壓縮機(jī)的喘振與失速-譯文第5章

1、第5章 多級(jí)壓縮機(jī)5.1 導(dǎo)論為了滿足性能和穩(wěn)定運(yùn)行的并行要求，必須細(xì)心執(zhí)行通過單級(jí)的聯(lián)合到形成多級(jí)壓縮機(jī)。目標(biāo)是為了獲得理想的循環(huán)壓比和效率，并且提供了為了穩(wěn)態(tài)和順態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。全部的多級(jí)壓縮機(jī)特性線圖，在單級(jí)間存在矛盾的性能匹配。在一個(gè)軸流壓縮機(jī)上，在多級(jí)組中沒有獲得第1級(jí)性能的全部范圍。在非常低的轉(zhuǎn)速時(shí)，在組中最后一級(jí)的小面積強(qiáng)迫使第一級(jí)運(yùn)行時(shí)接近于喘振或失速。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，全部的壓比得到發(fā)展，且第一級(jí)運(yùn)行接近于節(jié)流。另一方面，依賴于第一級(jí)和最后一級(jí)的配合以及其流量范圍，當(dāng)?shù)谝患?jí)仍然運(yùn)行在穩(wěn)定范圍時(shí)，最后一級(jí)可能引起了喘振。在50和70的轉(zhuǎn)速之間，在多級(jí)喘振之前的有一級(jí)或

2、多級(jí)的旋轉(zhuǎn)失速是普通的。在這章中將評(píng)述多級(jí)特性。然而在試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)之前，將討論復(fù)雜的級(jí)間匹配出現(xiàn)的背景以及理解單級(jí)性能聯(lián)合程度的要求。通過4個(gè)獨(dú)立級(jí)間的模型性能來計(jì)算4級(jí)軸流壓縮機(jī)的性能。這種練習(xí)將闡明獨(dú)立級(jí)間的性能匹配，并且為解釋試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置了理解基礎(chǔ)。5.2 級(jí)間匹配在多級(jí)壓縮機(jī)中，只有使用了獨(dú)立級(jí)的部分的性能特性。在任何給定轉(zhuǎn)速下，一些級(jí)的流量范圍可以允許在不同級(jí)范圍的有限量上運(yùn)行。這決定了多級(jí)組的凈流量范圍。同樣的在變化的級(jí)中，效率可能沒有達(dá)到明顯一致的峰值。為了闡明典型的多級(jí)匹配，在壓縮機(jī)四個(gè)級(jí)聯(lián)合形成4級(jí)組的工作特性上提出了討論。從大陸航空工程公司(1966)在圖2.22所示的性能

3、之后模擬出獨(dú)立級(jí)的工作特性。這幅性能特性圖有多級(jí)匹配需要的性能范圍。規(guī)格參數(shù)表顯示了從40到100轉(zhuǎn)速以及從節(jié)流到喘振。另外，兩條轉(zhuǎn)速線表示允許喘振的性能。這提供了估計(jì)在不同轉(zhuǎn)速下流量低于喘振時(shí)的壓比特性的良好基礎(chǔ)。為了產(chǎn)生在匹配時(shí)出現(xiàn)的失速特性，在圖3.4上從失速單元總表建立了假設(shè)的失速結(jié)構(gòu)。為了確定在流量小于喘振時(shí)的性能和失速結(jié)構(gòu)，根據(jù)流量特性重新繪制圖2.22得到所示的圖5.1。在圖上顯示了流量系數(shù)的定義。對(duì)于多級(jí)圖解的目的選擇的最大單元數(shù)目是4。在圖3.3上數(shù)據(jù)集的分布暗示了平均失速結(jié)構(gòu)是1個(gè)起初形成3個(gè)單元，隨后增加到4，然后減少到3，隨后是2，1，然后是大規(guī)模的湍流。對(duì)于這幅圖是選

4、擇離散的接觸面。實(shí)際模式大概存在關(guān)于1、3、4單元出現(xiàn)瞬時(shí)重疊的較寬范圍的流量系數(shù)。由于這筆練習(xí)需要的更復(fù)雜，所以沒有包括。圖2.22上的喘振線也表示在這幅圖上，并且作為單級(jí)模式的喘振線使用。為了獲得關(guān)于第1級(jí)的壓縮機(jī)特性線圖，在圖5.1上定義的失速特性被調(diào)換到圖2.22上，且結(jié)果顯示在圖5.2上。在100、90、70和50的轉(zhuǎn)速下歸納了壓比特性。歸納作為在這幅圖上表示的效率特性也是非常必要的。在這幅圖上顯示了用失速數(shù)目表示每個(gè)區(qū)域的失速區(qū)域。關(guān)于喘振與失速特性的模型圖給出了合理的解釋。當(dāng)獲得峰值壓比時(shí)，末端失速開始。最終喘振發(fā)生。在喘振循環(huán)恢復(fù)部分的過程中，3單元局部范圍旋轉(zhuǎn)失速出現(xiàn)在70或

5、更高的轉(zhuǎn)速上。在60轉(zhuǎn)速以下，在喘振過程中的旋轉(zhuǎn)失速是4單元。當(dāng)流量減少且運(yùn)行變?yōu)榉€(wěn)定時(shí)，在60轉(zhuǎn)速上的失速結(jié)構(gòu)從3個(gè)局部范圍的單元變化到在躍遷到整體范圍失速的4個(gè)。在較低轉(zhuǎn)速時(shí)，單元數(shù)目逐漸減少到1并且最終在足夠的轉(zhuǎn)速時(shí)，存在簡單的大規(guī)模的湍流。作為單獨(dú)的級(jí)聚合在一起將遇到這些模式。從第1級(jí)的線圖闡述了關(guān)于第2、3和4級(jí)的壓縮機(jī)特性線圖。當(dāng)校正關(guān)于第1級(jí)出口條件時(shí)，在圖上表示設(shè)計(jì)點(diǎn)的條件變?yōu)殛P(guān)于第2級(jí)的校正設(shè)計(jì)點(diǎn)流量和轉(zhuǎn)速，以及其他兩級(jí)的條件等。其次，必須進(jìn)行決定選擇參考轉(zhuǎn)速和流量在圖5.2上用來模擬其他級(jí)的情況。平常在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和流量下的有關(guān)多級(jí)分組建立了矢量圖。損失、阻塞以及轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)能被

6、應(yīng)用來估計(jì)獨(dú)立級(jí)的線圖。有許多方法規(guī)定了設(shè)計(jì)條件級(jí)載荷，限制的擴(kuò)壓因子等。由于在這里沒有使用這個(gè)過程，所以決定選擇基于近似相等工作的級(jí)間的設(shè)計(jì)匹配點(diǎn)。這是闡明級(jí)間匹配的合理假設(shè)。對(duì)于第2級(jí)有如同第1級(jí)大約相同的工作，并且在特性線圖上使用通用的點(diǎn)表示選擇的第2級(jí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，選擇第1級(jí)90的速度特性作為在圖5.3上顯示。對(duì)于第2級(jí)就變?yōu)?00的速度特性線。在這種轉(zhuǎn)速下選擇的設(shè)計(jì)點(diǎn)流量是在最大效率處。當(dāng)校正第1級(jí)出口條件時(shí)，設(shè)計(jì)點(diǎn)流量當(dāng)然與在圖上表示的流量不同。因此必須應(yīng)用到的流量數(shù)量，并且顯示在這幅圖的右下側(cè)。為了清楚的表述，雖然失速特性不再重復(fù)，但是規(guī)定了與顯示在圖5.2的那些相同。特別的，對(duì)于第

