Spike-Type Compressor Stall Inception, Detection and Control学习笔记

摘要

在轴流压气机中，当质量流量降低，叶片负荷达到极限时，会出现一种称为失速的气体动力学不稳定现象。在这种限制条件下，在大多数现代压气机中都可以观察到一个容易识别的流体中断过程，即尖峰型失速开端。本文首先从低速和高速压缩机的检测测量开始再到解释尖峰型失速的特点。接下来是对过去在压缩机稳定性方面的工作进行了回顾，并对这一领域的最新进展进行了评估。这之中包括一个表征尖峰形成和最终演变为完全的失速团的三维流动特征的研究。我们也考虑了尖峰行失速形成的条件和早期检测的手段与可能的控制方法。在计算方面，通过对转子叶尖区域流动的三维研究，确定了尖峰形成的可能机制。这种机制包括叶片后缘（trailing edge）的叶顶间隙回流和前缘（leading edge）的叶顶泄漏流动的前溢。这种流动模式意味着成功的失速控制技术必须依赖于抑制叶尖间隙回流和正向溢出的有效手段。

关键词：流体动力学失稳，燃气轮机，流体控制，流体机械

1. 引言

• 压比(pressure ratio)：出口滞止压力与进口滞止压力的比值。
• 特性曲线：表示压气机在不同工况下各性能参数(转速、压比、流量、效率等)之间关系的一组曲线。将压比绘制为质量流量的函数(对于一个给定的轴转速)，以产生一个固定速度的性能曲线，或特征曲线。将压气机从低到高不同工况下的曲线绘制在一起得到特性曲线，以便压气机的设计。

• 传统的失速控制方法属于被动控制技术，其核心是保证压气机的工作点与速度边界点之间有一定的裕度，但这样做会严重地降低压气机的性能，不利于压气机在各种工况下正常工作，因此便有了主动控制，使得压气机工作于高压比的区域，充分发挥压气机的性能。

• 大多数低流量情况下的流体动力学失稳如旋转失速是由突尖引起的。而旋转失速往往会导致压气机最终的喘振。失速和喘振的空间描述
• 失速的初始扰动往往是由两种失速扰动引起的，分别有其各自的特征。第一种初始扰动称为模态波（modal），是一种小振幅、二维的长波（长度约为压气机周长）；另外一个成为突尖波（spike），其特点为时间上的短时性和空间上的小尺度性。本文主要针对突尖波的流体机理并对当时突尖波建模、检测和控制进行了总结。理论分析和实验表明，模态波在压气机总-静压升特性先的峰值点出现。

下表为模态波和突尖波相关特点部分总结：

	时间尺度	空间尺度	传播速度
模态波	长时性（失速前几十到几百转）	大尺度	20%-50%转子速度
突尖波	短时性（失速前几转出现且迅速扩张）	小尺度（占一个或几个叶片信道)	快速变化

2 压气机突尖波扰动研究背景

现在一般认为，低速压气机中存在线性和非线性两类进入失速的途径：相对缓慢线性发展的大尺度的模态波和小尺度的突发型失速，分别对应着模态波和突尖波两类失速初始扰动。轴流式压气机中常见的进入失速的途径是经由非线性小尺度的突尖波进入的。本文通过检测各类实验数据，汇总为以下几个部分：(a)探测失速前兆形成迹象，(b)使用计算流体力学(CFD)提取导致突尖型失速突尖形成的物理过程，(c)分析和预测尖刺形成所需的分析/计算条件，(d)控制或延迟失速发生方法前景。

2.1 对突尖型失速起始的实验观察

下图显示了失速事件期间一组典型的周向间隔的速度轨迹。初始过程始于一个尖峰状的扰动，大约在图中第15圈处，随着它围绕环空旋转而增大，并在大约5圈内变成一个完全发展的失速单元。新兴细胞围绕环空运动的周相速度从细胞很小时的72%的初始值变化到完全发展时的大约40%的转子转速。

从1998年 Camp & Day的实验中可以看到，即便在有着较长模态波扰动的情况下，突尖型扰动在造成压气机失速中仍然占据主导地位。即突尖波可以被看做是失速团的早期雏形，它连续发展成旋转失速；而模态波本身不是失速团的早期形式。

