[科普中國]-旋轉失速

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在航空航天領域，很多人對軸流壓氣機的建模和控制進行了相關的研究。壓氣機的作用是提高氣流本身的靜壓和密度，為系統(tǒng)提供良好的推動力，而壓氣機性能的好壞強烈影響著發(fā)動機中其他組件的性能發(fā)揮。軸流壓氣機由多級組成,每一級又分為轉子和靜子兩部分。轉子轉動時對氣流做功，提高氣流的動能，為飛行產生推力。靜葉在擴散氣流的同時調整氣流對下一級的進氣角。因此，沒有穩(wěn)定的氣流環(huán)境，壓氣機就不可能獲得預期的增壓比和效率，不能為系統(tǒng)提夠穩(wěn)定持續(xù)的推動力。軸流壓氣機的氣動不穩(wěn)定狀態(tài)分為喘振和旋轉失速兩種。

渦扇軸流壓氣機渦扇發(fā)動機也叫做渦輪風扇發(fā)動機，它是由渦輪噴氣發(fā)動機逐漸發(fā)展而成的，是在軍用、民用飛機上最常見的航空動力裝置，隨著技術和科技的發(fā)展人們對渦扇發(fā)動機的要求越來越高，在渦扇發(fā)動機里最重要的部件是壓縮系統(tǒng)，而要提高渦扇發(fā)動機的性能，首先要考慮壓縮系統(tǒng)的改進，壓縮系統(tǒng)的級數(shù)減少必然會帶來發(fā)動機性能的提高，但同時也使得壓氣機的葉片負荷過大，使得壓氣機本身內部環(huán)境不穩(wěn)定，最后導致旋轉失速或者喘振的發(fā)生，這不僅破壞了壓氣機，也使得機器性能下降。1

旋轉失速和喘振喘振是流體沿著壓氣機軸向的周期性振蕩。已有的實驗表明，在系統(tǒng)喘振發(fā)生的最初，總是伴有壓氣機的旋轉失速，所以旋轉失速被認為是喘振先兆。旋轉失速是沿壓氣機周向的非均勻流動狀態(tài)。這些不穩(wěn)定流動現(xiàn)象不但使發(fā)動機性能（推力、經(jīng)濟性）大為惡化，限制發(fā)動機的工作范圍，而且更嚴重的是它們會引起發(fā)動機突然熄火，或引起壓氣機葉片劇烈振動以致葉片斷裂而造成整臺發(fā)動機的損壞。

基本原理當離心式或軸流式壓縮機的操作工況發(fā)生變動時，如果流過壓縮機的氣量減小到一定程度后，進入葉輪擴壓器流道的氣流方向發(fā)生變化，氣流向著葉片的凸面（稱為工作面）沖擊，在葉片的凹面附近形成很多氣流旋渦，旋渦逐漸增多使流道有效流通面積逐漸減小。當然，進入壓縮機的氣流在各個流道中的分配不是很均勻，氣流旋渦的多少也有差別。如果某一流道中氣流旋渦較多，則通過這個流道的氣流就要減少，多余的氣流將轉向其他流道，再折向前面的流道。因為進入的氣體沖在葉片的凹面上，把原來凹面上的氣流沖掉了許多，因此這個流道的氣流就暢通了一些。折向后面流道的氣流因為沖在葉片的凸面上，使葉片凹面處的氣流產生更多的旋渦，堵塞了流道的有效流通面積，迫使該流道中的氣流又折向鄰近的流道。如此連續(xù)發(fā)展下去，由旋渦組成的氣流堵塞團（稱為失速團或失速區(qū)）將沿著葉輪旋轉的相反方向輪流在各個流道內出現(xiàn)。由于失速區(qū)在反向的傳播速度小于葉輪的旋轉速度，因此從葉輪外某一固定點看去，失速區(qū)還是沿著葉輪的旋轉方向轉動，這就是旋轉失速產生的機理。2

基本特征（1）旋轉失速形成的過程有漸進型和突變型兩種。
漸進型失速是隨著壓縮機氣量減小，氣流堵塞區(qū)所占據(jù)的面積逐漸擴大。具體表現(xiàn)為：增壓比隨流量減少逐漸下降，等轉速線上沒有間斷點；分離區(qū)數(shù)目隨空氣流量減少而逐漸下降，且分離區(qū)向葉高方向逐步擴展；分離區(qū)的移動速度不隨分離區(qū)數(shù)目的增加而變化。
突變型失速是在氣量減小到一定程度后，由于失速區(qū)迅速擴大，占據(jù)較大的面積，因此它易引起較強的氣體壓力脈動，對壓縮機的性能和振動影響較大。具體表現(xiàn)為：分離區(qū)數(shù)目一般不會太多，只有一個或兩個；失速時增壓系數(shù)急劇下降，在等速線上有間斷點；特征線明顯分為左上和右下，并出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。
（2）旋轉失速過程還有滯后效應。即隨著氣量減小，壓縮機開始進去旋轉失速范圍，排出壓力突然下降一個臺階。但是重新增大流量后，壓縮機性能曲線并不按原來的路線變化，而是具有一段流量滯后過程，即當流量上升至原來失速起始點時，壓縮機并不能立刻恢復到原來的壓力，需要繼續(xù)增大流量才能使壓力有所上升。3

研究現(xiàn)狀在壓氣機的旋轉失速上人們進行了大量的研究，在早期時候，由于技術和環(huán)境的限制，對許多失速問題的特征人們在實驗研究條件下不能進行很好的分析。到了七十年代，隨著檢測技術，數(shù)字信號，計算機等多種領域學科的發(fā)展為壓氣機旋轉失速的研究提供了有效的工具，通過這些技術工具應用使得人們對旋轉失速、喘振等現(xiàn)象有了更進一步的了解和認識。人們通過研究得到關于壓氣機的仿真模型。由于壓氣機的級負荷越高對其穩(wěn)定工作條件的要求也更加苛刻，壓氣機的穩(wěn)定工作范圍是由壓氣機的工作點和失速邊界之間可能的流動變化范圍來決定的,若壓氣機的穩(wěn)定欲度過小，一旦發(fā)生選擇失速或喘振,輕則造成發(fā)動機性能急劇惡化，重則發(fā)動機熄火或者由于葉片斷裂而造成整臺發(fā)動機毀壞,所以人們在進行實驗研究的同時也開展了理論研究。對于旋轉失速的初始擾動問題，由于人們認識的不同，所得到的失速起始模型也是不同的。最初的失速模式是由Emmons等人提出來的，建立了擾動理論預測旋轉失速邊界和傳播速率的線性模型，指出失速形成的可能原因是失速沿著葉片排的傳播機理。這一模型的特點是造成失速的分離擾動首先發(fā)生在某一個或某幾個葉片槽道中，擾動的范圍是局部性的，其尺度與整個葉片排相比很小，但是它發(fā)展很快，在很短的時間內即可發(fā)展成為大的失速團。在理論基礎上和從系統(tǒng)的角度進行壓氣機的建模，通過系統(tǒng)相關的整體穩(wěn)定性來分析建立了一套比較完善的壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定模型。這個模型認為最終的失速是由于典型擾動誘發(fā)的，而這種失速其起始模型特點被認為是擾動的范圍與壓氣機的周長同一量級，擾動是全局性的、旋轉的波動擾動。