轴向压缩机失速和喘振期间失速细胞生长和衰变的观察

抽象的

这项研究调查了不稳定的事件，如失速初始，摊位 - 细胞开发和浪涌。失速的特征是总压力上升下降和非轴对称通过流。压缩机档位可以导致浪涌，其特征在于质量流量和压力的准轴对称波动。检查压缩机转子周围的流场的不稳定测量。在停止初始化过程中，在尖端区域附近的转子通道内发现初始扰动。随着延迟电池的发展，叶片提升和压力比在失速电池内降低，并且在摊位细胞之前增加。对于稳定的旋转失速和喘振案件，发现停滞初始化事件，摊位 - 细胞开发和失速恢复事件几乎相同。随着停滞电池的生长，电池的前缘将以比转子框架中的后缘更高的速率旋转。在失速回收期间发生相反。由于完全开发的失速电池，停滞电池的后缘将以近似速度旋转，而前沿在转子框架中的旋转速度降低。

1.介绍

轴向压缩机在给定轴转速下的稳定运行受到压缩机失速的限制。失速的特征是总压力上升下降和非轴对称通过流。低动量流体区域可以在一个或多个转子通道中形成，并围绕环空旋转。这个区域通常被称为隔间。旋转失速可能导致质量流量和压力的准轴对称波动，称为压气机喘振。轴向压缩机在非设计工况下运行时可能会进入稳定的旋转失速和喘振阶段。这通常会导致效率降低和叶片振动增加。本文详细介绍了跨音速轴流压气机的非定常实验测量结果，以描述失速开始、失速单元发展和喘振特性。

摊位成立多年来一直是重大研究的主题。营地和日[1]发现，局部的失速起始可能是由短尺度扰动(尖峰)或长尺度扰动(模态)引起的。目前的工作将集中在从一个压缩机显示尖峰型失速开始的观察。签证官(2]的研究发现，尖峰型失速起始的判据是接近流和反尖端泄漏流形成的界面与转子前缘平面平行。后来，Cameron等人[3.]得到的测量结果支持这一概念，使用的压缩机在本工作中使用。Tan等[4提供了一个全面的回顾目前对失速开始的理解。他们发现，在现代压缩机设计中，最常见的失速开始类型是尖峰型。这是当最初的失速细胞发展在几个转子转的顺序。失速最初通常出现在单个叶片通道中。已有研究结果支持在失速开始前存在预失速尖钉。Weichert和Day发现了最初的扰动[5]的研究发现，初始扰动可能发生在转子通道内，距离前缘约10-25%弦长。Yamada等人[6)还发现，在接近失速时，转子通道内出现非定常流动现象。

在逃逸截头之后，延迟细胞将在周向和径向范围内增加。当围绕环形旋转时，停顿电池将跨越多个转子通道。Cameron等人。［7]发现失速单元的前缘在实验室框架中最初会以较慢的速度旋转。失速单元的后缘最初将以接近转子速度围绕环空旋转。几圈之后，当达到最终尺寸时，前缘的转速将增加，而后缘的转速将减少。天(8]对目前对旋转失速的认识作了全面的回顾。Day发现，在文献中描述的许多压缩机中，较小的失速单元往往在实验室框架中比较大的单元运行得更快。

对压缩系统失速和喘振的系统动力学进行了广泛的研究。格雷策(9，10]建立了一个集总参数模型来预测失速和喘振期间的质量流量和静压波动。Greitzer失速和喘振模型可以用来预测，当压气机达到失速极限时，失速将转变为喘振。在他的工作中，Greitzer发现了一个单一的无量纲参数，被称为参数，是判断是否会出现失速或喘振的良好指标。希克曼和莫里斯[11发现后置于后施压点也可以影响浪涌的开始。

当压缩机与压缩系统相互作用时，旋转失速会引起喘振。天(12]的研究发现，由失速开始事件引起的转子周围的流动崩溃通常是浪涌开始的原因。压缩机喘振由多个部分组成[13］.显影档细胞产生了压缩机环的有效堵塞。突然下降压力比和质量流量遵循[11］.旋转失速可能存在于失速初始化，直到浪涌恢复过程，[14]取决于压缩机。当压缩机短暂地从旋转失速中恢复时，就会发生恢复过程。在短暂失速恢复过程中，压力比恢复到其预失速值。当再次达到失速点时，另一个失速开始事件和喘振循环重复[11］.