下图所示为Emmons提出的失速形成的可能原因和失速沿着叶片排的传播机理。当叶排工作在大的冲角状态下，由于流场中的某一干扰，如进气口流场的畸变等，将引起某一个或某几个叶片通道内 瞬间的气流发生堵塞，由于堵塞，流过阻塞区的气流将分离出上下两部分，在同转速一直的方向上，气流的冲角将变小，缓解了第一个叶片不失速，使之由失速转变为不失速，而另一侧的的气流冲角将增大，引起这一叶片也跟着失速，这个周而复始的过程使得失速团以同转速相反方向绕着周向旋转。这一模型的特点是，失速最先发生在某几个叶片上，随后迅速发展到整个叶排。

Park还寻找了探测短波长失速起始的最佳传感器位置。他认为，在第一个转子出口的静压传感器似乎能给出最早和最强的信号。这一观察结果可能表明，初始突尖扰动在转子出口处具有最大的振幅。

2.2 高速多级轴流压气机上的失速起始

在高速多级轴流压气机中，失速初始表现出多样性和复杂性，在低速(实验室)和高速(航空)压缩机中，都可以看到突尖型扰动和模态扰动具有相同的清晰度。但是在具体出现的条件极其分类尚未有一个清晰的认识。

2.3 对压气机进口畸变反应的实验观察

Longley等人(1996)研究了旋转进气畸变对压气机稳定性的影响，最重要的结果总结在上图中。在测试的4台压缩机中，出现了两种不同的模式，代表了压气机对旋转失真的响应(以失速流量和旋转失真的转速衡量)。其中一种模式显示了一个单共振峰，对应的失速裕度在进口畸变时，以40%的转子转速在转子旋转方向上旋转(图a);另一个显示了在25%和75%转子转速时的两个共振峰(图b)。在模态初始阶段出现一个共振峰的压气机发生失速，而在尖峰初始阶段出现两个共振峰 的压气机发生失速。将旋转进气道畸变视为外部刺激(即强迫)，这些结果证实了模态和突尖是压气机系统的特征扰动的观点，从而强化了2.1和2.3节的结果

2.4 短波失速初始的实验观察总结

短波初始扰动在高低速压气机失速和喘振中都是主流类型。在初始阶段，尖峰型失速初始的特征是一个小的、三维的、局部的扰动局限在转子尖端区域，流动分离马上就要开始。在初始阶段，尖波的波长为一到两个叶片螺距的量级，周向相速度为转子转速的70%到80%。这个周向相角速度随着突尖转变为一个成熟的失速团而下降到20%和50%的转子转速。第一次检测到突尖扰动到最终失速状态之间的时间通常小于5转。短波长失速开始似乎有随机起源，基于线性化近似的描述可能不合适(见下文第5节)。此外，与模态失速相比，尖峰失速往往发生在停滞-静压上升特性具有负斜率的流量(即，在此特性仍在上升)。(模态失速初始只发生在斜率为零的特征峰处。)

总的来说，旋转失速团的形成经历四个阶段：准失速、失速初始、发展和最终的扰动。在大多数情况下，尖峰开始自发地出现，所以前置阶段通常是平淡无奇的。然而，对于叶尖间隙不对称的压气机，其前置相位往往具有短波干扰重复形成和衰减的特征，随着压气机节流接近稳定极限，形成的频率不断增加。

3 对预示突尖型扰动产生的准失速行为的侦测

突尖形成的固有特性和流体失稳的突发性使得在失速先兆上非常困难。下面介绍的失速预警技术都试图检测失速过程中增加的不稳定性。然而，对于所有这些活动，还没有明确定义的事件链被确定为形成峰值的真正前兆。(这与长尺度失速开始时的情况相反，在长尺度失速开始时，增长的模态活动可以从无限小的开始一直追溯到失速细胞的形成。)因此，有人认为突尖型扰动的产生具有非线性性和随机性。以下为对各类方法的总结：

方法	采用者	优缺点	难点
空间傅里叶分析（Spatial Fourier analysis ）	J.P. Longley	适合高速压气机但需要大量高性能传感器；不适合短波的侦测	微弱信号强度在空间谐波中传播的故障诊断
空间相邻信号自相关	Park	不使用瞬时数据，使用传感器较少
窗口的时空相关法（windowed space-time correlation ）	Cameron & Morris	可超前几百几千转	转子前缘上流压力数据测量
行波能量法（Traveling-wave-energy analysis ）	Tryfonidis	高速压气机超前50到100转检测出突尖
多分辨率小波分析（wavelet analysis）	Hoss	提前1到2秒
相关度测量法（correlation measure ）	Dhingra	稳定性较差
	McDougall(1990)