7、2級(jí)100速度特性的失速模式與在第1級(jí)90速度線的第1級(jí)失速模式相同。圖上的x坐標(biāo)是下面要討論的非設(shè)計(jì)匹配點(diǎn)。相同的逼近(近似相等的工作和使用的流量數(shù)量)將第1級(jí)特性線圖的應(yīng)用來達(dá)到第3和4級(jí)的模型。結(jié)果顯示在圖5.4和圖5.5上。作為圖5.3上表示第1級(jí)85的速度線上挑選出的設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇為第3級(jí)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。作為圖5.4上表示第1級(jí)80的速度線上挑選出的設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇為第4級(jí)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。流量的數(shù)量顯示在兩幅圖的右下側(cè)。當(dāng)進(jìn)行匹配運(yùn)算時(shí)，在兩條已確立的速度線上插入獲得的數(shù)據(jù)是必要的。這是通過在圖上顯示x坐標(biāo)的半直線來表示。也注明了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù)值是為了獨(dú)立級(jí)間選擇的失速轉(zhuǎn)速的校準(zhǔn)。計(jì)算程序是使用從基

8、于那個(gè)級(jí)出口溫度的前級(jí)和熱力學(xué)級(jí)的校正速度和流量的組合。例如，為了獲得第2級(jí)校正流量的匹配點(diǎn)，從第1級(jí)的流量是通過校正其出口壓力與溫度來獲得關(guān)于第2級(jí)的參考校正流量。然后應(yīng)用流量的數(shù)量來獲得實(shí)際校正流量的尺寸。第1級(jí)的旋轉(zhuǎn)速度由于校正其出口溫度來獲得第2級(jí)的校正速度。然后應(yīng)用速度量獲得實(shí)際校正的轉(zhuǎn)子速度。例如當(dāng)校正其出口溫度時(shí)，雖然第1級(jí)100的速度是92.6，但是90的速度線用來作為第2級(jí)100的速度線。因此，也就是說速度標(biāo)量是0.972。所以匹配點(diǎn)的位置是由圖上第2、3和4級(jí)的x坐標(biāo)表示。在圖5.6上顯示的結(jié)果是4級(jí)壓縮機(jī)特性線圖。計(jì)算局限在100、70和50的轉(zhuǎn)速。這已充分顯示了4級(jí)連接

9、組成的匹配結(jié)果。喘振流量是選擇在壓比特性的導(dǎo)數(shù)將隨著流量的輕微減少變?yōu)檎堤幍哪切┝髁俊Ｔ诙嗉?jí)軸流壓縮機(jī)中不一定是這種狀態(tài)。喘振能在這種狀態(tài)之前發(fā)生，依賴于失速狀態(tài)的強(qiáng)度導(dǎo)致了這種狀態(tài)。然而使用這種標(biāo)準(zhǔn)將產(chǎn)生多級(jí)壓縮機(jī)的失速特征。從圖5.7一直到5.10顯示了4個(gè)性能特性匹配的影響。在圖上包括了多幅的隨重疊的獨(dú)立級(jí)的失速與喘振特性的4級(jí)線圖。每一個(gè)重疊表示作為4級(jí)匹配結(jié)果的在獨(dú)立級(jí)圖上截取的不同失速區(qū)域。獨(dú)立級(jí)的喘振線也如參考資料中的所示。實(shí)踐表示獨(dú)立級(jí)的喘振線不需要變?yōu)槎嗉?jí)組的喘振線。這條線變?yōu)槎嗉?jí)壓縮機(jī)的失速線，并且作為產(chǎn)生負(fù)向斜率壓比特性的其他級(jí)相互作用的結(jié)果將會(huì)獲得穩(wěn)定運(yùn)行。圖5.7表

10、示在4級(jí)特性線圖上第1級(jí)特性的重疊。在100轉(zhuǎn)速時(shí)選擇的4級(jí)喘振流量下，第1級(jí)末端失速剛剛開始，并且第1級(jí)的喘振流量發(fā)生在小于4級(jí)喘振點(diǎn)的流量處。在70轉(zhuǎn)速時(shí)，第1級(jí)的失速模式覆蓋了多數(shù)的4級(jí)流量范圍。當(dāng)峰值效率逼近時(shí)，末端失速開始。第1級(jí)喘振流量(當(dāng)作為孤立級(jí)試驗(yàn)時(shí))發(fā)生在峰值效率處，并且在流量時(shí)伴隨有3和4單元的旋轉(zhuǎn)失速模式。4級(jí)的喘振不可能要求在第1級(jí)喘振時(shí)的流量處；可能代替的是可聽見的高頻顫動(dòng)的噪音。在50的轉(zhuǎn)速時(shí)，通過第1級(jí)的失速模式覆蓋了所有的4級(jí)流量范圍。節(jié)流發(fā)生在末端失速處，隨后在低流量時(shí)有第1級(jí)喘振點(diǎn)和4與3單元失速模式。對(duì)于第1級(jí)在低流量時(shí)處于失速狀態(tài)以及在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)決定多

11、級(jí)的節(jié)流是普通的。圖5.8表示在4級(jí)特性線圖上的第2級(jí)特性的重疊。在所有轉(zhuǎn)速時(shí)，第2級(jí)末端失速出現(xiàn)大約部分通過流量范圍。第2級(jí)喘振線實(shí)際上與4級(jí)喘振線一致。在50的轉(zhuǎn)速時(shí)，4個(gè)失速單元在4級(jí)喘振之前出現(xiàn)。在50和70的轉(zhuǎn)速下的失速圖片不如第1級(jí)的劇烈。圖5.9表示在4級(jí)特性線圖上的第3級(jí)特性的重疊。在100的轉(zhuǎn)速時(shí)，末端失速出現(xiàn)部分的通過流量范圍。在50和70的轉(zhuǎn)速時(shí)，末端失速正好在4級(jí)喘振時(shí)開始。在圖5.1上，第4級(jí)的失速特征沒有起到影響在50和70轉(zhuǎn)速時(shí)喘振的作用。在100轉(zhuǎn)速時(shí)，末端失速恰好在4級(jí)喘振點(diǎn)開始。這個(gè)4級(jí)模式顯示了多級(jí)壓縮機(jī)典型的喘振與失速特征。通過如圖5.5所示的第4級(jí)來表

12、示在50和70轉(zhuǎn)速下的節(jié)流。其他各級(jí)間的相互匹配防止了從作為對(duì)圖5.10和5.9上分別顯示的4級(jí)喘振與失速起作用的第4級(jí)以及第3級(jí)。另一方面第1級(jí)被強(qiáng)迫在50轉(zhuǎn)速的所有流量以及70轉(zhuǎn)速的大部分流量的某種失速條件下運(yùn)行。因?yàn)樵?00和70轉(zhuǎn)速時(shí)的峰值壓比出現(xiàn)在第2級(jí)喘振上，所以第2級(jí)對(duì)4級(jí)喘振起決定作用。與第1級(jí)所有的旋轉(zhuǎn)失速特征一致，這將明確的規(guī)定了4級(jí)喘振。在100轉(zhuǎn)速時(shí)，第2和3級(jí)在流量范圍的大半部分都出現(xiàn)末端失速。當(dāng)?shù)?和4級(jí)末端失速開始時(shí)，這些中間級(jí)將會(huì)最終啟動(dòng)4級(jí)的喘振。由于在四個(gè)級(jí)間的設(shè)計(jì)點(diǎn)流量匹配的選擇以及在性能模式中假定的流量范圍，所以在這個(gè)實(shí)例中這種情況不會(huì)發(fā)生。在50和70

