[科普中国]-旋转失速

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在航空航天领域，很多人对轴流压气机的建模和控制进行了相关的研究。压气机的作用是提高气流本身的静压和密度，为系统提供良好的推动力，而压气机性能的好坏强烈影响着发动机中其他组件的性能发挥。轴流压气机由多级组成,每一级又分为转子和静子两部分。转子转动时对气流做功，提高气流的动能，为飞行产生推力。静叶在扩散气流的同时调整气流对下一级的进气角。因此，没有稳定的气流环境，压气机就不可能获得预期的增压比和效率，不能为系统提够稳定持续的推动力。轴流压气机的气动不稳定状态分为喘振和旋转失速两种。

涡扇轴流压气机涡扇发动机也叫做涡轮风扇发动机，它是由涡轮喷气发动机逐渐发展而成的，是在军用、民用飞机上最常见的航空动力装置，随着技术和科技的发展人们对涡扇发动机的要求越来越高，在涡扇发动机里最重要的部件是压缩系统，而要提高涡扇发动机的性能，首先要考虑压缩系统的改进，压缩系统的级数减少必然会带来发动机性能的提高，但同时也使得压气机的叶片负荷过大，使得压气机本身内部环境不稳定，最后导致旋转失速或者喘振的发生，这不仅破坏了压气机，也使得机器性能下降。1

旋转失速和喘振喘振是流体沿着压气机轴向的周期性振荡。已有的实验表明，在系统喘振发生的最初，总是伴有压气机的旋转失速，所以旋转失速被认为是喘振先兆。旋转失速是沿压气机周向的非均匀流动状态。这些不稳定流动现象不但使发动机性能（推力、经济性）大为恶化，限制发动机的工作范围，而且更严重的是它们会引起发动机突然熄火，或引起压气机叶片剧烈振动以致叶片断裂而造成整台发动机的损坏。

基本原理当离心式或轴流式压缩机的操作工况发生变动时，如果流过压缩机的气量减小到一定程度后，进入叶轮扩压器流道的气流方向发生变化，气流向着叶片的凸面（称为工作面）冲击，在叶片的凹面附近形成很多气流旋涡，旋涡逐渐增多使流道有效流通面积逐渐减小。当然，进入压缩机的气流在各个流道中的分配不是很均匀，气流旋涡的多少也有差别。如果某一流道中气流旋涡较多，则通过这个流道的气流就要减少，多余的气流将转向其他流道，再折向前面的流道。因为进入的气体冲在叶片的凹面上，把原来凹面上的气流冲掉了许多，因此这个流道的气流就畅通了一些。折向后面流道的气流因为冲在叶片的凸面上，使叶片凹面处的气流产生更多的旋涡，堵塞了流道的有效流通面积，迫使该流道中的气流又折向邻近的流道。如此连续发展下去，由旋涡组成的气流堵塞团（称为失速团或失速区）将沿着叶轮旋转的相反方向轮流在各个流道内出现。由于失速区在反向的传播速度小于叶轮的旋转速度，因此从叶轮外某一固定点看去，失速区还是沿着叶轮的旋转方向转动，这就是旋转失速产生的机理。2

基本特征（1）旋转失速形成的过程有渐进型和突变型两种。
渐进型失速是随着压缩机气量减小，气流堵塞区所占据的面积逐渐扩大。具体表现为：增压比随流量减少逐渐下降，等转速线上没有间断点；分离区数目随空气流量减少而逐渐下降，且分离区向叶高方向逐步扩展；分离区的移动速度不随分离区数目的增加而变化。
突变型失速是在气量减小到一定程度后，由于失速区迅速扩大，占据较大的面积，因此它易引起较强的气体压力脉动，对压缩机的性能和振动影响较大。具体表现为：分离区数目一般不会太多，只有一个或两个；失速时增压系数急剧下降，在等速线上有间断点；特征线明显分为左上和右下，并出现迟滞现象。
（2）旋转失速过程还有滞后效应。即随着气量减小，压缩机开始进去旋转失速范围，排出压力突然下降一个台阶。但是重新增大流量后，压缩机性能曲线并不按原来的路线变化，而是具有一段流量滞后过程，即当流量上升至原来失速起始点时，压缩机并不能立刻恢复到原来的压力，需要继续增大流量才能使压力有所上升。3

研究现状在压气机的旋转失速上人们进行了大量的研究，在早期时候，由于技术和环境的限制，对许多失速问题的特征人们在实验研究条件下不能进行很好的分析。到了七十年代，随着检测技术，数字信号，计算机等多种领域学科的发展为压气机旋转失速的研究提供了有效的工具，通过这些技术工具应用使得人们对旋转失速、喘振等现象有了更进一步的了解和认识。人们通过研究得到关于压气机的仿真模型。由于压气机的级负荷越高对其稳定工作条件的要求也更加苛刻，压气机的稳定工作范围是由压气机的工作点和失速边界之间可能的流动变化范围来决定的,若压气机的稳定欲度过小，一旦发生选择失速或喘振,轻则造成发动机性能急剧恶化，重则发动机熄火或者由于叶片断裂而造成整台发动机毁坏,所以人们在进行实验研究的同时也开展了理论研究。对于旋转失速的初始扰动问题，由于人们认识的不同，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等人提出来的，建立了扰动理论预测旋转失速边界和传播速率的线性模型，指出失速形成的可能原因是失速沿着叶片排的传播机理。这一模型的特点是造成失速的分离扰动首先发生在某一个或某几个叶片槽道中，扰动的范围是局部性的，其尺度与整个叶片排相比很小，但是它发展很快，在很短的时间内即可发展成为大的失速团。在理论基础上和从系统的角度进行压气机的建模，通过系统相关的整体稳定性来分析建立了一套比较完善的压缩系统稳定模型。这个模型认为最终的失速是由于典型扰动诱发的，而这种失速其起始模型特点被认为是扰动的范围与压气机的周长同一量级，扰动是全局性的、旋转的波动扰动。