壓縮機的喘振與失速-譯文第3章

1、第3章 失速相關3.1 導論旋轉失速本質(zhì)研究的結果表示，為了完整的描述一個建立的失速模式，必須知道單元的數(shù)目、周向寬度、徑向寬度和傳播速度。試驗結果表示形成數(shù)據(jù)相關的基礎用于預測失速結構的確定趨勢。當質(zhì)量流量減少時，單元的數(shù)目可以增加或減少，但是在總體單元附近的環(huán)面阻塞率始終增加。對于低的中心/末端比率轉子的壓縮機，初始模式是局部范圍失速。對于高的中心/末端比率的轉子，只有整體范圍失速似乎被遇到。絕對傳播速度隨轉子旋轉轉速而增加，但是隨單元數(shù)目和從局部范圍失速到整體范圍失速的轉變而改變。這一章述評了企圖量化它們的趨勢且發(fā)展了數(shù)據(jù)相關。3.2 軸流壓縮機3.2.1 環(huán)形通道阻塞阻塞可歸結于壓縮機

2、失速在有末端失速起始的峰值壓力增量處開始。它隨質(zhì)量流量減少且不管旋轉失速的轉變以及在失速單元數(shù)目上的改變而漸進地增加。兩種參考書上出現(xiàn)作為流量系數(shù)函數(shù)的阻塞數(shù)據(jù)。這兩組數(shù)據(jù)繪制在圖3.1上。這幅圖表示關于Fabri和Siestrunck（1957）文獻中的峰值壓力增量點以及關于Rockett(1959)文獻中的峰值壓力增量的范圍。Fabri和Siestrunck采用的數(shù)據(jù)是在低于峰值壓力增量處流動的流量。Rockett(1959)文獻中的數(shù)據(jù)是選自失速的初始點。當壓縮機仍然處于峰值壓力增量處時，阻塞增加大約20是非常顯著的。在失速起始處阻塞上存在激增也是顯著的。當流量系數(shù)為0.55時，在大約8

3、的阻塞處存在直接的升高，在這之后阻塞線性地改變。如果在失速流動的范圍上，在非阻塞區(qū)域內(nèi)的軸向速度是常數(shù)，在阻塞上的變化將是線性的。這是通過短劃線截取在100的阻塞處的縱軸和在流量系數(shù)為0.55的橫坐標來表示。在質(zhì)量流量微小的改變下，阻塞上出現(xiàn)急劇增加意味著當失速開始時軸向速度必須增加。作者指出在非常低的流量下，熱線數(shù)據(jù)表示在大的單個失速單元上的強回流的局部區(qū)域。這將給出一個低于用常數(shù)的軸向速度線表示的阻塞值。然而這個區(qū)域依然代表了來流的阻力，而且仍然能把阻塞作為是有效的。阻塞模型可以通過從Rockett(1959)文獻中的數(shù)據(jù)基礎上明確的表達。圖3.2表示從試驗或者從設計者的電腦模型中得到性能

4、特性線。在峰值壓力增量處，假設阻塞增加8。然后使阻塞線性增加到零流量。在兩組數(shù)據(jù)(Fabri和Siestrunck1957和Rockett1959)的基礎之上使用線性增加。完全基于Rockett的數(shù)據(jù)之上的是8初始阻塞的假設。對于漸進失速的性能特性是可適用的?？瓷先]有數(shù)據(jù)適用于突變失速特性。3.2.2 單元數(shù)目漸進失速的研究試驗表示當質(zhì)量流量從失速起始處的流動減少時單元數(shù)目的趨勢。最初形成一到三個單元。當質(zhì)量流量減少時，單元數(shù)量增加。當流量進一步減少時，單元數(shù)目減少，并且最終只有一個大的失速單元。雖然對于這種趨勢是異常的，但是基本上，對于單元數(shù)目以及其后的單元特性是一種趨勢。表示在圖3.3上

5、的試驗結果是選自以個別基準在單塊上單元累加形成的數(shù)據(jù)。針對在由熱線探針探測到的單元數(shù)目之上的流量系數(shù)范圍，根據(jù)每個基準來繪制單元數(shù)目。大多數(shù)完整的數(shù)據(jù)組是來自Rockett的研究。類似的趨勢參考Graham和Prian(1953)，并且存在除了Graham和Prian(1954)的各種其他參考文獻所支持的數(shù)據(jù)集。Huppert等人(1952)文獻中的數(shù)據(jù)表示在低流量系數(shù)下的5單元失速模式，其一般的趨勢是逼近1單元或者通常為非穩(wěn)定流動的區(qū)域(零單元數(shù)目)。Graham和Prian的1954年數(shù)據(jù)表示只有6單元和8單元的失速模式。對于這些單元數(shù)目小范圍的流量系數(shù)表示可能的非穩(wěn)定流動。除了Rocke