13、轉(zhuǎn)速下對(duì)于4級(jí)組的合成失速單元模式取決于前兩級(jí)獨(dú)立的失速模式的耦合。在50轉(zhuǎn)速時(shí)，由于第2級(jí)沒有處于失速狀態(tài)，所以第1級(jí)的4單元失速模式占優(yōu)勢(shì)。當(dāng)?shù)?級(jí)末端失速開始時(shí)，第1級(jí)有3個(gè)失速單元，且這級(jí)可能依然決定了主要模式。在較低流量時(shí)，第2級(jí)變化到4個(gè)單元而第1級(jí)有3個(gè)單元。這將是在3和4單元之間轉(zhuǎn)換或形成其他多重的周期旋轉(zhuǎn)失速單元的條件。最終達(dá)到了第2級(jí)的喘振線，并且促成了4級(jí)的喘振。這個(gè)實(shí)例用來闡明多級(jí)壓縮機(jī)要求的喘振與失速特性。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，入口的級(jí)要求定義為多級(jí)節(jié)流，并且中間級(jí)或末級(jí)被期望決定失速與喘振。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，末級(jí)決定節(jié)流，且這使得第1級(jí)進(jìn)入失速狀態(tài)。沒有復(fù)雜的級(jí)間匹配計(jì)算，可以非常

14、簡單的闡明這點(diǎn)?？紤]了對(duì)于第4級(jí)(圖5.5)在50轉(zhuǎn)速下的節(jié)流值。當(dāng)流量被校正為如圖5.5上的流量標(biāo)量，節(jié)流量為8.4Ibsec，且在近似的大氣壓條件下(壓比等于1)。在這個(gè)流量時(shí)，第1級(jí)(圖5.2)處于失速狀態(tài)。在50的轉(zhuǎn)速和以下時(shí)，以及在50轉(zhuǎn)速之上的一些速度范圍，因此旋轉(zhuǎn)失速模式將要求出現(xiàn)在4級(jí)壓縮機(jī)上。在下一部分，自許多的多級(jí)壓縮機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將研究如何證實(shí)。5.3 多級(jí)壓縮機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在于類似于在上文顯示的分析模式中描述的實(shí)際多級(jí)軸流壓縮機(jī)的喘振與失速特性的許多參考資料中。失速單元結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速以及詳細(xì)的喘振循環(huán)可通過熱線風(fēng)速儀和靜壓傳感器來測(cè)量。當(dāng)對(duì)作為獨(dú)立級(jí)以及作為多級(jí)組中的一

15、段測(cè)試時(shí)，引入試驗(yàn)來決定獨(dú)立級(jí)在喘振與失速特性上的相互作用。試驗(yàn)也被引入來決定儲(chǔ)液器容量在喘振與失速特性上的影響。5.3.1 NACA的10級(jí)軸流壓縮機(jī)在1953年，為了進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的探索，NACA設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了1個(gè)10級(jí)亞音速軸流研究壓縮機(jī)。圖5.11顯示了這個(gè)壓縮機(jī)的橫截面。末端流跡的半徑是20英寸。設(shè)計(jì)壓縮機(jī)達(dá)到在校正質(zhì)量流量為57.5Ibsec時(shí)的整體壓比為6.45:1。安裝葉片設(shè)計(jì)為軸對(duì)稱的速度分布圖以及從中心到末端近似以恒定功率增加?？諝鈩?dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是Johnsen(1952)文獻(xiàn)中報(bào)道，并且試驗(yàn)結(jié)果在Budinger和Thomson(1952)文獻(xiàn)中出現(xiàn)。喘振與失速特性在Hup

16、pert等人(1953)的文獻(xiàn)中出現(xiàn)過。熱線風(fēng)速儀被安裝在如圖5.11上定義的2到22測(cè)量點(diǎn)。探針位于前4級(jí)，第7級(jí)以及第10級(jí)的出口處。其他的探針放在轉(zhuǎn)子1和5的后面。所有的探針都被安裝在徑向旋轉(zhuǎn)的激勵(lì)器上。這個(gè)儀器設(shè)備允許在旋轉(zhuǎn)失速如同通過壓縮機(jī)長度的軸向旋轉(zhuǎn)失速持續(xù)性過程中的流量脈沖振幅徑向變化的測(cè)定。另外，兩個(gè)或多個(gè)探針安裝在轉(zhuǎn)子1、定子1和轉(zhuǎn)子5之后來決定在這些位置處失速區(qū)域的數(shù)目。壓力傳感器放置在入口的0測(cè)點(diǎn)以及壓縮機(jī)出口的23和24測(cè)點(diǎn)。輪蓋靜壓以及通道中部的總壓是在0測(cè)點(diǎn)處測(cè)量。氣缸靜壓是在23測(cè)點(diǎn)處測(cè)量，而中部通道總壓是在24測(cè)點(diǎn)處測(cè)量。圖5.12顯示了壓縮機(jī)的性能。除了采用

17、不同速度定義線上的點(diǎn)之外，另外的點(diǎn)是采用在70和80速度之間更為精確定義的喘振線。熱線探針在50、60和70轉(zhuǎn)速是探測(cè)到旋轉(zhuǎn)失速。圖5.13顯示了旋轉(zhuǎn)失速位置處的質(zhì)量流量區(qū)域。在50轉(zhuǎn)速時(shí)，從節(jié)流到喘振的整個(gè)流量范圍上發(fā)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)失速模式。在這個(gè)范圍之上，失速單元數(shù)目從3變化到7，分別的從節(jié)流到喘振。在60轉(zhuǎn)速時(shí)，在流量稍微低于節(jié)流流量時(shí)發(fā)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)失速；失速結(jié)構(gòu)從這個(gè)流量下的3個(gè)單元變化到接近喘振時(shí)的4個(gè)單元。在70轉(zhuǎn)速時(shí)，旋轉(zhuǎn)失速局限到接近喘振時(shí)的流量處，且只探測(cè)到3個(gè)單元。在這個(gè)試驗(yàn)上獲得的數(shù)據(jù)總結(jié)在表51中，主要是采用Huppert等人(1953)的文獻(xiàn)。作用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度比的失速轉(zhuǎn)速在57

18、的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速平均值時(shí)近似為恒量。這低于期望的基于單級(jí)數(shù)據(jù)繪制的圖3.7上關(guān)于失速結(jié)構(gòu)為3個(gè)或多個(gè)單元。然而，當(dāng)流量減少時(shí)在失速轉(zhuǎn)速上有輕微的增加，這個(gè)圖3.7上顯示的趨勢(shì)一致。這是基于圖5.13表示失速單元數(shù)目隨流速減小而增加的事實(shí)。根據(jù)分布于整個(gè)壓縮機(jī)的熱線探針的示波圖，可能判定出通過壓縮機(jī)長度的失速區(qū)域是否是螺旋的。這個(gè)決定可以從附錄A中的Huppert等人(1953)文獻(xiàn)中描述的方法進(jìn)行估計(jì)。這個(gè)結(jié)果表示少量或沒有螺旋式的失速單元。探針分布也顯示了從轉(zhuǎn)子1出口到轉(zhuǎn)子5出口的每個(gè)失速模式中的單元數(shù)目是相同的，并且失速影響的僅是葉片的上半部分。圖5.14顯示了轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子5在葉片中心，中間以及

