軸流壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理與擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)研究

■ 南希 馬寧 蘭發(fā)祥 / 中國(guó)航發(fā)研究院

軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度是其設(shè)計(jì)中必須保證的指標(biāo)。對(duì)流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行回顧和總結(jié)有助于更好地理解和設(shè)計(jì)擴(kuò)穩(wěn)措施，對(duì)形成具有良好穩(wěn)定性及抗畸變性能的壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)起到重要作用。

在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作中，各類流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象存在于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的流場(chǎng)。這些不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，不僅會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比、效率、失速裕度等工作性能及穩(wěn)定性，更與導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)研制和使用過程中出現(xiàn)的各種問題和故障息息相關(guān)。風(fēng)扇/壓氣機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)失穩(wěn)問題，是自航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)誕生以來就一直存在的難題與挑戰(zhàn)，兼具學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值與工程應(yīng)用意義。

從典型多級(jí)壓氣機(jī)工作特性（見圖1）可以看到，當(dāng)壓氣機(jī)在某穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，隨著流量不斷減小，總壓比呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，壓氣機(jī)效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)流量減小到一定程度后，壓氣機(jī)內(nèi)部發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象并進(jìn)而發(fā)展為旋轉(zhuǎn)失速和喘振。不同轉(zhuǎn)速下的失速點(diǎn)相連而成的曲線稱為壓氣機(jī)的失速邊界(stall/surge line)。失速將導(dǎo)致：壓氣機(jī)性能極速下降，難以維持正常的熱力循環(huán)過程；整機(jī)振動(dòng)嚴(yán)重惡化，極易導(dǎo)致壓氣機(jī)或渦輪葉片斷裂；燃燒室內(nèi)的高溫氣體回火，會(huì)燒壞壓氣機(jī)末級(jí)靜子葉片；失速的滯后又會(huì)嚴(yán)重影響其解除過程，甚至出現(xiàn)機(jī)毀人亡的惡性事故。

圖1 典型多級(jí)軸流壓氣機(jī)特性線與失速邊界

穩(wěn)定裕度是航空壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中非常重要的指標(biāo)，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)際設(shè)計(jì)中預(yù)留的失速裕度可達(dá)20%～30%。然而，壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)是一個(gè)強(qiáng)三維、強(qiáng)非定常的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。歷經(jīng)幾十余年的研究，認(rèn)識(shí)流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理、合理預(yù)測(cè)失穩(wěn)并設(shè)計(jì)行之有效的擴(kuò)穩(wěn)策略，一直是在該領(lǐng)域得到持續(xù)關(guān)注的課題。本文將對(duì)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速及相關(guān)擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)的研究進(jìn)行回顧，介紹筆者所在團(tuán)隊(duì)開展的相關(guān)機(jī)理性研究，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行探討。

壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理研究

壓氣機(jī)中的流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象

圖2 因壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)著火事故

旋轉(zhuǎn)失速（rotating stall）和喘振（surge）是壓氣機(jī)中的兩個(gè)代表性流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。喘振是一種與系統(tǒng)相關(guān)的氣流擾動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件的機(jī)械振動(dòng)和熱端超溫，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出低而沉悶的“放炮”聲，是實(shí)際運(yùn)行中必須避免的現(xiàn)象。喘振一般發(fā)生在壓氣機(jī)從設(shè)計(jì)工況向非設(shè)計(jì)工況過渡的過程中，初始階段是非軸對(duì)稱的擾動(dòng)，充分發(fā)展后通?？杀豢醋魇且环N一維的沿軸向傳播的軸對(duì)稱氣流脈動(dòng)。它與壓氣機(jī)本身及整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的容腔大小有關(guān)，本質(zhì)是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的不穩(wěn)定情況。