从失速开始、旋转失速、喘振和失速恢复的测量中提出了观察结果。本文介绍了所使用的测试设备和仪器。为了更好地理解失速开始和失速发展过程，给出了瞬态过程中的叶冠和转子出口非定常压力轮廓。文中还对失速事件和喘振事件进行了比较，以描述喘振是如何发生的[15］.

2.实验方法

２.１.压缩机测试设备

使用Notre DAME跨音质轴向压缩机（NDTAC）进行实验。NDTAC设施包括横向压缩机上游的蝶阀和压力通风，第二增压室和下游蝶阀。上游和下游压力卷约为1.52米^3.和0.70米^3.,分别。NDTAC设施采用磁性轴承系统，其中转子轴由一系列磁铁悬浮。这使得该设备能够在旋转失速下安全运行很长一段时间，并能在短时间内进行喘振。

实验中使用的压缩机是Nd级04，单级延长型轴向压缩机，平均毂到尖端比约为约0.78。数字1这是04级ND的横截面示意图。表格1显示此阶段的设计参数。该压缩级包括一个环形收缩装置，其中包含一个穿孔板，为该级提供了大约3.5%的湍流强度。该测试项目包括转子和定子配置。

2．2.仪表

为此工作使用稳定和不稳定的仪器。数字1显示测量平面。测量稳态总温度和总压力的标准Kiel探头位于轴向转子弦3.2 (）转子前沿的上游和0.77转子后缘的下游。不稳定的仪器位于转子上游，下游和转子上。

采用恒温热线测量非定常阶段的入口速度，并跟踪失速单元在瞬态过程中的发展。每隔90°放置一个由4根热线组成的周向阵列大约8.9在流道的跨中处转子前缘上游。热线是5μ钨丝探头，并朝向垂直于流动和径向。采用布鲁恩提出的金的法律形式[16，发现一个简单的校准关系电压和流速。为了估算时间分辨和环空平均非定常质量流动，对四根热线的速度进行了平均计算。热线频率响应超过100千赫。

采用高响应压力传感器测量静压箱和转子附近的流场。数字2是转子周围不稳定仪器的位置的示意图。实验中使用的压力传感器是由谨慎的硅压阻压力传感器（XTL-140-25a）制成。这些压力传感器具有约240kHz的固有频率。Kulite压力传感器位于上游和下游增压室中。十个高频压力传感器的圆周阵列，位于约0.18转子前缘上游与叶冠流面平齐安装。这允许跟踪失速单元发展和计算的周向尺寸的失速单元。13个高频压力传感器也直接位于转子(OTR)上，呈弦向排列。与Weichert和Day类似，OTR传感器阵列沿转子叶尖的交错角平齐安装在流动表面[5］.

为此专门设计了一种非定常全压耙。图的顶部3(一个)显示照片，底部显示了总压力耙的示意图。耙子含有七个微型谨慎换电器（XCQ-95-062），该传感器（XCQ-95-062）安装成单独的基尔头，使得换能器直接暴露于迎面而来的流动。有些人设计了不稳定的总压力探针，使得换能器处于探针体中[17］.虽然这种设计可以保护传感器不受灰尘和碎片的影响，但它会限制探头的频率响应。多个传感器沿探头长度放置，并集中在转子尖端区域。如图所示，安装在转子出口横导线面上1和2．在失速和喘振过程中，采用非定常总压耙同时记录多个跨向位置的非定常总压。

由于这是一个非常规的设计，对开发的非定常总压前角进行了偏航灵敏度试验。数字3（b）显示由最大归一化的总压力作为其中一个传感器的函数偏航角。所有传感器都包含几乎相同的偏航灵敏度。非定常总压前角的接受极限约为±20°。在接受范围之外，测量的压力偏置较低，与标准Kiel探头相比，压力逐渐下降，约为0.4% /度。

不稳定的仪器取样速率为200khz。结果发现，在考虑的速度下，传感器的采样率和频率响应足以测量与失速开始和旋转失速事件相关的频率。研究发现，人们感兴趣的最大频率在20千赫以下。Kulite传感器在测量程序之前进行了校准，发现其不确定度小于全量程值的1%。热线测量也在测量前立即进行校准，并发现其不确定度约为测量值的3%。