4 多种对突发失速前兆及其演变的模拟

目前人们通过流体动力学求解器对不稳定的三位单叶片通路和多叶片通路的突尖型失速初始进行了计算仿真，这些计算主要集中于两方面：一是寻找简单有效的使用但叶片通道计算稳定极限；二是使用更大量的计算得到多叶通道突尖初始时的流体物理状态或者远哲的计算。

Vo 用三位时间精确单通道和多通道计算评估了叶片通道中的流动行为对压气机稳定性的作用，提出了亚音速压气机出现突尖波形式失速初始扰动的两条准则：一是顶部间隙流动从动叶前缘叶顶下方溢出；二是来自临近叶片通道的顶部间隙流在尾缘处叶片顶部以下出现反流。如下图所示

5 突发失速前兆及其演变的分析模型

如图为短波扰动的截面图。图中还显示了扰动区域周围的流场。这里提到的流型提出了两个在研究任何突发型初始的流体模型所必须的必要特征:(a)流量再分配在舞台的动静干涉差距短波扰动所在地(因此集中压缩机模型不能解决这种类型的扰动)和(b)流分配叶片排内的流动前沿的叶片通道显著不同,在后方的一部分通道。这意味着一个线性化的模型不能用来描述流场周围的短波长扰动。这与模态不稳定的情况形成了对比，在模态不稳定的情况下，使用线性稳定性分析的激励-盘描述是合适的。

根据上图，可以使用以下概念框架开发流模型。叶片排引起的压力变化、气流转弯和能量交换的作用可以用具有等效力的叶片排代替。合适的表现的关键是能力来表征的身体力在流动动力学局部到叶片排。要求如下：(a) 必须在叶片平均基础上满足物理定律(质量、动量和能量守恒)(即局部流动特征必须在叶片通道平均基础上反映)；(b) 必须有对几何的正确依赖;(c)对于预失速轴对称流动，叶片排必须再现整体压升和转弯角；(d) 内力必须能够局部响应非定常三维流动变化；(e) 模型必须能够捕获发展不稳定性的正确时间尺度和长度尺度(即波长、相位速度和增长率)

6 失速开始的条件

Camp 和 Day 对剑桥大学的4级低俗轴流压气机中的失速起始过程进行了较为系统的实验研究，结果表明压气机级间的匹配对失速初始扰动类型的影响比间隙大小的影响更为显著。他们通过系统调整进口导叶、静叶的安装角度改变各级之间的匹配关系，实现了不同形式失速初始扰动的转变。基于实验结果，他们建立了一种由压气机的总特性和动叶排的临界攻角之间的关系来确定失速初始扰动类型的简化模型(如下图所示)：随着压气机流量的减小, 若压气机的总特性达到或超过其峰值点时，动叶尖部的气流攻角还没有达到其临界值，则出现模态波型失速初始扰动；反之，则出现突尖波型失速初始扰动。换言之，突尖波发生在压气机总特性线斜率为负值的区域，即进入失速时压气机的压升还有继续升高的趋势；而模态波出现在压气机总特性线斜率为零或略为正值的区域。

7 控制突尖型失速的前景

与模态失速初始相比，突尖失速初始的突发性对其检测(如第3节所述)和通过主动手段控制提出了重大挑战。主动控制包括使用压缩机内部的实时测量来检测失速事件，然后应用适当的行动来抑制它们的增长，从而延迟失速发生。自从突尖型失速初始发现以来，已经有众多的努力来证明用主动控制可以延长压缩机的操作范围的可行性。常见有以下的控制方法：

• 尖端注入
• end-wall recirculation
• 微小气流注入

以上三种发发在多级压气机中的应用可能较为困难，Wadia发明管理系统，使用在线检测的方法实现失速控制，常见的还有等离子流控制等，关键的思想是利用一个空间分布的驱动系统来激励叶尖区域的流动，该驱动系统的频率和模态振型是在泄漏涡核心处产生共振所必需的。