6、tt的幾乎所有的參考文獻表示失速的順翼展方向的程度。整體范圍的和局部范圍的模式標注在圖上。如果邊界放置在大多數(shù)數(shù)據(jù)位于的區(qū)域附近，那么單元數(shù)目的分布可以通過如圖3.4所示的來標識。這幅圖表示在圖3.3上試驗數(shù)據(jù)的編制。初始的旋轉失速的信息有1到3個單元。當質(zhì)量流量減少時，存在轉變到4或5個單元。數(shù)目可能牢固地確定或者可能是基本的4單元模式帶有短時間的5單元模式的信息。在低的質(zhì)量流量時，存在確切減少單元數(shù)量的趨勢。雖然最終只剩下一個單元，但是這是如圖3.1所示的非常大的單元。當逼近零流量時，單個單元消失，并且剩下一般不穩(wěn)定的狀態(tài)。在圖3.4上也表示了整體范圍和局部范圍的失速。這個范圍表示在接近流

7、量系數(shù)為0.3處的重疊。只有Rockett(1959)沒有表示葉片跨距的有效距離。圖3.5表示在采用各種參考資料的不同單元數(shù)目值下，流量系數(shù)平均范圍的直方圖。注明由于單元數(shù)目從1到3，所以局部范圍失速比較小。雖然對于Rockett的4單元模式表示沒有局部范圍失速，但是Graham和Prian(1953)表示了一個5單元決不范圍失速結構。對于當單元數(shù)目增加時，局部范圍的流動距離增加是一般趨勢。這反映的事實是在已經(jīng)建立旋轉失速之后，當流量減少時單元數(shù)目快速從1變化到5，并且局部范圍失速轉變?yōu)檎w范圍失速。這章表示主要的整體范圍的單元數(shù)目構成是1，3和4。兩單元構成不是如圖3.3所示的為主要的。圖3

8、.3，3.4和3.5沒有提供一組相關數(shù)據(jù)來預測單元的數(shù)目。只是表示單元數(shù)目可能存在于在不同流量系數(shù)的范圍之上。對于鑒別局部范圍或整體范圍的覆蓋度一樣是正確的。目前，沒有試驗證據(jù)導致失速單元數(shù)目或局部范圍和整體范圍覆蓋度的預測。3.2.3 單元傳播速度七種參考資料的數(shù)據(jù)被編制來描述傳播速度隨失速結構和壓縮機運行條件的變化。然而個別的存在不同的參考資料似乎是給出了相矛盾的結果。Huppert等人(1952)文獻中的數(shù)據(jù)表示當單元數(shù)目增加時傳播速度增加。Graham和Prian（1953）文獻中的數(shù)據(jù)表示雖然傳播速度隨單元數(shù)目有非常小的變化，但是當失速結構從局部范圍變化到整體范圍時存在重要的增加。R

9、ockett(1959)文獻中的數(shù)據(jù)表示當流量系數(shù)減小時傳播速度增加。Fabri和Siestrunck(1957)文獻中表示隨流量系數(shù)存在非常小的變化。如果所有數(shù)據(jù)編制在同一個小塊上，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以繪制出一些合理的圖形。圖3.6表示作為轉子旋轉速度比的失速單元絕對的傳播速度的變化。這幅圖表示作為流量系數(shù)函數(shù)的失速轉速的繪制。注解的第一個觀測是數(shù)據(jù)的分組。數(shù)據(jù)集1是包括1和2單元的分組。數(shù)據(jù)集2包括了從1到5的單元數(shù)目范圍。第三組只有四個點，并且在這個數(shù)據(jù)集上沒有1或的單元數(shù)目。在轉速比為0.82時，根據(jù)Lewis等人(1954)文獻中存在一個孤立的3單元點。數(shù)據(jù)集1和2表示當流量系數(shù)減少時傳

10、播速度緩慢的增加。在數(shù)據(jù)集1上除了在流量系數(shù)為0.3附近有數(shù)據(jù)的散射外，其他的變化完全是線性的。因為在圖3.1上的阻塞隨流量減少而線性增加，這可能得出傳播速度隨環(huán)面阻塞而線性增加。在數(shù)據(jù)集1和2上包含了主要的數(shù)據(jù)點。作為選用的一組，將會得到傳播速度隨流量減少而線性變化，并且這些值是位于1和2組的邊界之內(nèi)。然而在接近的檢驗之上，存在如果分離點是由確定的單元數(shù)目組構成，則能繪制出一幅清晰的圖片。圖3.7表示傳播速度數(shù)據(jù)在下面的圖上繪制的是1和2個失速單元的組，而在上面的圖上繪制的是3、4和5個失速單元組。下方的圖表示在大約為轉子轉速的40時開始的Rockett(1959)文獻中的數(shù)據(jù)。當流量減少時

11、，數(shù)據(jù)增大到45，在一定的流量范圍內(nèi)仍然保持這個值，然后急劇增加到為0.6的值或更高。短劃線表示從一個傳播速度級到下一個級的變化趨勢。Tysl等人(1955)文獻中的數(shù)據(jù)碰巧發(fā)生在這些建議的轉變區(qū)域內(nèi)。這些建議趨勢的理論基礎表示在圖3.3上，圖表示對于局部范圍和整體范圍的失速區(qū)域。在圖3.3上的數(shù)據(jù)的編輯暗示了在高流量的Rockett的數(shù)據(jù)點可能進入局部范圍失速，并且當流量減少時，存在一個到整體范圍失速的轉變。不幸的是，不僅Fabri和Siestrunck的數(shù)據(jù)而且Rockett的都沒有表示失速結構是否是整體范圍的或局部范圍的。 在圖3.7的上面的圖中，在通過短劃線定義的帶狀區(qū)域內(nèi)幾乎包括了關

