目前，均匀来流条件下压气机失稳预报方法较多，如相关分析、均方根分析、快速小波分析及非线性特征提取方法等，但对于这些方法的适用范围和可靠性分析并未开展详细的研究。工程热物理研究所先进燃气轮机实验室压气机基础研究团队致力于压气机稳定性的研究。首先在一台低速三级轴流压气机实验台上开展了实验研究，系统分析比较了转速波动、周向和轴向位置、以及进气畸变对自相关分析、互相关分析、均方根分析和快速小波分析失稳预报可靠性的影响。研究结果表明，转速波动会影响自相关分析和均方根分析的可靠性；周向间隙大的位置失稳预报方法更有效；传感器安装在轴向转子前缘位置(即叶顶间隙泄漏流非定常波动最剧烈位置)时失稳预报方法更可靠；周向畸变条件下互相关分析更为敏感，受畸变周向位置的影响小(图1)。随后在三级轴流压气机上对不同级的稳定工作状态进行了预测，在均匀来流下精准预测第一级会率先失稳，进而实现了多级压气机最先失速级预报 (图2)；并在实施叶顶喷气扩稳措施以及进气径向畸变的情况下成功预测了压气机的稳定状态。基于上述研究，成功研制了压气机流动失稳监控仪(图3)，并在中国航发的某型号上开展了应用验证(图4)。
以上研究得到了航空发动机及燃气轮机国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国科学院科研仪器设备研制等项目的支持。相关研究成果已在航天科技(Aerospace Science and Technology, 2021, Vol.115: 106816)和燃气轮机动力工程杂志(ASME Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 2021)上发表。
图1 周向畸变对互相关分析可靠性的影响
图2 三级轴流压气机的失稳预报
图3 压气机流动失稳监控仪运行界面
图4流动失稳监控仪在型号中的应用验证
