軸流風扇壓氣機旋轉失速穩(wěn)定性的實驗研究

軸流風扇壓氣機旋轉失速穩(wěn)定性的實驗研究

風扇壓氣機是吸痰系統(tǒng)的重要部件之一。除了高效和高負荷要求外，充分的失速裕度是一個重要指標。氣箱處理是一種常見的擴穩(wěn)方法，可以改善壓氣機的失速裕度。然而，它的影響不僅是急性流動的失速裕度，而且是壓氣機的壓升性能和效率。應用的關鍵是如何處理裕度和效率之間的關系。一些人認為，處理氣箱處理技術總是以效率損失為代價。一些案例是kangmchnie的“receive”實驗和chuli的“交叉斜縫”試驗，而對于特定的壓氣機，它們無法總結出普遍的設計標準。這些工作基礎仍然是“試圖”的方法，很難應用于其他地方，這需要重新識別氣盒處理的功能機制。那么,帶有氣室的機匣處理究竟是改變了導致失速的葉片通道中的阻塞特征呢?還是對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)展將會導致阻塞甚至失速,但如果認為機匣處理是抑制了失速的先兆波進而實現(xiàn)了擴穩(wěn),則應用非定常方法來研究它對擾動波抑制的機理;如果從傳統(tǒng)的觀點來看,則應從定常的角度分析機匣氣室回流所導致的動量、質量交換來解釋擴穩(wěn)的機理,力求設計好氣室內回流通道使機匣達到最大的擴穩(wěn)效果,并減小機匣內部的流動損失使壓氣機保持較高的效率.Kang等人設計了各種機匣氣室中的回流通道,結果是在腔深一定的情況下,氣室內無論采用何種通道,其效率是一樣的.這說明氣室內的流動相對于主流是一個小量,對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?景曉東等設計了一個機理性實驗,研究了帶有氣室的多孔板或多縫板在有氣體流入流出時所發(fā)生的非定常現(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn),盡管流進、流出氣體流動的方向完全不同,但只要絕對速度相等,所導致的非定常邊界或阻抗邊界是相同的.而流進、流出的結果是在多孔板或多縫板出口產生渦環(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,波能或聲能轉化為渦能.以波渦相互作用理論為基礎,發(fā)展了相應的計算模型和方法,理論和實驗結果非常一致.這些結果給人最直接的啟示是:帶有氣室的先進機匣處理實際上是提供了一種非定?！败洝边吔?入射到機匣壁面的失速先兆波的能量轉換成非定常渦能,進而抑制了它的非線性放大所導致的失穩(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常控制機制下,都能得到有效的抑制.孫曉峰在其三維可壓縮旋轉失速穩(wěn)定性模型中提出一種方案,機匣處理的影響通過反映邊界特性的壁面阻抗值進入模型,從而可以定性研究機匣處理的影響.于巍巍繼而發(fā)展了包含機匣處理影響的三維跨音風扇/壓氣機穩(wěn)定性模型,該模型以等價分布源方法為基礎,結合穩(wěn)定性方程,能夠考慮帶氣室的處理機匣各種結構參數(shù)對穩(wěn)定性的影響,可用于帶激波的多排葉柵的風扇/壓氣機失速起始點的預測.若從這一角度研究問題,將對這種非定常機匣處理擴穩(wěn)機理產生新的認識,從而產生更有效的設計方法.基于此,設計了一種非定常處理機匣,通過改變斜槽的參數(shù)調節(jié)壁面阻值,通過改變氣室容積調節(jié)壁面抗值,通過合理的結構設計,可以在不同工作狀態(tài)下,調節(jié)處理機匣的幾何參數(shù),實現(xiàn)可變參數(shù)的被動控制——即主被動控制.這就從非定常的角度,通過主動調節(jié)壁面阻抗邊界條件,實現(xiàn)了壓氣機旋轉失速擴穩(wěn)目的.本文將對這種非定常機匣處理開展詳細的實驗研究,研究的目的是要解決以下三個問題:非定常機匣處理對風扇/壓氣機擴穩(wěn)是否有效?機匣參數(shù)的可調節(jié)性,即主被動控制的效果怎樣?對風扇/壓氣機的效率有何影響?1實驗平臺介紹非定常機匣處理實驗平臺有三個:低速風機實驗臺、中科院工物所低速壓氣機實驗臺和低速風扇實驗臺(圖1).主要性能參數(shù)見表1.2機表面加工處理機匣結構示意圖如圖2所示:1.處理機匣內環(huán),改變斜槽調節(jié)阻值;2.處理機匣外環(huán),形成封閉腔體;3.處理機匣支架,內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,固定在轉子上,隨轉子一起轉動;5.