旋轉(zhuǎn)失速是一種限制在壓氣機(jī)葉片排附近的沿周向傳播的非軸對(duì)稱氣流脈動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)失速發(fā)展的早期，即失速先兆階段，周向非均勻流動(dòng)開始出現(xiàn)并沿壓氣機(jī)周向傳播；當(dāng)完全失速時(shí)，失速團(tuán)充分發(fā)展并連續(xù)地沿周向旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)幾乎不隨時(shí)間而變化。一旦發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速，壓氣機(jī)壓比突然下降，氣動(dòng)性能明顯惡化，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)著火（見圖2）。另外，每個(gè)葉片在進(jìn)入和退出失速區(qū)時(shí)還會(huì)承受脈動(dòng)載荷，容易引起疲勞斷裂。旋轉(zhuǎn)失速氣流的脈動(dòng)頻率較高（40～120Hz），脈動(dòng)的幅值比喘振時(shí)小。

失速機(jī)理與氣動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)失穩(wěn)判據(jù)

壓氣機(jī)失速的研究是自航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生就存在的難點(diǎn)問題，至今已有80余年的研究歷史。

失速為何發(fā)生以及如何判斷失速發(fā)生，是失速機(jī)理研究的兩個(gè)重點(diǎn)問題。而認(rèn)識(shí)和研究失穩(wěn)機(jī)理，為的是提煉出合理的失速判據(jù)，并據(jù)此形成具有良好穩(wěn)定性的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)?？梢?，失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)和工程應(yīng)用是相輔相成、互相促進(jìn)的，而架起二者之間的橋梁，就是有效的穩(wěn)定性判據(jù)。表1總結(jié)了對(duì)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理的認(rèn)識(shí)過程，確立的穩(wěn)定性判據(jù)，以及與之相對(duì)應(yīng)且廣泛應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)中的擴(kuò)穩(wěn)策略，從中可以看到兩個(gè)明顯趨勢(shì)。一是研究者對(duì)失速的認(rèn)識(shí)從時(shí)間尺度上看，逐漸從定常到非定常的觀點(diǎn)；從空間尺度上看，則由一維系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)逐漸深入到二維葉柵/葉片通道，向著全三維非定常角度并逐漸聚焦到葉尖間隙流上推進(jìn)。二是對(duì)失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)一直推動(dòng)著擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)的發(fā)展，并形成了壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的參數(shù)，例如擴(kuò)散因子（D因子）。

多年來，壓氣機(jī)的失速機(jī)理研究形成了理論分析、試驗(yàn)測(cè)試及數(shù)值分析等多個(gè)學(xué)科分支。壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的早期研究始于20世紀(jì)50年代，通過類比飛機(jī)翼面失速提出了經(jīng)典的Emmons二維分離模型（1955年）。該模型認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)失速是由于周向不對(duì)稱的氣流擾動(dòng)、葉片制造、安裝不均勻等導(dǎo)致其中幾個(gè)葉片通道的氣流分離進(jìn)而造成通道堵塞所產(chǎn)生的。當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)葉片通道內(nèi)產(chǎn)生失速團(tuán)以后，被失速團(tuán)堵塞的氣流向上下游相鄰?fù)ǖ擂D(zhuǎn)折，與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的通道氣流迎角增大而加劇吸力面流動(dòng)分離，與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的通道氣流迎角減小而流動(dòng)狀況得以改善。隨著葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，失速團(tuán)最初發(fā)生的通道恢復(fù)到正常流動(dòng)狀態(tài)，而把堵塞流動(dòng)狀態(tài)傳播到相鄰?fù)ǖ溃纱诵纬闪诵D(zhuǎn)失速現(xiàn)象（見圖3）。與之相對(duì)應(yīng)的，發(fā)展了級(jí)間放氣、可調(diào)導(dǎo)向葉片等一系列擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)。

表1 壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理、穩(wěn)定性判據(jù)與氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)

基于二維葉柵角度認(rèn)識(shí)失穩(wěn)機(jī)理是20世紀(jì)60年代的主流思想。其中最廣泛應(yīng)用于壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的是D因子,其主要思路是葉片增壓（負(fù)荷）過大時(shí)將導(dǎo)致葉片表面的邊界層分離。通過建立邊界層動(dòng)量積分方程，將進(jìn)口迎角與葉片負(fù)荷巧妙地關(guān)聯(lián)起來，并在一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累上形成了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與靜子葉片D因子的指導(dǎo)值范圍。

