有关轴流压气机失速起始特性试验分析思考
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【摘要】本文以一台轴流压气机为研究对象进行失速起始特性试验研究，首先对试验设备进行阐述，然后对失速先兆类型进行合理判断，对扰动发展为失速团的过程进行分析，对失速起始原因进行探析。
【关键词】轴流压气机；失速；失速团；起始特性；试验
1、引言
有关轴流压气机失速先兆及失速起始特性的研究是源于智能发动机的研究，经过多年的研究和发展，认为轴流压气机有两种失速起始过程，分别是模态波和尖脉冲为失速先兆特点。本文利用双极低速轴流压气机，开展失速起始特性的相关试验，不足之处，敬请指正。
2、试验设备阐述
试验设备包括以下几个部分：（1）轴流压气机一台，没有进口导向器，其结构布局为轴向进气、径向排气。进气道长度为4米，双纽线设计。压气机设计点转速是1500r/min，流量是25kg/s，总压比是1.035。（2）75kW辅助离心式通风机，辅助气源。（3）两个电动阀门，在离心通风机的上游和下游。（4）稳态采集系统，包括JC型转速转速测量仪，压力测量系统，计算机。（5）动态压力测量仪。
3、对失速先兆类型的合理判断
上文中提到，压气机失速先兆包括模态波和尖脉冲，按照扰动性质的区别，对失速先兆类型进行合理判断。具体步骤是：先对旋转失速之前信号进行频谱分析，对模态波信号进行确定，利用对传感器信号频谱特性进行对比，从而确定模态波的强度分布和空间结构，对信号进行滤波处理，保留一部分信号，然后观察尖脉冲扰动。
从图1分析得知，7s附近进入旋转失速，失速团8s后完全发展，信号中有杂音，出现叶片位势扰动和尾迹扰动等，所以这个时候是没法判断失速发生的时间。8～10s时，动态总压信号进行频谱分析，认为失速团旋转频率基频在4.19Hz。4.8Hz的扰动分量较为微弱，转子出口和静子出口处相对明显，这连个信号均为压气机内部特征扰动信号，10.0Hz分量扰动信号并非失速前才有，其和流量系数有很大关系，所以这个信号并非失速前扰动信号。笔者认为，4.8Hz信号分量是失速之前的模态波扰动。这个过程中未见到尖脉冲扰动信号，失速之前脉动频率和失速团旋转频率是一致的，600r/min结果是相同的。
4、对扰动发展为失速团的分析
对原始动态信号进行十层小波分解，图2给出7支传感器测得信号的D9细节信号和A10近似信号。D9细节信号集中在4-8Hz信号，脉动幅值有所增大，这种情况表明存在扰动，或是有失速团出现。所以当幅值超出一定阀值时，分析是压气机已经进入失速状态，阀值定义是D9最大幅值的一半。根据这种定义，压气机出口检测到的最先是旋转失速团信号，在不到第7s时就会出现失速团，压气机进口传感器在7s之后检测到失速团信号，具体是6.76s-7.35s的时间，所以本文认为压气机第二级先失速，然后向第一级压气机扩展，最后造成整机旋转失速。A10近似信号包括0～2Hz信号，表明总压是在失速起始发生之后出现失降的现象，图2（b）可以看出失速团出现之后总压坍塌的情况。
压气机出口总压信号进行频谱分析可以看出，压气机在失速前两秒出现模态波，传播频率是40%转子旋转频率，失速团出现之后旋转频率是5Hz，是83.3%转子旋转频率，发生在失速团的第二级，所以旋转速度变大。然后从第二级向第一级扩展，失速团旋转速度下降，降低到41.9%转子转速。压气机进口出现模态波扰动信号，失速团扩散到第一级，失速团转速不大稳定，8s后压气机转速失速才稳定，失速团的转速没有变化。
5、对失速起始原因的探析
上文中提到，压气机在第二级转子叶尖区域出现小失速团。根据压气机第二级转子出口95%叶高处不同流量系数进行频谱分析，其中表明13.3%信号分量和压气机转子旋转频率是一致的，随着流量系数的降低。13.3Hz幅值变大，频率为13.3Hz的信号不断变大。第二级转子出口周向流场轴不对称性变得更加明显。通过小波变换得出第八层高频信号分量，频率范围在8Hz和16Hz之间，按照失速起始过程第二级转子出口95%叶高处D8信号，发现压气机在失速起始过程中模态波幅值变大的过程中，压气机非轴对称越来越显著，这种非轴对称压力分布结构反映在转子上，使得转子同速旋转，周向高压区和低压区存在一定的压力差，最大时可以达到165Pa，根据不可压流理论进行计算，165Pa相当于流量系数相差为0.36。
6、结语
早期对于压气机失速先兆和失速起始特性进行研究主要是对先兆类型、传播速度、失速团的数量及旋转速度进行研究，近些年来有关失速起始特点研究主要是在于其物理现象。失速起始对应的情况实际上是对应了设计和加工缺陷，利用细致研究得出一些理论方法，设计时给予理论指导，对于压气机性能的提升有显著作用。
参考文献
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