19、末端之間波形圖的比較。在這三個(gè)徑向位置處的波形對(duì)于壓縮機(jī)內(nèi)的兩個(gè)位置上的是非常相似。圖5.15顯示了對(duì)轉(zhuǎn)子1和定子7繪制的示波圖。相對(duì)于圖5.14，脈動(dòng)的波形與振幅在定子7出口處嚴(yán)重減弱。在壓縮機(jī)出口的結(jié)果顯示了相同的衰減，這表示失速單元的流動(dòng)混合以及分解。在50、60以及70轉(zhuǎn)速時(shí)通過壓縮機(jī)流量脈動(dòng)的變化分別地概括在圖5.16、5.17以及5.18中。這些圖顯示了作為在轉(zhuǎn)子末端處的流量脈動(dòng)比的每個(gè)軸向測(cè)點(diǎn)的流量脈動(dòng)。每一幅圖都是通過壓縮機(jī)變化位置的中心、中間以及末端的流量脈動(dòng)變化圖，并且數(shù)據(jù)集是由在每個(gè)轉(zhuǎn)速下觀測(cè)到的每個(gè)失速模式提供。作者指出構(gòu)成這些圖的點(diǎn)代表了一些波形圖在每一點(diǎn)的平均。因此

20、這些圖代表了流量脈動(dòng)振幅的平均分布。在一些圖上的短劃線表示圖中受影響區(qū)域上數(shù)據(jù)的不足。圖5.16表示了在50的轉(zhuǎn)速下通過壓縮機(jī)流量脈動(dòng)振幅的分布。在圖5.16ae上顯示了分別隨單元數(shù)目從3變化到7的失速模式的分布。這些圖表示脈動(dòng)持續(xù)通過低4級(jí)然后在轉(zhuǎn)子5上急劇下降。在圖5.16a和b上，末端脈動(dòng)在有三到四個(gè)單元失速模式的第2級(jí)出現(xiàn)峰值。在圖5.16c和e上，峰值出現(xiàn)在有五個(gè)單元的第3級(jí)和有七個(gè)單元的第4級(jí)。在圖5.16d上峰值是通過適合6單元模式的第24級(jí)同等的均分。中間以及中心的分布通常遵循這種趨勢(shì)。雖然脈動(dòng)在第5級(jí)處急劇下降，但是峰值脈動(dòng)的位置之上部分地適合末端的結(jié)果。在中間和中心時(shí)，類似

21、于末端脈動(dòng)，峰值出現(xiàn)在單元數(shù)目為3和4的第2級(jí)。對(duì)于5個(gè)單元，雖然類似于末端脈動(dòng)，中間徑向的峰值出現(xiàn)在第3級(jí)，但是中心處的峰值繼續(xù)保持在第2級(jí)。對(duì)于6個(gè)單元，中間徑向脈動(dòng)第2級(jí)出現(xiàn)峰值在且在隨后的級(jí)中減少，然而末端脈動(dòng)在第2、3和4級(jí)上保持恒值。對(duì)中心處作比較觀測(cè)顯示了沒有足夠的數(shù)據(jù)。對(duì)于7個(gè)單元(圖5.16e)，中間徑向和中心的脈動(dòng)在第3級(jí)出現(xiàn)峰值，然而末端脈動(dòng)在第4級(jí)出現(xiàn)峰值?？傊?0的轉(zhuǎn)速時(shí)，在級(jí)上的脈動(dòng)最大趨向是從中心變化到末端。圖5.17a和b表示對(duì)于單元數(shù)目為3和4在60轉(zhuǎn)速時(shí)通過壓縮機(jī)的流量脈動(dòng)振幅的分布。對(duì)于3個(gè)失速單元(圖5.17a)，雖然對(duì)于末端和中間脈動(dòng)的峰值振幅出現(xiàn)在

22、第2級(jí)，但是中心脈動(dòng)的峰值振幅出現(xiàn)在第4級(jí)。末端和中間脈動(dòng)在轉(zhuǎn)子5處急劇減小。在4個(gè)失速單元時(shí)(圖5.17b)，對(duì)于所有三種徑向位置處的振幅峰值不相同。然而末端和中間的分布在轉(zhuǎn)子5處再次急劇減小。圖5.18表示對(duì)于3個(gè)失速單元在70轉(zhuǎn)速時(shí)的分布。雖然末端和中間的振幅峰值在不同的級(jí)上出現(xiàn)，但是如另外兩種轉(zhuǎn)速一樣，脈動(dòng)在轉(zhuǎn)子5處急劇減少。作者指出不可能確定是那一級(jí)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)失速。然而他們也注明在40轉(zhuǎn)速時(shí)，旋轉(zhuǎn)失速被探測(cè)到在定子2之后，而不是在安裝探針的其他任何葉排之后，甚至不在轉(zhuǎn)子1的出口。如同通過5.2部分?jǐn)?shù)例的表示，將期望通過級(jí)間匹配來考慮表示第1級(jí)啟動(dòng)失速。然而數(shù)據(jù)集表示在第2級(jí)之后比轉(zhuǎn)子1

23、之后的脈動(dòng)強(qiáng)烈。如同作者表明的，當(dāng)對(duì)于第2級(jí)的脈動(dòng)比較高時(shí)，也許可能是由第2級(jí)啟動(dòng)失速或擴(kuò)大第1級(jí)的失速。由于3個(gè)失速單元從50和70轉(zhuǎn)速時(shí)顯示的數(shù)據(jù)也顯著地表示第4級(jí)的脈動(dòng)逐漸變大。從級(jí)間匹配考慮將期望失速啟動(dòng)級(jí)是位于當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)的壓縮機(jī)后段。在這個(gè)試驗(yàn)中主要關(guān)心的是由于旋轉(zhuǎn)失速單元強(qiáng)迫頻率的影響導(dǎo)致潛在的葉片和輪葉的斷裂。雖然在這個(gè)試驗(yàn)中沒有發(fā)生斷裂，但是在入口導(dǎo)葉片上的葉片與基座的接觸點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)裂痕。然而潛在的疲勞失效比較高。表52表示了根據(jù)坎貝爾圖上關(guān)于入口導(dǎo)葉片與不同級(jí)間葉片的干涉點(diǎn)的分布。這些點(diǎn)也表示了有關(guān)的基頻與第1、2級(jí)諧頻。圖上包括變化的失速模式提供了在不同轉(zhuǎn)速百分比時(shí)的變化級(jí)

24、葉片上的潛在強(qiáng)制函數(shù)。作為圖中所示，疲勞破壞可能存在于從40到70的轉(zhuǎn)速時(shí)，并且影響所有的級(jí)。由失速模式激勵(lì)的唯一基頻是入口導(dǎo)葉片與定子1的頻率。對(duì)于其他葉片，失速模式激勵(lì)出第1、2級(jí)諧頻。對(duì)于喘振研究只在50轉(zhuǎn)速時(shí)得到熱線數(shù)據(jù)。探針上的金屬線失效阻止了對(duì)60和70轉(zhuǎn)速時(shí)的喘振研究。試驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告是在轉(zhuǎn)子1入口與出口處；轉(zhuǎn)子5出口處；定子3、7和10出口處。波形圖的數(shù)據(jù)集是采用圖5.13上點(diǎn)處的，顯示了在喘振前的7失速單元的模式。波形圖的數(shù)據(jù)表示喘振由大的單個(gè)旋轉(zhuǎn)失速單元在從中心和末端整個(gè)徑向距離上延伸而開始。圖5.19表示在喘振前的瞬時(shí)事件。左側(cè)的波形圖表示7個(gè)失速單元的失速頻率為340cp