圖3 逐漸聚焦的壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理

隨著試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的高速發(fā)展以及對(duì)壓氣機(jī)三維黏性非定常流動(dòng)的研究更加深入，人們得到了大量壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理的研究成果，產(chǎn)生了一些更加精確的旋轉(zhuǎn)失速理論模型，其中被最廣泛接受的是M-G（Moore-Greitzer）模型。M-G模型從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度研究旋轉(zhuǎn)失速，忽略其內(nèi)部流動(dòng)細(xì)節(jié)，將壓氣機(jī)看作是一個(gè)黑匣子。該模型成功地預(yù)測(cè)了壓氣機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性與周向傳播的先兆波發(fā)展之間的關(guān)聯(lián)性，即若先兆波衰減，則壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定，反之壓氣機(jī)則處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

而隨著試驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，研究者逐漸認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高輪轂比、低展弦比的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，使得絕大部分軸流壓氣機(jī)的失速發(fā)生在轉(zhuǎn)子的葉尖部分。借助先進(jìn)的流場(chǎng)測(cè)量測(cè)試手段和大規(guī)模全三維數(shù)值模擬，聚焦到動(dòng)葉端區(qū)的葉尖泄漏流結(jié)構(gòu)特征的壓氣機(jī)失穩(wěn)機(jī)理研究成為熱點(diǎn)。其中，麻省理工學(xué)院的沃博士等人于2005年提出了觸發(fā)突尖型失速先兆的兩個(gè)必要條件，一是葉尖泄漏流與來流間的交界面與轉(zhuǎn)子葉片前緣平齊，二是相鄰葉片的葉尖泄漏流在該葉片的尾緣處出現(xiàn)倒流。這個(gè)結(jié)論得到了國(guó)際上的普遍認(rèn)同。圍繞葉尖泄漏流定常、非定常流動(dòng)而展開的失穩(wěn)機(jī)理及擴(kuò)穩(wěn)策略研究，在近10余年具有持續(xù)而廣泛的熱度，研究者期望從根本上認(rèn)識(shí)失速現(xiàn)象。筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)也發(fā)展了一套完整的以葉尖泄漏流自激非定常性為基礎(chǔ)的失速理論，逐步揭示了失速的起始機(jī)制、空間結(jié)構(gòu)，以及量化預(yù)測(cè)模型——鐘形曲線，并在此失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上開展了葉尖噴氣、機(jī)匣處理、等離子體、自引氣-噴氣循環(huán)等一系列針對(duì)消除葉尖泄漏流非定常性的擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)。

圖4 低速壓氣機(jī)失速先兆與失速團(tuán)測(cè)量結(jié)果

失速邊界預(yù)測(cè)的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

利用數(shù)值模擬準(zhǔn)確地捕捉失速邊界（圖1中的藍(lán)色曲線），評(píng)估壓氣機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速工況下的穩(wěn)定裕度是公認(rèn)的挑戰(zhàn)和尚未攻克的難題。通常做法是在壓氣機(jī)近失速工作狀態(tài)下小步長(zhǎng)提高背壓或減小流量的方法向著失速點(diǎn)推進(jìn)。也有部分研究者采用節(jié)流閥模型模擬失速過程。但是，由于失速現(xiàn)象具有強(qiáng)三維強(qiáng)非定常性，現(xiàn)有的求解平均雷諾方程（RANS）方法難于精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)流動(dòng)分離的位置與渦結(jié)構(gòu)，再加上壓氣機(jī)失速發(fā)生的位置受到進(jìn)氣條件、不均勻間隙等多種實(shí)際因素的影響，有時(shí)還伴有葉片顫振等氣動(dòng)彈性問題，均對(duì)數(shù)值模擬捕捉失速邊界提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。筆者在一臺(tái)低速壓氣機(jī)上通過在機(jī)匣壁面周向布置靜壓傳感器測(cè)量得到的突尖型失速先兆信號(hào)如圖4所示。可以看出，失速先兆最初出現(xiàn)時(shí)第432轉(zhuǎn)子周期附近1號(hào)傳感器如紅圈所示，首先占據(jù)2～4個(gè)轉(zhuǎn)子葉片通道并不斷轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆l(fā)展的失速團(tuán)（黑色箭頭所示），根據(jù)斜率可知其傳播速度降為約50%轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度?？梢?，突尖型失速先兆表現(xiàn)為空間上的三維非線性小尺度特征和時(shí)間上的突發(fā)性。這種由分離導(dǎo)致的脈沖和三維流動(dòng)的重新分布現(xiàn)象是非線性的，此時(shí)流體力學(xué)穩(wěn)定性分析方法已經(jīng)不再適用，這對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)失速點(diǎn)形成了很大困難。

