压气机失速与喘振裕度控制技术研究

常 轩，姚松勤，常 鑫

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000；2.杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州 310018）

引言

旋转失速和喘振的发生制约着压气机的工作裕度。旋转失速发生时，压缩机流量波动不大，但会造成压缩机失去加功能力，严重影响发动机等工作。喘振发生时，压缩机流量出现脉动振荡，造成剧烈的机械振动，甚至会导致发动机严重损坏。无论是旋转失速还是喘振都是压缩机在工作过程中应避免的，而关于导致旋转失速和喘振发生的失稳先兆的研究，一直是国内外学者研究的焦点，也曾被认为是未来一段时间内压气机研究的重要方向之一[1-2]。

1 压气机旋转失速机理分析

由于某种因素引起压气机空气流量减少时，会使得叶片排的进气冲角增大，当冲角增大到一程度后，由于来流中的扰动或叶片排的加工、装配误差，促使某几个叶片比其余叶片首先产生绕流分离。气流分离后，流动损失增大，静压升下降，不能再保持已分离叶片周围正常的气体流动，从而形成明显的气流堵塞或流量减少区域。这个受阻滞的气流区使周围流动发生偏转，进而使一边相邻叶片进口气流冲角增大，直至造成分离。而另一边相邻叶片进口气流冲角减少，从而形成分离区沿叶片排周向传播。旋转失速现象可分为两大类：渐进型和突变型。

1.1 渐进型旋转失速的主要特点

增压比随流量减小逐渐下降，等转速线上没有间断点。分离区数目随空气流量减少而逐渐下降，且分离区向叶高方向的范围逐步扩展。分离区的移动速度不随分离区数目的增加而变化。

1.2 突变型旋转失速的主要特点

当气流在整个叶高上发生分离时，形成的是突变型旋转失速。突变型旋转失速的特点是：分离区数目一般不会太多，只有一个或两个。失速时增压系数急剧下降，在等转速线上有间断点。特性线明显分为左下和右上，并出现迟滞现象。

2 压气机失速与喘振裕度控制技术分解

压缩机产生失速与喘振的主要原因分为两大类，一是由于机械结构造成的，二是叶轮周期性旋转中流场原因造成的，如：边界层流场。与之相对应，压缩机失速与喘振裕度控制技术分为结构控制和通过流场控制。对于流场控制又分为通过流体吸附、通过流体引射、采用局部感应转子和定子交界面流体回流方式以及采用相关的等离子发生器来对压缩机失速与喘振裕度控制。依据实现各个功能的方式不同，对上述功能分类进行细分，如图1 所示。

本文主要通过影响边界层，控制边界层，从而达到控制或改善压缩机入口流场，改善压缩机失速与喘振裕度。一是通过流体吸附技术分支：通过抽、吸的手段改善入口气流。二是通过流体引射技术分支：通过将气流引射进压缩机入口的手段改善入口气流。三是采用局部感应转子和定子交界面流体回流方式技术分支：通过采用开设回流槽的方式。四是采用相关的等离子发生器技术分支：通过在压缩机机匣固定位置施加适当强度和频率的等离子体激励。

3 压气机失速与喘振裕度控制技术改进方案一

失速与喘振裕度控制技术改进方案，主要包括三个抽吸环。抽吸环为一环状壳体，其上下两个端面形成轴向定位面，其内壁面为内壳曲面，外壁面为外壳曲面。抽吸环上周向均布有两排抽吸孔，抽吸孔为连通内壳曲面与外壳曲面的圆形通孔，每排抽吸孔的数量为28 个。各抽吸环均通过定位台阶镶嵌在轮缘机匣上，压气机轮缘机匣结构的轮缘机匣内壁有定位台阶，抽吸环两端面的轴向定位面与两个相应的定位台阶止靠并密封配合，使得抽吸环镶嵌在轮缘机匣上。轮缘机匣上周向均布有两排贯通壁面的主抽吸孔，每排主抽吸孔的数量为28 个。各抽吸环外壁面、两个轴向定位面和轮缘机匣内壁面之间形成一空腔，即抽吸腔。叶轮机械通道内的低能流体通过抽吸环上的抽吸孔进入各抽吸腔内，再由轮缘机匣上的主抽吸孔进入外界抽吸设备中，形成整个完整密封的抽吸路线。

失速与喘振裕度控制技术改进优点：轮缘机匣附面层抽吸扩稳装置吸除了近端壁处的低能流体，抑制了高熵流体沿径向的发展，减小了其与主流区域的掺混，降低了该处气流的横向二次流动，提高了压气机的工作效率，改善了端壁区域的流动阻塞状况，增加了压气机的流通能力，扩大压气机的稳定工作裕度。

4 压气机失速与喘振裕度控制技术改进方案二

失速与喘振裕度控制技术改进方案：开槽位置为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣，含有压气机涡壳，在压气机涡壳壁面上设有抽吸环槽、导流环槽和回流环槽，抽吸环槽、导流环槽和回流环槽形成自循环通道，抽吸环槽的前端面距主流叶片的前缘的距离Sr在圆周方向上为正弦分布[3]，即：

式中：A0为抽吸环槽位置的平均值，根据离心压气机的叶轮直径D 确定A0的取值范围为0.05≤＜0.2；A 为分布的幅度，0.1＜＜0.35；θ0为初始角度，取值范围为0°≤θ0≤360°；α 为机匣周向角度，为公式的自变量，定义域为：θ0≤α≤θ0+360°。

压气机涡壳由外壳和内嵌套组成，抽吸环槽设置在内嵌套的壁面上，外壳的内壁面和内嵌套的外壁面形成导流环槽和回流环槽。固定外壳，并旋转内嵌套，使二者装配相对位置发生改变，可以得到不同初始角度θ0的抽吸环槽位置的正弦分布。外壳和内嵌套通过螺钉连接组成，在外壳上周向上均布n 个螺钉孔，即可得到对应于n 个不同初始角度θ0的分布曲线，通过压气机性能试验确定最优的初始角度θ0。

失速与喘振裕度控制技术改进优点：开槽位置为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣，相比于开槽位置在圆周方向上一致的轴对称自循环处理机匣，可以较大地提高离心式压气机的稳定工作范围，同时维持效率基本不变。