25、s或獨(dú)立單元的頻率為48.6cps的波形。波形表示采用轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子5出口處的數(shù)據(jù)。當(dāng)失速模式變化時(shí)對(duì)于轉(zhuǎn)子1的波形也將變化。關(guān)于中心的波形在流速上存在急劇下降表明了喘振的開始。這幅圖表明在喘振發(fā)生之前大的失速單元延續(xù)了30毫秒。雖然失速單元持續(xù)背離轉(zhuǎn)子5足夠遠(yuǎn)，但是當(dāng)激勵(lì)起喘振時(shí)質(zhì)量流量減小的速率更加緩慢。壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)的一個(gè)周期為12毫秒。這意味著當(dāng)大的單元出現(xiàn)在壓縮機(jī)進(jìn)入喘振之前時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)2.5次。圖5.20表示在較長時(shí)間量程上喘振循環(huán)過程中的事件。這幅圖表示壓縮機(jī)出口壓力、轉(zhuǎn)子1的流速以及入口總壓的瞬時(shí)變化。大的失速單元的存在觸發(fā)了導(dǎo)致突變排出的出口壓力正向通過壓縮機(jī)的不穩(wěn)定性。這導(dǎo)致流速下

26、降并且入口壓力增加。在下一個(gè)二分之一秒上，出口壓力持續(xù)下降，并且流速恢復(fù)到單元喘振之前的值。這將表明當(dāng)壓縮機(jī)抽入新鮮的供應(yīng)空氣時(shí)通過試驗(yàn)臺(tái)出口管道減少出口高壓。最終當(dāng)壓縮機(jī)開始從失速恢復(fù)時(shí)，出口壓力減小到最小。流速峰值出現(xiàn)在這一點(diǎn)，然后減小到喘振前的值。在這段時(shí)間(大約1秒)過程中，出口壓力持續(xù)增加。在這個(gè)增加過程中，熱線探針探測(cè)到3個(gè)失速單元在140cps的頻率上旋轉(zhuǎn)或者對(duì)于單個(gè)單元頻率為46.7cps。這實(shí)際上是相同的單個(gè)單元的頻率如同在喘振前的7單元模式的頻率。最終，出口壓力的峰值出現(xiàn)，并且系統(tǒng)的不穩(wěn)定性阻止其維持超過200毫秒。喘振又一次被激勵(lì)，并且循環(huán)重復(fù)。喘振循環(huán)的頻率大約是0.6

27、cps，如同通過波形圖表明的。從轉(zhuǎn)子1后面的探針記錄的波形圖表示在失速恢復(fù)過程中大的失速單元與失速模式的徑向范圍。圖5.21表示在中心、中間以及末端流速脈動(dòng)的跡線。相對(duì)于圖5.19表示在喘振之前和過程中的事件嚴(yán)重壓縮了其時(shí)間量程。左側(cè)的跡線表示對(duì)于局部范圍7單元模式的波形。對(duì)于整體范圍單個(gè)單元模式的不連續(xù)變化明顯是可以確認(rèn)的。從這幅圖中的數(shù)據(jù)將出現(xiàn)低頻率脈動(dòng)的流速能激勵(lì)喘振。如果根據(jù)流速脈動(dòng)的出口流量正向通過壓縮機(jī)，那么能阻止完整通過壓縮機(jī)排出的唯一方法是通過旋轉(zhuǎn)的組阻止從入口到達(dá)的高壓流量來產(chǎn)生足夠高的壓力響應(yīng)。如果流量脈動(dòng)足夠低(或者周期足夠長)，那么高壓流量能達(dá)到入口并且喘振將被激勵(lì)。1

28、0級(jí)組合的長度大約是34英寸。假設(shè)聲速是1000fps，那么出口流速將花3毫秒到達(dá)入口。雖然大的失速單元的周期是30毫秒，但是在這個(gè)脈沖內(nèi)將出現(xiàn)遠(yuǎn)小于3毫秒周期的高頻率變動(dòng)。然而在脈沖結(jié)束(接近圖5.19的中心)時(shí)，存在一個(gè)3毫秒的流速下降。對(duì)于高壓可能需要足夠長的時(shí)間沿著壓縮機(jī)足夠遠(yuǎn)的長度起反應(yīng)和排出流量將啟動(dòng)喘振。圖5.22顯示的在轉(zhuǎn)子1和定子3、7與10之后的末端徑向位置的波形跡線支持這條。數(shù)據(jù)集表示單個(gè)單元模式是普遍深入到整個(gè)壓縮機(jī)。這給出低頻脈動(dòng)能允許通過壓縮機(jī)長度的高壓脈沖流動(dòng)時(shí)間來激勵(lì)喘振的論點(diǎn)的可信度。這些多級(jí)數(shù)據(jù)集提供觀測(cè)在單級(jí)試驗(yàn)中沒有探測(cè)到第4章中討論的結(jié)果的喘振起始狀態(tài)

29、。類似于一些單級(jí)結(jié)果，由多單元失速模式領(lǐng)先于喘振。然而觸發(fā)多級(jí)喘振的是單個(gè)單元突變的、短暫的轉(zhuǎn)換。接近于喘振點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)失速模式有7個(gè)在葉片上半部分存在劇烈脈動(dòng)與在中心處存在非常微弱脈動(dòng)的單元。單個(gè)失速單元恰好是在延展到整個(gè)葉片范圍上的喘振之前突然的形成。這些不規(guī)則的失速模式最終產(chǎn)生足夠長的流量減少周期以至于允許高壓排出75的壓力增量。當(dāng)質(zhì)量流量處于最低值時(shí)，單元覆蓋了整個(gè)環(huán)面。這些結(jié)果出現(xiàn)在通過自壓縮機(jī)的振蕩輸出將壓力增量傳送到出口高壓處的實(shí)際圖上。在高壓處輸出信號(hào)低的部分在時(shí)均壓力下是暫時(shí)不平衡的。然后局部的自高壓的流量向前移動(dòng)。由下一個(gè)壓力脈動(dòng)的推移限制了向前的移動(dòng)。如果周期足夠短，那么能容

30、納高壓壓強(qiáng)。如果周期足夠長，那么向前進(jìn)入壓縮機(jī)存在“漏損量”，并且啟動(dòng)了喘振。然后根據(jù)這些結(jié)果，通過由壓縮機(jī)產(chǎn)生的高頻壓比和在高壓處確立的時(shí)均壓力間的平衡決定了相應(yīng)的穩(wěn)定性。參考Toyama等人(1976)和Dean與Young(1976)的文獻(xiàn)可知道離心壓縮機(jī)存在有相同的趨勢(shì)。高頻脈動(dòng)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子出口、擴(kuò)壓器入口以及擴(kuò)壓器喉部。脈沖的振幅在擴(kuò)壓器喉部達(dá)到最大，并且當(dāng)擴(kuò)壓器失速進(jìn)行時(shí)，脈動(dòng)變得更加劇烈。最終脈沖有足夠大的下降信號(hào)或在整流器中的時(shí)均壓力之下的壓力所用時(shí)間足夠長，達(dá)到允許高壓流量流出擴(kuò)壓器并且能激勵(lì)喘振。5.3.2 儲(chǔ)液器容量的影響在16級(jí)J35A23亞音速軸流壓縮機(jī)上研究了儲(chǔ)液器容