隨著測(cè)量測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，利用高精度測(cè)量手段獲取流動(dòng)細(xì)節(jié)揭示壓氣機(jī)失穩(wěn)機(jī)理的研究見諸報(bào)道。粒子圖像測(cè)速法（PIV）、激光測(cè)速儀（LDV）以及壓力敏感涂層（PSP）測(cè)量技術(shù)等廣泛應(yīng)用于揭示壓氣機(jī)瀕臨失穩(wěn)的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，支撐了擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。日本東京大學(xué)對(duì)壓氣機(jī)吞水狀態(tài)對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，通過高速攝像機(jī)拍攝到進(jìn)口導(dǎo)向葉片尾緣的液滴軌跡，借此可深入分析水滴對(duì)下一排靜子葉片入口氣流角的改變，以及評(píng)估液滴造成靜子葉片前緣腐蝕的影響。

圖5 測(cè)量測(cè)試技術(shù)在壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)研究中的作用（高速攝像裝置拍攝的雨霧狀態(tài)下壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)向葉片尾緣流動(dòng)）

圖6 全圓周非定常DES數(shù)值模擬旋轉(zhuǎn)失速起始

同時(shí)，全三維數(shù)值模擬已經(jīng)在認(rèn)識(shí)壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理與設(shè)計(jì)擴(kuò)穩(wěn)措施上起到越來越重要的作用。當(dāng)前，壓氣機(jī)失速邊界的預(yù)測(cè)多基于求解定常/非定常平均雷諾方程（RANS/URANS）。但隨著研究的深入，上述方法對(duì)湍流預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度大大影響了流場(chǎng)中分離、渦破碎等對(duì)觸發(fā)旋轉(zhuǎn)失速有重要作用的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，更高精度的大渦模擬方法（LES）及結(jié)合RANS與LES優(yōu)勢(shì)的分離渦模型法（DES）已逐漸應(yīng)用到求解壓氣機(jī)失速邊界中。日本九州大學(xué)的研究者對(duì)一臺(tái)7級(jí)壓氣機(jī)開展的全周DES數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果如圖6所示，計(jì)算包含670個(gè)葉片通道，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到20億（RANS計(jì)算全圓周網(wǎng)格約900萬），壓氣機(jī)的復(fù)雜幾何（例如葉根倒角、葉尖間隙）均得到了真實(shí)反映。在日本K超算平臺(tái)（計(jì)算速度8×1015次/秒）上，利用7300個(gè)核心并行運(yùn)算，大約2天時(shí)間可以完成一個(gè)轉(zhuǎn)子周期的計(jì)算。計(jì)算捕捉到失速率先發(fā)生在第六級(jí)靜子葉片出口，且相比URANS對(duì)失速流量20%的相對(duì)誤差，DES準(zhǔn)確捕捉到了試驗(yàn)失速流量。當(dāng)然，考量到這一高昂的時(shí)間、資源成本，對(duì)于現(xiàn)階段壓氣機(jī)的工程設(shè)計(jì)來說仍然是難以負(fù)擔(dān)的。

擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)的研究

為確保壓氣機(jī)在寬運(yùn)行工況下，尤其是中低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定裕度達(dá)標(biāo)，在長(zhǎng)期工作中形成了葉片三維設(shè)計(jì)，例如，掠葉片技術(shù)、可調(diào)導(dǎo)向葉片、機(jī)匣處理、級(jí)間放氣等多種用于壓氣機(jī)穩(wěn)定性調(diào)控技術(shù)。由于從失速先兆發(fā)展至旋轉(zhuǎn)失速的速度非?？欤话阒挥?～3γ的時(shí)間，使得對(duì)其機(jī)理的研究變得更加困難，而且很難在早期捕捉到其發(fā)展過程并及時(shí)加以控制。長(zhǎng)期以來，擴(kuò)穩(wěn)手段的發(fā)展是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為主的，因?yàn)閷?duì)失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)際中對(duì)擴(kuò)穩(wěn)的需求。然而，在失速理論發(fā)展的早期和中期，由于失穩(wěn)機(jī)理尚不清楚，這些擴(kuò)穩(wěn)措施一方面只能通過試驗(yàn)來驗(yàn)證其是否有效，另一方面同一種擴(kuò)穩(wěn)措施有時(shí)有效、有時(shí)無效的現(xiàn)象很普遍，很難得到合理解釋并總結(jié)出行之有效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

現(xiàn)階段，人們開始把擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理的研究與對(duì)失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)聯(lián)系起來，調(diào)控的新局面由此打開。在這里，把需要利用壓氣機(jī)之外的能量來進(jìn)行調(diào)控的方法歸類為主動(dòng)控制，反之則稱為被動(dòng)控制。需要強(qiáng)調(diào)的是，這兩個(gè)名詞不以是否含有測(cè)量與反饋為分類依據(jù)，因?yàn)橹鲃?dòng)控制可以完全不要任何測(cè)量和反饋。例如，定常頂部噴氣，其噴氣量與壓氣機(jī)的工況無關(guān)，是一個(gè)定值。而被動(dòng)控制也有可能是帶有測(cè)量和反饋的，例如，自引氣噴氣，可從壓氣機(jī)后面級(jí)引氣到前面級(jí)噴氣的途中加裝高頻閥，并根據(jù)對(duì)失速先兆的檢測(cè)結(jié)果控制引氣量的大小。接下來，以筆者所在團(tuán)隊(duì)曾開展研究的葉尖噴氣和機(jī)匣處理為例，來分別介紹主動(dòng)控制與被動(dòng)控制技術(shù)。

主動(dòng)擴(kuò)穩(wěn)策略

在主動(dòng)控制方面，早期以放氣防喘技術(shù)為代表，旨在排出堵塞壓氣機(jī)流道的多余空氣，消除分離堵塞造成的失速與喘振。這種技術(shù)簡(jiǎn)單有效，缺點(diǎn)是對(duì)效率的損失大。作為保證安全的最后一道屏障，放氣防喘技術(shù)至今仍被廣泛應(yīng)用。

可調(diào)導(dǎo)向葉片是將靜子葉片制作成可按照葉片本身軸線旋轉(zhuǎn)，而使葉片安裝角得以改變的擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)?，F(xiàn)代高壓比壓氣機(jī)在前幾級(jí)使用可調(diào)導(dǎo)向葉片，可以防止喘振，改善起動(dòng)和非設(shè)計(jì)運(yùn)行工況時(shí)的效率。

主動(dòng)控制的主要思想是檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)失速的擾動(dòng)先兆，此時(shí)在外界加入很小的能量去抵消和抑制這一失速先兆的產(chǎn)生，從而達(dá)到消除喘振/旋轉(zhuǎn)失速的作用。理論提出之后，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的帕度阿諾等成功利用進(jìn)口導(dǎo)向葉片產(chǎn)生反向的模態(tài)波拓寬低速壓氣機(jī)工作范圍。另一著名的研究代表是麻省理工學(xué)院的愛波斯坦提出的智能發(fā)動(dòng)機(jī)概念，其核心是利用傳感器及控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)本體組成閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性智能調(diào)控。

筆者所在團(tuán)隊(duì)基于抑制葉尖泄漏流自激非定常性的失速機(jī)理，設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）控制系統(tǒng)進(jìn)行了葉尖噴氣調(diào)控。通過在線監(jiān)測(cè)自相關(guān)系數(shù)，判斷壓氣機(jī)將瀕臨失速時(shí)開啟葉尖噴氣，在低速壓氣機(jī)和跨聲速壓氣機(jī)上均取得了很好的擴(kuò)穩(wěn)效果。

