪緣機匣內壁有定位臺階，抽吸環兩端面的軸向定位面與兩個相應的定位臺階止靠并密封配合，使得抽吸環鑲嵌在輪緣機匣上。輪緣機匣上周向均布有兩排貫通壁面的主抽吸孔，每排主抽吸孔的數量為28 個。各抽吸環外壁面、兩個軸向定位面和輪緣機匣內壁面之間形成一空腔，即抽吸腔。葉輪機械通道內的低能流體通過抽吸環上的抽吸孔進入各抽吸腔內，再由輪緣機匣上的主抽吸孔進入外界抽吸設備中，形成整個完整密封的抽吸路線。

失速與喘振裕度控制技術改進優點：輪緣機匣附面層抽吸擴穩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展，減小了其與主流區域的摻混，降低了該處氣流的橫向二次流動，提高了壓氣機的工作效率，改善了端壁區域的流動阻塞狀況，增加了壓氣機的流通能力，擴大壓氣機的穩定工作裕度。

4 壓氣機失速與喘振裕度控制技術改進方案二

失速與喘振裕度控制技術改進方案：開槽位置為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環處理機匣，含有壓氣機渦殼，在壓氣機渦殼壁面上設有抽吸環槽、導流環槽和回流環槽，抽吸環槽、導流環槽和回流環槽形成自循環通道，抽吸環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為抽吸環槽位置的平均值，根據離心壓氣機的葉輪直徑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 為機匣周向角度，為公式的自變量，定義域為：θ0≤α≤θ0+360°。

壓氣機渦殼由外殼和內嵌套組成，抽吸環槽設置在內嵌套的壁面上，外殼的內壁面和內嵌套的外壁面形成導流環槽和回流環槽。固定外殼，并旋轉內嵌套，使二者裝配相對位置發生改變，可以得到不同初始角度θ0的抽吸環槽位置的正弦分布。外殼和內嵌套通過螺釘連接組成，在外殼上周向上均布n 個螺釘孔，即可得到對應于n 個不同初始角度θ0的分布曲線，通過壓氣機性能試驗確定最優的初始角度θ0。

失速與喘振裕度控制技術改進優點：開槽位置為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環處理機匣，相比于開槽位置在圓周方向上一致的軸對稱自循環處理機匣，可以較大地提高離心式壓氣機的穩定工作范圍，同時維持效率基本不變。