31、積對(duì)喘振特性的影響。在Huppert(1952)文獻(xiàn)中以及由Huppert(1965)報(bào)告了這個(gè)結(jié)果。壓縮機(jī)被設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為155IB/sec時(shí)的整體壓比為8.75:1。由于喘振與失速的研究，所以壓力傳感器被安裝在壓速機(jī)的入口和第1級(jí)與最后1級(jí)的出口；熱線風(fēng)速儀安裝在第7級(jí)的后面。在壓縮機(jī)入口和出口的整體壓力振幅的變化表現(xiàn)在圖5.23上。這幅圖顯示了通過兩個(gè)喘振脈動(dòng)的振幅變化。在喘振開始時(shí)，入口壓力增加了大約8并且出口壓力下降了大約40。喘振頻率從1cps變化到2cps。流量脈動(dòng)的變化出現(xiàn)在表示第7級(jí)后面的熱線波形圖的圖5.24上。最大的流量脈動(dòng)的振幅是±30。出現(xiàn)在喘振循環(huán)中

32、的旋轉(zhuǎn)失速模式包括了旋轉(zhuǎn)速度等于45壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的1個(gè)單元。作者指出像10級(jí)壓縮機(jī)一樣，喘振循環(huán)是在單個(gè)單元模式形成下開始。不像10級(jí)壓縮機(jī)，這個(gè)失速模式持續(xù)了整個(gè)喘振循環(huán)而不是轉(zhuǎn)換成多單元模式。記錄的所有波形圖的數(shù)據(jù)表示在50轉(zhuǎn)速下，壓縮機(jī)處于劇烈的，聽得見的喘振中。報(bào)告表示不僅在這個(gè)轉(zhuǎn)速下，而且從每一個(gè)超過30的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下都可以聽到劇烈聲響的喘振。在隨后的試驗(yàn)上，出口高壓的容量減少到初始容積的1/10。出口總壓的波形圖表示在圖5.25上(Huppert，1965)。在喘振線的交叉點(diǎn)上雖然沒有聽見的喘振，但是在壓比上有急劇下降。出口壓力下降到大約為大容積儲(chǔ)液器中的相同數(shù)量。如同這幅圖中顯示的，

33、在壓力突然下降之后沒有失速恢復(fù)。在旋轉(zhuǎn)失速頻率為23cps時(shí)，壓縮機(jī)保持失速運(yùn)行。作者指出輕微沒有聲響的喘振是由顯示波形圖上的波形來標(biāo)明，并且擴(kuò)展到運(yùn)行區(qū)域的不穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)試驗(yàn)表示在出口高壓大小上的重要減少下可除去有聲響的喘振。然而與有聲響的喘振相聯(lián)系的壓力出現(xiàn)突然下降，失速發(fā)生在喘振線上并且當(dāng)試驗(yàn)引起較大出口壓力時(shí)存在相同量的壓降。然而代替在喘振脈動(dòng)上發(fā)生的喘振循環(huán)恢復(fù)，建立了不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)失速。作者指出減少的出口容量允許伴隨突變失速的出口高壓上的更快的調(diào)整，并且因此 在凈流量上出現(xiàn)較小的脈動(dòng)(沒有顯示)。5.3.3 喘振循環(huán)的動(dòng)力學(xué)存在不同儲(chǔ)液能力的16級(jí)壓縮機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果是涉及突變失速的喘

34、振循環(huán)動(dòng)力學(xué)的理想分布的試驗(yàn)實(shí)例。在Huppert(1965)文獻(xiàn)中描述的特性顯示在圖5.26上。這幅圖繪制的是在如同用實(shí)線標(biāo)明的儲(chǔ)液器的壓力和質(zhì)量流量上的壓縮機(jī)性能特性。突變失速發(fā)生在節(jié)流特征線與壓縮機(jī)特性線的交點(diǎn)A。曲線DBC是關(guān)于運(yùn)行后來達(dá)到突變失速的穩(wěn)定特征線。由于較小流量的微小干擾使壓縮機(jī)進(jìn)入不能保持將壓力輸送到下游容器的運(yùn)行，所以A點(diǎn)是不穩(wěn)定的。壓力不平衡激發(fā)了喘振或突變失速。這個(gè)響應(yīng)取決于儲(chǔ)液器的容量。如果儲(chǔ)液器容量無窮大，那么將存在喘振的回流通過壓縮機(jī)到達(dá)點(diǎn)D。如果容量比較小，那么回流流動(dòng)的時(shí)間長度將變小，并且壓縮機(jī)將突然地重新調(diào)整在儲(chǔ)液器中處于平衡的點(diǎn)，例如B點(diǎn)。存在實(shí)際儲(chǔ)液

35、器的真實(shí)系統(tǒng)可能如同根據(jù)圖上的箭頭方向標(biāo)明的一樣運(yùn)行。如果儲(chǔ)液器容量比較小，在少量振動(dòng)之后壓縮機(jī)性能可能恢復(fù)。在這段時(shí)間里，流量脈動(dòng)比較小且出現(xiàn)在低于失速恢復(fù)點(diǎn)C的流量范圍上。在流量高于C點(diǎn)時(shí)，在高壓特性上存在如第2章中的圖2.15所示的不連續(xù)轉(zhuǎn)移。這些螺旋形軌道闡明了這種運(yùn)行。如果儲(chǔ)液器容量足夠大以至于能引起流量恢復(fù)的振動(dòng)到大于C點(diǎn)的質(zhì)量流量時(shí)，那么壓縮機(jī)恢復(fù)將發(fā)生在上面的特性線上?，F(xiàn)在當(dāng)質(zhì)量流量減少時(shí)，將達(dá)到A點(diǎn)并且循環(huán)重復(fù)。在實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)，這個(gè)循環(huán)操作由開著的出口節(jié)流來停止，因此節(jié)流特征的部分將遠(yuǎn)離A點(diǎn)。如果節(jié)流結(jié)束那么喘振將停止也是正確的。在曲線DBC上將建立平衡。如圖5.25所示

36、，當(dāng)處于平衡時(shí)， 通過在波形圖上出現(xiàn)的輕微喘振證明了這個(gè)運(yùn)行是不穩(wěn)定的。不同的突變失速、漸進(jìn)失速特征可能適合于唯一的喘振循環(huán)特性。圖5.27表示在漸進(jìn)失速下的壓縮機(jī)特性。A點(diǎn)的左側(cè)，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，并且儲(chǔ)液器通過壓縮機(jī)來減少容量。當(dāng)質(zhì)量流量被退回時(shí)，運(yùn)行進(jìn)行到A點(diǎn)的右側(cè)知道失速恢復(fù)。當(dāng)質(zhì)量流量減少時(shí)，達(dá)到了A點(diǎn)，且循環(huán)重復(fù)。由圖上顯示的路徑表示了無阻尼的振動(dòng)。5.3.4 瞬態(tài)影響喘振線通常由試驗(yàn)臺(tái)上的節(jié)流運(yùn)動(dòng)獲得。它也可以由通過燃油流量調(diào)節(jié)脈沖或通過在壓縮機(jī)出口排出的質(zhì)量流量的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)來確立。試驗(yàn)臺(tái)或發(fā)動(dòng)機(jī)排放的方法通常足夠慢以至于考慮到處于穩(wěn)定狀態(tài)界限的喘振線。發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)脈沖非?？?，并且響