氣室,通過改變其容積大小調節(jié)抗值;6.壓氣機轉子;7.壓氣機靜子.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為進口軸向速度;Um為葉中切向速度.(2)設計點流量裕度計算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為設計點流量,qms為失速點流量.(3)實驗結果及分析η=qv(p*2-p*1)1000Νk(6)Νk=Ν電?η電?η機(7)其中電機效率η電=0.89,機械效率η機=1.0.實驗以變頻器輸出電功率為電機輸入功率η電,并且未考慮由于負載變化所引起的電機實際運行效率的影響.4固壁重復性實驗.作為評估標準,對固壁機匣的失速特性進行了詳細的實驗測定,圖3給出了低速風扇實驗臺3次不同大氣壓力和溫度情況下的固壁重復性實驗結果.可以看出,數(shù)據(jù)的重復性較好,實驗數(shù)據(jù)是準確可信的.多次實驗的平均值作為處理機匣比較的固壁結果,最終可以確定流量誤差在0.5%以內,效率誤差在1%以內.5非定常機盒處理試驗結果5.1抗沖壓氣機特性本文對非定常處理機匣在3臺低速風扇/壓氣機上進行了實驗,圖4～圖6分別給出了相應的實驗結果.從圖中可以看到,非定常處理機匣在3臺低速風扇/壓氣機試驗裝置上均取得了較好的擴穩(wěn)效果.表2、表3分別給出了非定常處理機匣在低速風扇試驗臺不同工作轉速情況下,改變開槽個數(shù)和腔深條件下的實驗數(shù)據(jù)結果.表4給出了相應的不同阻抗條件下的對比結果.從數(shù)據(jù)結果來看,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%),明顯擴大了風扇/壓氣機的穩(wěn)定工作范圍.其中,在低速風扇實驗臺上,24槽和30槽兩種機匣處理情況下,對流量裕度均有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,不帶氣室的處理機匣也有一定的裕度改善,但略遜于有氣室的擴穩(wěn)效果.這是因為機匣壁面厚度(約15mm)較大,壁面阻值對阻抗的影響占主導地位,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匣處理的腔深可調節(jié)性部分中進行討論.圖7給出了24槽L60機匣處理(見表2說明)對低速風扇在不同工作轉速下的失速特性改善的結果,可以看到,機匣處理使得壓氣機在所有工作轉速范圍內的失速邊界明顯左移,從而較好的實現(xiàn)了風扇/壓氣機的全面擴穩(wěn).同時可以看到,不同結構參數(shù)的處理機匣,對不同狀態(tài)的壓氣機特性改善情況是不盡相同的,這就是機匣處理的調節(jié)性問題,也是進行主被動控制的目的所在.5.2腔深對機表面積的影響對非定常機匣處理開展參數(shù)調節(jié)特性實驗.首先研究斜槽數(shù)目的改變對穩(wěn)定裕度的影響,結果發(fā)現(xiàn),在一定范圍內(約4%～8%左右),穩(wěn)定裕度會隨著穿孔率的增加而提高,但繼續(xù)增加穿孔率,裕度提高的幅度會明顯變小.對比表2、表3中低速風扇試驗臺24槽和30槽(穿孔率分別為6%和7.5%)的結果,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實驗臺上的結果也同樣可以看到,斜槽的個數(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數(shù)增加而顯著增加.這說明,穩(wěn)定裕度會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有可能會高于收到的擴穩(wěn)效果.接下來研究氣室容積的改變對裕度的影響,圖8給出了低速風機的失速裕度隨機匣氣室深度的變化特性,可以看到,腔深的變化對流量裕度和綜合裕度都會產生明顯的影響(圖8(a)),而且實驗具有比較好的重復性(圖8(b)).在低速風扇實驗臺上在5mm到120mm徑向腔深范圍內進行抗性實驗,詳細的實驗結果見表2、表3.圖9中給出了100%和85%轉速下的腔深特性曲線,可以看到,腔深的變化會對處理機匣的擴穩(wěn)效果帶來較大的影響.另外,處理機匣并不是容積越大效果越好,需要和穿孔率等結構參數(shù)匹配.