3.稳定和非稳定压缩机特性

本节介绍了压缩机在100%设计速度下两次失速后的稳态特性和非稳态特性。一、稳态正规化静压上升()为流量系数( )以100%的设计速度进行第04阶段试验4．稳定特性的无失速分支包含一个陡峭的负斜率。失速点大约在 ．当压气机节流超过失速时，质量流量和压力上升突然下降。一条黑色虚线连接最后一个稳定预失速点和最初失速点。稳态压缩机的旋转失速分支特性值低于 使用较低速度下的数据近似，如Hickman和Morris所讨论的[11］.这部分特性严格用于非定常压气机特性的预测，并包含了当质量流量减少时几乎恒定的压力上升。稳定特性包括失速/卸载迟滞部分。一旦开启阀门，特性就偏离原来的路径。当质量流量增加到近似时，压力上升相对保持不变 ．这被发现是该压缩机在100%设计速度下的临界恢复值。当打开节流阀超过这一点时，压缩机从旋转失速中恢复。

在100％设计速度下测量的失速和浪涌盒的测量的不稳定压缩机特性也在图中示出4．沿着测量曲线的标记显示每5转转子。不稳定事件以相同的速度和上游和下游相同的值背靠背记录参数( ， ）.失速和喘振情况的唯一区别是失速后节流点。失速情况的结束节流点(蓝色)对应于初始失速点。压缩机通过关闭阀门达到或不超过最初的失速点而“缓和”进入失速。压缩机失速后，质量流量和压力上升幅度均小于初始失速点。然后质量流量和压力上升或反弹，不超过临界恢复值 ．然后压缩机进入稳定失速。

图中为浪涌情况(红色)4，后失速节流点用红色虚线表示。压缩机通过节流进入更深入的失速超过了最初的失速点。压力上升和质量流量的下降更为显著。压缩机特性的反弹运动使其超过了临界恢复值 压缩机暂时从失速中恢复。然后压缩机返回到最初的失速点。图中未显示4当压缩机再次进入失速点后，另一个喘振周期开始，类似于第一个。进一步分析失速单元的发展以及失速和喘振情况的比较将在接下来的章节中讨论。以下所有数据和结果都是在100%的设计速度下获得的。

4.失速初始和失速单元发展测量

4．1.前缘叶冠静压时间序列

用不稳定的仪器记录失速开始事件2．2．数字5显示了在100%校正后的典型失速初始事件中，高频压力传感器周向阵列的压力轨迹。横坐标是以转子转数为单位绘制的，从−3到10转。纵坐标表示圆周位置和该位置的波动幅度。时间序列以15倍轴速率(15N)，正好低于叶片通过频率，这样就可以跟踪旋转失速单元的发展。发现失速开始在同一圆周位置反复发生。这很可能是由于在进口流道中有一些轻微的不对称。

时间轴的原点对应于波动大于预失速波动的时间。在大约旋转0，一个失速细胞或穗开始形成并围绕环。与Pullan等人的研究类似，在叶片排上游出现静压上升[18，它延伸到多个叶片通道的跨度。开始时，失速单元的后缘以0.71的速率旋转N并且随着失速单元周向尺寸的增加，在实验室框架中减慢。前缘在0.38处旋转N最初是在实验室框架内，并随着细胞的发育而增加转速。这些观察结果与短长度尺度，或“尖峰”型失速初始是一致的。

在转子的框架内，失速单元的前缘最初大约在0.62处旋转N而后缘仅为0.29N．因此，最初的停顿电池在电池的前缘侧上生长。在初始生长阶段期间，相对于离开电池的通道，转子通道以更快的速率速度快速速率。

4．2.预失速叶冠静压

与失速初始测量相比，由进口静压标准化的失速前锁相平均叶冠静压，，如图所示6．这个轮廓对应于失速开始前最后一个稳定工作点的护罩静压。Weichert和Day所讨论的叶尖间隙涡的证据[5通过低压芯可以看出，该低压芯从转子前缘的吸入侧（SS）朝向相邻刀片的压力侧（PS）的中间延伸。路径由图中的黑色箭头表示6．