37、應(yīng)時(shí)間只有段段的200毫秒。這增加了喘振界限的穩(wěn)態(tài)方法有效性的問題。Lubick和Wallner (1959)文獻(xiàn)中的工作顯示了穩(wěn)態(tài)喘振數(shù)據(jù)使用范圍的證明。圖5.28出現(xiàn)了隨壓縮機(jī)校正轉(zhuǎn)速變化的喘振線壓比。這幅圖顯示了作為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的失速界限或喘振確定的實(shí)線。在或接近這條線上的點(diǎn)是采用燃料流量瞬變的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。瞬變的時(shí)間大約是200毫秒。在瞬變數(shù)據(jù)與喘振線間的符合非常好，并且確認(rèn)了穩(wěn)態(tài)喘振線能被用作發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的精確限制。作者提出了一些理解在壓縮機(jī)內(nèi)當(dāng)由燃料流量調(diào)節(jié)脈沖接近喘振時(shí)的變化條件。圖5.29顯示了在加速進(jìn)入喘振過程中的瞬時(shí)壓力數(shù)據(jù)。在燃料流量上一步的增加，那么在壓縮機(jī)出口壓力上也會(huì)存在增加

38、。這將要求當(dāng)在渦輪入口溫度的增加時(shí)，減少渦流的質(zhì)量流量和壓縮機(jī)的質(zhì)量流量。在A點(diǎn)之前，所有的壓力達(dá)到最大。在A點(diǎn)時(shí)，第10級(jí)的壓力開始急劇增加。在第10級(jí)的壓力峰值時(shí)，所有的壓力開始下降，并且在第5級(jí)和入口處的壓力開始急劇增加。這一系列的事件表示了第10級(jí)首先進(jìn)入失速狀態(tài)。自失速的阻塞降低了質(zhì)量流量并且驅(qū)使第5級(jí)以及所有的級(jí)向前進(jìn)入失速。當(dāng)喘振被激發(fā)時(shí)，存在如由第5級(jí)以及前面的壓力劇增表示的壓力波形的正向移動(dòng)。在出口處，當(dāng)質(zhì)量流量瞬時(shí)流出沒有被從壓縮機(jī)的高壓流量補(bǔ)充的儲(chǔ)液器時(shí)，在壓力上存在減少。同樣的資料表示了壓縮機(jī)喘振時(shí)入口壓力和溫度的瞬態(tài)影響。如果入口的瞬變值足夠大，根據(jù)穩(wěn)態(tài)喘振線的確定，

39、那么在前面的和后面的級(jí)間存在嚴(yán)重的不匹配將引起出現(xiàn)在早于要求情況下的喘振。圖5.30上顯示了代表性的結(jié)果。喘振線用實(shí)線表示，并且根據(jù)入口瞬變的溫度與壓力繪制了離散點(diǎn)。入口瞬態(tài)的影響將引起前面的和后面的級(jí)間不匹配，這與期望的由穩(wěn)態(tài)或調(diào)節(jié)脈沖時(shí)出現(xiàn)了喘振線的確定的不匹配不相同。如這個(gè)例子中的參考資料上引用的入口溫度瞬變值是歸結(jié)于自機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射器的排氣。溫升比為1000degsec表示正常狀態(tài)。對(duì)于這本書中涉及到的壓縮機(jī)，流量從入口到出口通過需要花費(fèi)20毫秒。在這段時(shí)間內(nèi)，入口溫度能從500增加到700。由于隨溫度的變化校正轉(zhuǎn)速改變18左右，所以入口級(jí)會(huì)受到影響。由于熱蒸汽還沒有到達(dá)最后一級(jí)，所以出

40、口級(jí)沒有受到影響。在這些條件下，第以一級(jí)的壓升會(huì)突然地(在20毫秒內(nèi))減少，因此使得壓縮機(jī)沒有能力支持出現(xiàn)在20毫秒之前的儲(chǔ)液器的壓升。突變喘振可能發(fā)生，并且早于在試驗(yàn)臺(tái)條件下期望的。最后，參考文獻(xiàn)表示在不同儲(chǔ)液器的壓力上的振蕩入口壓力的影響，以及在振幅足夠大的入口壓力振動(dòng)時(shí)對(duì)喘振的效果。雖然試驗(yàn)大概是由固定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指導(dǎo)，但是轉(zhuǎn)速?zèng)]有給出。圖5.31闡述了在入口壓力振動(dòng)情況下的壓縮機(jī)入口與出口壓力間的關(guān)系。在低的入口壓力頻率時(shí)，出口壓力波形非常類似入口的波形。周相移動(dòng)相對(duì)較小，并且出口波形的振幅與入口模式以及壓縮機(jī)壓比的振幅一致。在高頻率時(shí)，由于在入口與出口波形間的相當(dāng)大的周相移動(dòng)導(dǎo)致出口

41、波形的振幅減弱。試驗(yàn)結(jié)果表示當(dāng)頻率增加時(shí)，相位角增加而出口壓力振幅減小。圖5.32顯示了當(dāng)入口壓力頻率增加時(shí)出口壓力振幅的相關(guān)變化。作為在任意給定頻率下的振幅比對(duì)應(yīng)于在最低頻率下的振幅時(shí)給出的振幅。例如在40cps時(shí)，出口壓力振動(dòng)的振幅只是在3cps時(shí)振幅值的15。圖5.33表示相位角隨頻率的變化。當(dāng)頻率增加時(shí)，在周相移動(dòng)上存在重要的增加。在3cps時(shí)，周相移動(dòng)大約是30°；在35cps時(shí)，周相移動(dòng)大約是120°。這兩幅圖上的實(shí)線表示基于論文中標(biāo)識(shí)但沒有詳細(xì)描述的分析方法的計(jì)算預(yù)估值。在足夠大的振幅下，可能開始喘振。圖5.34顯示了必須在激發(fā)喘振時(shí)的作為頻率函數(shù)的入口壓力振

42、幅。結(jié)果表示在壓力振幅等于在從4到7cps頻率范圍上入口壓力穩(wěn)態(tài)值的50到60時(shí)能激發(fā)起喘振。5.3.5 多級(jí)相互作用由于在壓縮機(jī)內(nèi)徑向分布的空氣動(dòng)力學(xué)參量，自單級(jí)特性線圖上的多級(jí)喘振與失速特性的預(yù)報(bào)可能部分是精確的。單級(jí)性能通常是在與試驗(yàn)臺(tái)入口條件一致的情況下獲得。當(dāng)任意給定級(jí)與其他的級(jí)組合時(shí)，從上游的級(jí)的阻塞、氣流角、馬赫數(shù)、壓力與溫度的徑向分布能影響那一級(jí)損失、阻塞與轉(zhuǎn)角的特性。上游條件激發(fā)末端失速可能早于期望的；不存在單級(jí)試驗(yàn)時(shí)可能激發(fā)起中心失速。在單級(jí)試驗(yàn)中探測(cè)到的局部范圍失速可能是多級(jí)失速試驗(yàn)中的整體范圍失速。自上游的級(jí)的阻塞與損失的累積能改變附加能量與效率的分布。這將影響相鄰級(jí)的