值得一提的是,在腔深只有5mm(容積0.2L)情況下,非定常機匣處理依然有4%左右的流量裕度改善,這意味著機匣的結構可以相當緊湊,這對于工程實際應用有很大好處,不至過于受到結構尺寸的限制.機匣處理結構參數(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的壁面阻抗主動控制研究工作,為帶氣室機匣處理的非定常阻抗邊界調節(jié)提供了理論和實驗基礎.阻抗邊界的改變,直接影響旋轉失速的演化過程,并最終改變了風扇/壓氣機的穩(wěn)定工作范圍.壁面阻抗的非定常調節(jié)特性,在理論方面,和于巍巍的旋轉失速穩(wěn)定性模型中關于處理機匣的結構參數(shù)的理論結果得到了相互印證;在實際應用方面,為風扇/壓氣機氣動穩(wěn)定性問題提供了另外一種解決途徑——非定常機匣處理主被動控制方案.風扇/壓氣機旋轉失速主被動控制方案是把主動控制和傳統(tǒng)處理機匣結合起來,不僅具有傳統(tǒng)機匣處理的結構簡單、效果明顯的優(yōu)點,而且能夠對機匣結構進行主動調節(jié),適用于不同工況下的擴穩(wěn)需要,從而可以很好的解決前文提到的機匣處理設計通用性問題.現(xiàn)有的機匣處理設計工作,通常依賴于并不完善的模型結果或是采用經驗設計,這種依靠經驗或“試湊”設計的機匣處理,往往很難取得預期的效果.而采用主被動控制方案則可以通過調節(jié)機匣處理的結構參數(shù),改變壁面的阻抗邊界條件,進而可以實現(xiàn)不同轉速下的風扇/壓氣機擴穩(wěn)目的.圖10是采用前饋控制方式,在低速風機上得到的機匣處理調節(jié)規(guī)律,使得壓氣機工作在不同轉速時,預先將機匣處理參數(shù)調節(jié)到相應的最佳狀態(tài),以此來實現(xiàn)壓氣機整個穩(wěn)定邊界的拓寬.6壓氣機當前效率測試壓氣機的作用就是在低流阻損失情況下對所流過的氣流加功,因此效率是非常重要的參數(shù)指標.本文開展了非定常機匣處理對壓氣機效率的影響的實驗評估工作.圖11給出了非定常處理機匣對低速風扇效率的影響結果.可以看到,在不同工作轉速下,不論是24槽還是30槽的處理機匣,在整個截流過程中,相比固壁機匣,效率均沒有出現(xiàn)明顯變化.圖11(c)所示30槽的處理機匣效率略低于固壁情況,圖11(d)所示的24槽L60處理機匣效率要稍高于固壁機匣,但基本上都處在固壁機匣效率的誤差帶(約1%)以內.在流量低于固壁失速點流量時,效率會繼續(xù)降低,這是由壓氣機本身的固有特性決定的.在中科院工物所低速壓氣機上進行的實驗受實驗條件限制,未能進行效率測試,但從特性線上可以看出,在有處理機匣的情況下壓升與固壁情況相比并沒有明顯的下降,說明壓氣機的效率同樣沒有明顯的變化.7非定常機表面設計與設備非定常處理機匣在明顯改善風扇/壓氣機穩(wěn)定裕度的同時,沒有造成較大的效率損失,主要原因是由于機匣本身的穿孔率較低,在葉尖區(qū)域形成的回流量較小,對壓氣機主流流場影響不大.帶氣室的機匣處理在工作時,葉尖氣流會從斜槽后緣流進氣室,再從斜槽前緣流出(如圖12),這種流進、流出產生脫落渦街或渦環(huán),可以有效的吸收壓力擾動波,抑制失速先兆波的進一步發(fā)展,這就是非定常機匣處理擴穩(wěn)的機制所在(詳細的討論將在“非定常機匣處理對失速先兆波的抑制作用實驗研究”一文中做進一步的介紹).圖13給出了不同結構形式機匣處理的示意圖,其中(a)～(e)為傳統(tǒng)處理機匣,(f)為非定常處理機匣.由于傳統(tǒng)處理機匣的穿孔率一般較高(甚至超過60%),氣流回流量相對較大,會在葉尖區(qū)域造成比較大的流動損失,這必然帶來效率的損失.而非定常機匣處理穿孔率(<8%)很低,流入流出的氣流相對主流是極其微小的,所以對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)機匣處理是試圖通過較高的壁面開孔率來改進葉間區(qū)流動阻塞作用,強調的是對局部流動的控制.而非定常機匣處理強調的是對風扇/壓氣機系統(tǒng)失速先兆的抑制,出發(fā)點完全不同.所以,穿孔率低、效率沒有明顯損失是非定常機匣處理與傳統(tǒng)機匣處理最為明顯的優(yōu)點之一,它可以較好地處理了風扇/壓氣機提高穩(wěn)定裕度和保持高效率之間的關系,加之結構緊湊,可以進行主被動調節(jié),能夠適合不同工作狀態(tài)的擴穩(wěn)需求,使得非定常機匣處理技術很可能在工程實際中擁有良好的應用前景.8非定常機