4．3．摊位《盗梦空间》

在通过圆周阵列的高频压力传感器的最早可检测标志之前，可以在转子通道内看到失速初始的证据。数字7显示护罩静态（顶部）和转子出口总（底部）原始压力时间序列。这些数据使用OTR Chord-Wise阵列和截面中描述的不稳定总压力耙进行测量2．2．图中等高线的中心7在0°圆周位置处近似旋转-0.8。原始数据显示为轮廓标准化，坐在太空中的地方，横坐标时间及时。这给出了护罩静压和转子出口总压力的“瞬时视图”，假设流场相对于叶片通过时间尺度缓慢地发展。刀片位置覆盖以引用护罩轮廓。转子唤醒的近似位置用转子出口轮廓中的垂直虚线表示。本节中的所有瞬时轮廓都在图中所示的不稳定事件期间捕获5，但在这部分中描述的特征在整个压缩机的大多数摊位初始事件中被发现相似。

许多可重复的特征与Weichert和Day相似[5如存在“双尾”现象。这一特征可以从图中叶片10和叶片11之间的叶冠静压轮廓中看出7．这表明叶尖间隙涡受到扰动。右边的两条通道显示低压区。这些区域被圈起来，显示出预售尖峰的迹象。由于低压区，叶片12和叶片13的叶片负荷降低。与图相比，叶片13和14之间的转子通道返回接近预失速值6．

转子出口压力曲线如图7从一个通道到另一个通道显示大程度不稳定。对于该压缩机，较高总压力的垂直条纹通常与叶片唤醒，因为这些测量在绝对框架中。该轮廓没有明显的受干扰迹象，并将表明该值在时间内与Prestall值紧密相似。

4.4。叶片升力和展向转子出口总压力

为了更好地量化瞬时值，对叶片载荷进行了近似，并与预失速值进行了比较。由于转子上没有非定常仪器来计算叶片上的载荷，叶片载荷由OTR弦向阵列的叶冠静压测量值来近似计算。图中叶片左侧的虚线6定义为动叶PS处压力的试样位置。样本位置约为叶片平均弧度线的15%。用类似的方法定义了动叶SS上的压力。每个轴向位置PS和SS之间的差异被假定为转子尖端的叶片载荷。

该方法用于确定稳定的预失速运行和失速后事件中的叶片载荷。数字8显示了预失速条件和两种后失速条件下的平均叶片载荷。图中的曲线是将叶片负荷归一化后绘制的作为轴向位置的函数。图中的蓝色曲线8为失速开始前的平均预失速叶片载荷。在预失速条件下，转子叶片在叶片前缘处的载荷更大，最高载荷约为0.27．

在稳定的预失速运行和后失速运行过程中，桨叶顶端升力近似。通过对叶片载荷曲线沿轴向积分得到叶片升力。对于失速后事件，叶片升力计算为单个叶片通过过旋翼弦向阵列。数字9(一个)图中显示了失速初始事件期间叶片在0°周向位置的升力5．数值由预失速升力的平均值归一化。预失速升力可以由流经转子的流动的不稳定而波动。在失速开始之前，对预失速区域的升力进行了统计。图中的灰色带9(一个)表示与预失速区域平均值的正负一个标准差范围内的值。也计算了展向平均总压力，如图所示9 (b)．数值由预失速转子出口总压力的平均值归一化。通过在周向0°位置用非定常总压耙测得的跨上多个压力的平均求得跨上平均总压。图中的灰色带9 (b)也表示与预失速区域平均值的正负一个标准差范围内的值。

在大约−0.8转时，对应于图中的瞬时轮廓7，在尖端升降机的统计上显着降低。在同一时刻及时，翼展平均总压力比没有与Prestall的偏差显示。压缩机经历总压力显着降低的第一矩在近似旋转1.1，这对应于第一个停滞细胞通过。到这段时间，档节细胞已在周向尺寸上生长，并且在图中明显明显5．这一结果与Weichert和Day的工作非常一致[5失速初始尖峰的第一个迹象发生在转子通道内。

