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船用燃机轴流压气机非定常流动失稳机理研究

摘要

压气机作为船用燃气轮机的核心部件，其气动稳定性始终是保证燃气轮机性能的

关键。当燃机偏离设计工况运行时，不仅流场内部存在着复杂流动结构的相互作用，

并且多级压气机载荷分布的变化也会导致局部流动恶化以及失稳模式的转变。因此，

开展压气机流动失稳的动态实验及非定常流场仿真分析，研究失稳过程流场内部多种

复杂流动之间的作用机制，掌握变工况失稳演化特征及叶顶、角区非定常流动的发展

及传播机制，并揭示多级压气机流场失速形式与失稳模式之间的内在联系，对轴流压

气机变工况稳定性的优化设计具有重要指导意义。

本文以单级和多级实验压气机为研究模型开展非定常流动失稳机理研究，通过动

态实验测量捕捉失稳过程频谱及流场特征的变化，结合非定常仿真手段分析失速流场

演化过程的各种流动结构之间的相互作用机制，并探索了变工况下叶栅流场局部失速

对多级压气机失稳模式的影响规律。主要的研究内容及结果包括：

针对船用燃气轮机级数多、变工况范围宽的特点，开展了基于维度缩放设计方法

的多级实验压气机气动设计以及实验台搭建工作。研究发现，一维气动设计中采用逐

级降低的载荷分布方式，在近失速点相同流量下的流场分离程度最低。在S2通流设计

中，通过对数值仿真损失参数的降维及端壁边界层参数处理获得与仿真流场相匹配的

通流设计数据，同时考虑了对端区及非端区叶型的修正，实现了压气机失速裕度及近

失速点性能的提升。流场结果显示该方法对近失速流场中的角区分离和径向窜流起到

了明显的抑制作用。

开展了单级和多级压气机稳态特性、流场参数及动态信号的实验测量。对比分析

了实验与仿真稳态特性和流场参数，验证了仿真结果的准确性。基于多级压气机流场

参数，探究了压气机失速过程中流向及径向参数在不同转速下的变化规律。研究发现，

动叶静压升呈现逐级降低的趋势，随着转速提高后面级动叶静压升的增幅显著提升，

对应着载荷向后面级的转移。低转速静压升的下降首先出现在首级动叶，而高转速则

起始于末级静叶，对应着流动分离起始位置的差异。

结合单级压气机动态实验及仿真结果开展了突尖失速流动机理分析。针对流场多

种复杂流动结构中的径向迁移流与失稳触发关联机制，研究了起始于叶根的径向二次

流对叶顶区域流场稳定性的影响，以及动静干涉效应对径向流动及失稳特性的影响。

研究发现了低能流体径向迁移对触发叶顶旋转不稳定及失速先兆的作用机制：由迁移

哈尔滨工程大学博士学位论文

至叶顶的径向流与破碎的泄漏涡共同作用形成的叶尖二次涡对应传播速度0.56N的旋转

不稳定扰动，由径向流沿叶顶吸力面侧回流形成的横向龙卷涡作为先于尾缘回流出现

的突尖失速先兆流场判据。当轴向间隙增加时，动叶尾迹与静叶干涉效应的变化造成

叶顶流场堵塞加剧而叶根流场堵塞减弱，进而导致泄漏涡前移程度的增强以及径向流

迁移强度的削弱，其中泄漏涡的前移造成了不稳定流动的提前出现。对旋转不稳定流

场的模态分解表明，径向流动强度与旋转不稳定扰动强度呈正相关，进而解释了间隙

增大后旋转不稳定现象减弱的原因。

在多级压气机变工况条件下开展了失稳模式及流动机理研究。基于动态压力信号

研究了高、低转速下的失稳演化过程频谱及流场特征变化。结合仿真流场探究了失稳

扰动的形成、发展及传递机制，并根据变工况局部失速传播规律探索了失稳模式变化

机制。研究发现，当叶顶旋转不稳定流动由泄漏涡波动形成的二次涡结构演变为由前

缘分离形成的回流涡结构时，扰动强度提升的同时传播速度由0.5N提高至0.71N，对

应频谱由0.6BPF附近的旋转不稳定驼峰频率带发展到低频段的多峰频率。失速形成后，

高转速下出现7.3Hz亥姆霍兹扰动并发展为轻度喘振，低转速下则出现由部分跨度失速

向全跨度失速的转变。仿真结果显示了高低转速下失稳流场的发展及传播过程的差异，

其中仅在低转速下出现了径向流对叶顶失稳结构形成的参与作用。随着转速的提升及

导叶开度的减小，失稳起始位置发生后移，并基于变工况流场失速形式与失稳模式的

联系，分析发现后面级角区失速及高于临界值的系统响应B参数共同导致了轻度喘振

的形成。

关键词：轴流压气机；旋转不稳定；旋转失速；径向二次流；失稳模式

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