12、于單元數(shù)目為3，4和5的所有數(shù)據(jù)點。對于Graham和Prian(1953)文獻中兩個失速轉速的低值是局部范圍的失速數(shù)據(jù)。實線連接的點是在0.3和0.4的流量系數(shù)下，關于Huppert等人(1952)文獻中的數(shù)據(jù)，這也是局部范圍的失速數(shù)據(jù)。所有其他根據(jù)Graham和Prian(1953)以及Huppert等人(1952)文獻中的數(shù)據(jù)得到的陰影點是整體范圍的失速點。這些數(shù)據(jù)集借給說明的穩(wěn)定性在下面關于有1和2個失速單元的結構的圖中給出了一定的趨勢。3.3 離心壓縮機 在離心壓縮機中旋轉失速的復雜性使得假設的任何廣義相關具有挑戰(zhàn)性。圖2.115，2.116，2.117，2.135和2.138表示在

13、相對于頻率和單元數(shù)目的確定數(shù)據(jù)集之中的相互關系。然而由于趨勢是幾何關系的，且低速實驗結果可能沒有應用在發(fā)動機運行時的相關葉輪末端轉速處，所有一般化是不可能的。甚至對于一個給定的幾何形狀，單元數(shù)目隨末端轉速變化，并且有些單元數(shù)目時瞬時的。而且對于流量系數(shù)，離心壓縮機集體需要相關的單元特征和幾何形狀。阻塞需要被證明以及包含在數(shù)據(jù)顯示內(nèi)。 另一方面，確定的趨勢是從當前的數(shù)據(jù)庫開始演變。表3-1表示在第2章中出現(xiàn)的結果總表。這個表表示從不同參考文獻中獲得的單元數(shù)目以及單元轉速。葉輪試驗結果表示單元數(shù)目在相對于葉輪旋轉方向移動時能從1到2單元變化，且在葉輪旋轉方向上移動時為15單元。無葉擴壓器的失速總是

14、在葉輪旋轉方向上，且單元數(shù)目從1變化到4。葉片擴壓器的失速似乎總是在葉輪方向上移動；當移動在相對于葉輪旋轉方向時，失速實際上可能是轉子失速或是轉子驅使的擴壓器失速。單元數(shù)目從1變化到7，并且在這個范圍之上，高數(shù)目的出現(xiàn)是瞬時的而低數(shù)目的出現(xiàn)是建立在旋轉失速基礎上的。3.4 結語對于單元數(shù)目和傳播速度表示的這些信息顯示了由兩種壓縮機類型的數(shù)據(jù)給出的趨勢。這些數(shù)據(jù)集合不能展現(xiàn)怎樣通過預測單元數(shù)目來要求什么時候旋轉失速開始，并且這些數(shù)據(jù)又不能表示在軸流壓縮機里怎樣來預測失速結構是否屬于局部范圍或整體范圍。如果對于軸流壓縮機能預測這兩種特征，則從圖3.7上可以估算傳播速度，從圖3.1上估計單元的寬度。

15、作為一個可供選擇的方案，第6章包括了理論上企圖來預測失速特性以及更好理解失速的動力學。然而在討論這個分析工作之前，第4章包括了喘振的主題，然后在第5章中討論的是在多級機械上的失速和喘振的影響。致謝Figure3.1 is based on a figure from Rockett, J.A., “Modulation Phenomena in Stall Propagation,” Transactions of the ASME-Journal of Basic Engineering, September 1959, pp. 417-425, and is used with permi

16、ssion of The American Society of Mechanical Engineers.參考文獻Fabri，J，and Siestrunck，R，“Rotating Stall in Axial Flow Compressors,” Journal of the Aeronautical Sciences, November 1957, pp. 805-812,820.Graham, R.W., and Prian，V.D., “Experimental and Theoretical Investigation of Rotating-Stall Characterist

17、ics of Single-Stage Axial-Flow Compressor with Hub-Tip Ratio of 0.76,” NACA RM E53I09, 1953.Graham, R.W., and Prian，V.D., “Rotating Stall Investigation of 0.72 Hub-Tip Ratio Single-Stage Compressor,” NACA RM E53L17a, 1954.Huppert, M.C., Johnson, D. F., and Costilow, E.L., “Preliminary Investigation

18、of Compressor Blade Vibration Excited by Rotating Stall,” NACA RM E52J15, December 1952.Lewis, G.W., Jr., Schwenk, F.C., and Serovy, G.K., “Experimental Investigation of a Transonic Axial-Flow Compressor Rotor with Double-Circular-Arc Airfoil Blade Sections. I-Design, Over-All Performance, and Stall Characteristics,” NACA RM E53L21a, 1954.Rockett, J.A., “Modulation Phenomena in Stall Propagation,” Transactions of the ASME-Journal of Basic Engineering,