4.5。Stall-Cell发展

随着失速单元的发展，叶片升力和转子总压力波动较大。第一个例子是失速单元通过OTR弦向阵列和非定常总压耙在0.8和1.7转之间。失速单元的后缘大约在0.8转，前缘大约在1.7转。随着时间的推移，当失速单元后缘在0.8转时扩展到0°周向位置时，升力和总压比开始减小。通过公转1，在失速单元内，升力下降到大约50%的预失速值。压力比降至1.3左右。失速单元还没有完全发展，升力和压力比的下降不像未来失速单元通过那样剧烈。在旋转1.7时，在失速单元前缘之前，升力和压力比都略高于预失速值。这表明增加的发生率和转弯前的失速细胞。

分析原始非定常压力时间序列有助于更好地可视化失速单元的生长。数字10显示瞬时叶冠静压和转子出口总压力轮廓在第一个失速单元通过。轮廓图10（a）以0.9转为中心，显示失速单元的后缘。在图中，叶片7左边的通道正在离开失速单元，处于恢复过程中。叶片7左侧通道叶片负荷和压比增大。叶片7右侧通道失速，叶片负荷和压比小。

数字10 (b)显示失速单元的前缘。该等高线以转1.1为中心。叶片12在叶冠静压轮廓上表现出相对较高的跨叶片压差。转子出口轮廓显示了接近预失速值的压力。在叶片12左侧，叶片载荷和转子出口总压逐渐减小。叶片10和叶片12之间的通道进入失速单元前缘，处于失速过程中。叶片10左边的通道失速，在转子上的压力上升很小。

失速室前缘前面的通道如图所示10（c），以公转1.7为中心。如前所述，这些叶片的叶片负荷和压力比高于预失速值。这些通道压力过大，正在接近失速室。

转子转2后，失速单元已充分发展。数字9显示了叶片升力和压力比为三个更多的失速细胞转。在完全发展的失速单元内，叶片升力在转3、5.1和7.3时下降到略低于零。大约旋转3时的叶片负荷如图所示8作为黑色曲线。刀片装载在0.35之间和0.9在这个时刻小于零。这是失速室通过转子通道时局部回流的证据。转子总压比在失速单元内降低到低至1.2(图9 (b)）.

在转4、6.4和8.6时，叶片升力显著高于失速单元。在旋转8.6时，叶片升力比预失速值增加约40%。大约在旋转4.1时叶片负荷如图所示8作为红色曲线。从转子前沿的装载到0.25略低于平均预失速载荷。从0.25在转子的后缘，叶片表现出比预失速时增加的载荷。如图所示，转子出口总压力也在发展失速单元之前显著增加，高达约1.599 (b)．

5.失速和喘振时间序列

当压气机进入稳定旋转失速时，其失速单元的发展与压气机过载时的失速单元的发展极为相似。本节将详细比较图左侧所示的两个不稳定事件4．

摊位和喘振案件都表现出急剧下降 和在失速开始事件。数据11 (c)和11 (d)对比 和在失速和喘振情况之间。在这些图中，蓝色曲线是100%修正速度失速情况，红色曲线是100%修正速度喘振情况。与失速情况相比，喘振情况在静压上升和质量流量方面有更大的降低。减小幅度越大，在采油过程中产生的回荡幅度就足够大，超过了临界采油值 ［11］.的临界恢复值 ，如图黑线所示11 (c)．Stall案例中的波动足够小，使得不稳定特征的轨迹永远不会超过临界恢复值 ．这可以在图中更清楚地看到4．蓝色实验曲线的轨迹接近临界恢复值 三个场合，但不上面。它是在允许这种情况发生的稳态特性中存在相对大的失速/卸载滞后分支。

数据11（a）和11 (b)显示失速和喘振情况下叶冠静压和上游热线的低通过滤时间轨迹。这些数字说明了两个失速开始事件之间的相似之处。从转子转0到14的轨迹是相似的。失速开始发生在大约相同的圆周位置。在这两种情况下，失速细胞在最初几转期间的初始生长和旋转速率几乎相同。在大约公转5时，失速单元的速度为0.44在实验室参考框架中。此时，摊位细胞在其最大尺寸并旋转最慢。这与局部最小值一致 跟踪图11 (c)．随着质量流量的恢复，失速单元开始在周向尺寸减小和速度增加，直到大约转15 在摊位案例最大值。旋转速度15的摊位壳体的速度约为0.52．