被動(dòng)擴(kuò)穩(wěn)策略

機(jī)匣處理是成功應(yīng)用于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的被動(dòng)擴(kuò)穩(wěn)措施的代表，通過在機(jī)匣壁面開縫或者開槽，成功地解決了壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度不足的問題。盡管機(jī)匣處理早在20世紀(jì)60年代就被意外發(fā)現(xiàn)，由于壓氣機(jī)失穩(wěn)機(jī)理的復(fù)雜性，其設(shè)計(jì)和應(yīng)用至今仍依賴大量試驗(yàn)。借助于高精度測(cè)量技術(shù)及計(jì)算流體力學(xué)，擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理的研究還是在最近10年才真正開展起來，并成為領(lǐng)域中持續(xù)的熱點(diǎn)。與此同時(shí)，作為一種穩(wěn)定裕度不足的補(bǔ)救措施，機(jī)匣處理方案多會(huì)在擴(kuò)穩(wěn)的同時(shí)帶來壓氣機(jī)效率的降低。

圖7 鐘形曲線法對(duì)跨聲速壓氣機(jī)ND-TAC的7種不同周向槽方案擴(kuò)穩(wěn)能力的快速判斷

GE公司資助美國(guó)圣母大學(xué)開展了高壓壓氣機(jī)ND-TAC周向槽機(jī)匣處理試驗(yàn)，為獲取機(jī)匣處理幾何與擴(kuò)穩(wěn)效果的關(guān)聯(lián)開展了多達(dá)216條特性線測(cè)量。羅羅公司與高校聯(lián)合開展了低速機(jī)匣處理的測(cè)量工作。普惠加拿大公司則持續(xù)開展對(duì)效率損失小的機(jī)匣處理方案研究。MTU與德國(guó)達(dá)姆施達(dá)特技術(shù)大學(xué)開展合作研究，在跨聲速試驗(yàn)臺(tái)上開展了高精度PIV試驗(yàn)測(cè)量，以期澄清擴(kuò)穩(wěn)流動(dòng)機(jī)理更好地指導(dǎo)軸向縫式機(jī)匣處理的設(shè)計(jì)。俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（CIAM）公布了多種軸向縫機(jī)匣處理方案，不僅在設(shè)計(jì)狀態(tài)下擴(kuò)穩(wěn)裕度達(dá)標(biāo)，而且在中低轉(zhuǎn)速下也有不俗的表現(xiàn)。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、中科院工熱所均開展了大量與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的軸流、離心壓氣機(jī)機(jī)匣處理研究。上述工作各有特色，以不同的視角推進(jìn)了人們對(duì)機(jī)匣處理機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為實(shí)際擴(kuò)穩(wěn)策略設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。筆者所在團(tuán)隊(duì)也在量化預(yù)測(cè)的視角下提出了鐘形曲線方法，針對(duì)工程設(shè)計(jì)初期海量方案的快速篩選需求，借助數(shù)值模擬快速地量化比較多種機(jī)匣處理方案的擴(kuò)穩(wěn)能力，其有效性在低速和跨聲速壓氣機(jī)中均得到證實(shí)（見圖7）。

結(jié)束語

更輕的質(zhì)量、更高的效率、更寬的工作范圍將是未來軸流壓氣機(jī)的發(fā)展方向。筆者在實(shí)際工作中體會(huì)到，更穩(wěn)定的壓氣機(jī)并不是一味去追求高失速裕度指標(biāo)，而是要形成在極端天氣、進(jìn)氣畸變條件下仍然保持穩(wěn)定工作的、抗畸變性能好的壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。流動(dòng)失穩(wěn)在多級(jí)環(huán)境下表現(xiàn)得更為復(fù)雜。作為壓氣機(jī)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)，壓氣機(jī)流動(dòng)穩(wěn)定性仍然期待著研究者們不懈努力，去探索一條更穩(wěn)定的壓氣機(jī)之路。