图中的护罩静态压力痕迹11（a）对于浪涌壳体，第二峰值在转子旋转3和4之间的旋转单元的旋转中的大约一半的峰值。该第二峰在图中最明显11（a）在0°周向位置和转子转速4。这种额外的扰动可能是由于在喘振情况下质量流量略低。质量流量的减少可能增加了入射角，可能允许第二个尖峰在主失速室的前缘短暂形成。

在喘振情况下，临界恢复值为 超过了大约13.5转。在喘振情况下，压缩机的失速恢复过程就是在这一点上开始的。这时，喘振情况下的叶冠静压轨迹和上游热线轨迹开始偏离失速情况。随着压缩机从旋转失速中恢复，增压压力上升恢复，直到压缩机在喘振情况下再次进入失速点。在浪涌情况的第24转时，第二次失速开始事件发生，另一个浪涌周期开始。数据11（a）和11 (b)显示失速和喘振情况的失速初始事件有多相似。这些结果表明，仅仅是失速后节流点和系统动力学决定了是否会从旋转失速增长喘振。关于旋转失速情况的进一步分析参见Hickman and Morris [19］.

6.临时浪涌和失速恢复

在喘振循环结束时的临时失速恢复期间，停止电池的前缘和后缘将以不同的速度行进。数字12(一个)显示从转子转10到18的喘振情况的周向阵列的护罩静压轨迹。标记失速室前缘和后缘的速度。当压缩机开始恢复时，失速单元的后缘以与单元完全发育时相同的速度旋转。失速单元的前缘在实验室框架中以更快的速度旋转，因为单元正在缩小。在转子架中，失速单元前缘旋转较慢，直至前缘与后缘相遇，失速单元消失。这非常类似于压缩机从稳定的旋转失速中恢复。

数据是在稳定旋转失速恢复过程中获得的。数字13显示了旋转失速和失速恢复事件的非定常特性。沿着实心蓝色曲线的标记代表每2个转子转。零位置被选为失速单元消亡的近似点。失速事件的非定常特性如图中蓝色虚线所示，以供参考13．在这种情况下，压缩机通过关闭阀门进入稳定的旋转失速。然后打开阀门，压缩机从旋转失速中恢复。实蓝色线是失速恢复过程中的非定常特性。该特性从初始失速点开始，在转子转数为−2时，非定常特性超过临界恢复值 ，并且失速恢复过程开始。不稳定的特征瞬时连接到稳态压缩机特性的未置换分支。

在图12 (b)失速恢复事件的前缘轨迹是否如图所示13．时间轴对应于图中标记的标记13．停止恢复期间停滞电池的后缘和前缘的速度类似于浪涌周期结束时的临时失速恢复。后缘以大致相同的速度作为显影的档节旋转，而失速电池在前缘处衰减。数字12这说明，停滞复苏和暂时激增复苏是类似的事件。

7.结论

从失速开始，失速室发展，旋转失速和喘振的非定常测量的观察被提出。失速初始尖峰的第一个迹象是在转子通道内发现的。在失速开始后，随着失速单元的增长，在转子框架中，失速单元的前缘将以比后缘更高的速度旋转，这表明失速单元最初是在前缘增加尺寸的。

在失速单元内，叶尖载荷和转子出口总压比显著降低。在失速单元内，叶片升力可能下降到负值，这表明有回流。在失速单元前缘之前，叶片升力和转子出口总压比超过了预失速值。这是一个更高的发生率和转向前的失速细胞的迹象。

该压缩机用单全跨度失速单元调查失速。在电涌期间也会出现单失速电池。旋转失速和喘振情况下失速单元的发展有惊人的相似之处。在失速和喘振情况下，失速单元的起始位置、初始速度和初始增长率几乎没有区别。当临界恢复值为时，非定常事件变为浪涌事件 是超越。

喘振周期结束时的临时失速恢复和旋转失速恢复是类似的事件。失速单元的后缘将以完全发展的失速单元的近似速度旋转，而前缘在转子框中的转速下降。在从压缩机失速中恢复时，失速单元在前缘衰变。

压缩机浪涌长期以来是一种轴对称现象。该研究表明，虽然在浪涌事件期间存在质量流量和压力的全局波动，但也可能发生与在旋转失速期间看到的局部不对称不对劲。完全理解这些不稳定性可能导致新方法延迟或减轻其效果。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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