43、預(yù)計(jì)匹配點(diǎn)。在連續(xù)級(jí)的阻塞能迫使一級(jí)運(yùn)行接近于失速。結(jié)果，在多級(jí)情況下，給定級(jí)可能不同的運(yùn)行。Budinger和Serovy(1953)文獻(xiàn)中提供了自NACA表示從第1級(jí)壓比與附加能量徑向分布的10級(jí)壓縮機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些分布闡明了級(jí)間匹配的雙向影響。除了通過用出口級(jí)的排水能力表明第2級(jí)的運(yùn)行情況外，自第1級(jí)的排放條件也影響了與轉(zhuǎn)子2匹配的葉片單元。圖上呈現(xiàn)的是表示第1級(jí)從節(jié)流到喘振的出口條件以及沿著自50設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的喘振線的徑向分布變化。圖5.35顯示了轉(zhuǎn)子在最大和最小沖角以及最大效率時(shí)的流量條件下的壓比和總體溫度比的徑向分布。最大沖角出現(xiàn)在50轉(zhuǎn)速時(shí)，最高效率是在90轉(zhuǎn)速時(shí)得到，而最小沖角出

44、現(xiàn)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速節(jié)流時(shí)的情況。在最高效率時(shí)的分布比其他兩種的更加接近于徑向的一致。由于為了恒定附加能量(Johnsen，1952)而設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子，所以不需要驚訝最高效率時(shí)有一條近似恒定的溫度比。當(dāng)運(yùn)行條件變?yōu)闆_角增加時(shí)，附加能量在末端時(shí)增加而在中心時(shí)減少。這個(gè)分布是由于末端阻塞導(dǎo)致中心速度輔助增加情況下局部范圍旋轉(zhuǎn)失速的反映。通過壓比的反向分布表示了在末端損失的劇烈增加。在節(jié)流處，較高沖角時(shí)反向分布的附加能量存在較大的擺幅。第1級(jí)出口條件下的擺幅提供了與第2級(jí)設(shè)計(jì)條件以及試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)一般的入口條件不同的入口矢量圖的分布范圍。結(jié)果由于從第1級(jí)的雙向影響，第2級(jí)與第1級(jí)的匹配不僅依賴于整體性能特性的疊加，

45、也依賴于葉片局部單元性能的影響。出口條件的徑向分布是特別嚴(yán)格的沿著多級(jí)喘振線進(jìn)行的。在不同轉(zhuǎn)速喘振點(diǎn)的壓比和溫度比的徑向分布圖由圖5.36表示。在70轉(zhuǎn)速或以下時(shí)，分布是表示局部范圍的末端失速。溫度比曲線表示第1級(jí)在從70到80轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生失速的清晰圖像。90的轉(zhuǎn)速曲線表示進(jìn)入恒定能量補(bǔ)充時(shí)的第1級(jí)。這幅圖與Budinger和Serovy(1953)文獻(xiàn)中顯示的運(yùn)行特性一致，文獻(xiàn)里第1級(jí)在50轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)行處于失速狀態(tài)，從70到80轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生失速，且在90轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)最高效率。圖5.37顯示了葉片單元變化的不同圖像。在這幅圖中，變化測(cè)點(diǎn)處的壓比和溫度比的數(shù)據(jù)由作為轉(zhuǎn)速百分比的函數(shù)進(jìn)行繪制。這幅圖清晰表

46、示了葉片單元的失速。溫度比的圖形表示第1級(jí)失速出現(xiàn)在74轉(zhuǎn)速的兩個(gè)末端測(cè)點(diǎn)(a和b)。在c和d位置，失速出現(xiàn)在大約70的轉(zhuǎn)速處。中心處表示了沒有失速；e位置是在壓比特性的高流量一側(cè)運(yùn)行。五組曲線清晰顯示了第1級(jí)失速開始和葉片單元受到影響的轉(zhuǎn)速。這能在溫度狀態(tài)的儀表設(shè)備下顯示是非常重要的。盡管旋轉(zhuǎn)失速單元結(jié)構(gòu)不是通過這些探針顯示，但是對(duì)于允許不使用復(fù)雜的熱線探針表示失速的壓縮機(jī)發(fā)展提供經(jīng)濟(jì)的測(cè)量方法。5.3.6 級(jí)間性能10級(jí)壓縮機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示了作為由5.2部分討論的分析模型闡明的剩余級(jí)的節(jié)流迫使入口級(jí)的運(yùn)行進(jìn)入低轉(zhuǎn)速失速的情況。由于探針在高轉(zhuǎn)速時(shí)失效，所以沒有呈現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的喘振與失速的詳細(xì)狀況

47、。然而10級(jí)壓縮機(jī)的獨(dú)立級(jí)的特性通過級(jí)間的測(cè)量得到。這些數(shù)據(jù)集證實(shí)了根據(jù)分析計(jì)算法要求的匹配特性。圖5.38表示了根據(jù)壓力系數(shù)和流量系數(shù)(Budinger和Serovy，1953)得到的第1、5和10級(jí)的性能特性。這種類型的性能表示的崩潰使得壓縮機(jī)特性線圖變?yōu)閱渭?jí)特性的圖是可能的，因?yàn)槎鄶?shù)壓縮機(jī)的級(jí)處于亞音速運(yùn)行狀態(tài)。然而對(duì)于第10級(jí)來說，節(jié)流值從50的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速開始變化。這歸結(jié)于在負(fù)的沖角值時(shí)葉排失速的變化。當(dāng)馬赫數(shù)增加時(shí)，圖5.39舉例說明了隨葉柵空氣動(dòng)力面沖角變得陡峭時(shí)的損失變化。節(jié)流發(fā)生在轉(zhuǎn)子和定子的喉部，開始于轉(zhuǎn)子的末端以及定子根部。雖然壓速失速發(fā)生在正沖角處，但是節(jié)流發(fā)生在負(fù)沖角處。

48、這個(gè)圖例表示當(dāng)馬赫數(shù)在負(fù)沖角處增加時(shí)，損失增加。這也意味著當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，對(duì)于給那個(gè)葉排的節(jié)流系數(shù)值將減小。這發(fā)生在第10級(jí)上并且也可能發(fā)生在所示的其他兩級(jí)上。然而因?yàn)榧?jí)間匹配的方式，這些級(jí)的運(yùn)行只在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速部分地節(jié)流，而在其他轉(zhuǎn)速下一點(diǎn)也不會(huì)發(fā)生節(jié)流。壓力系數(shù)與效率的變化可能是試驗(yàn)精確性以及馬赫數(shù)效應(yīng)的聯(lián)合。由于效率的存在使得期望在不同轉(zhuǎn)速時(shí)最高效率的變化將孤立出現(xiàn)在壓縮機(jī)特性線圖上。因?yàn)槎挤从沉溯敵龉ぷ?，所以效率的散布將與壓力系數(shù)一致。在圖5.38上的圖像表示了在不同百分比的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，第1、5和10級(jí)在各自的工作特性上運(yùn)行。在50的轉(zhuǎn)速時(shí)開始，圖形表示了第10級(jí)在流量系數(shù)值從0.95

49、到1.3時(shí)特性的節(jié)流側(cè)運(yùn)行。第5級(jí)在流量系數(shù)從0.53到0.67時(shí)的特性的低流量側(cè)運(yùn)行。第1級(jí)在流量系數(shù)從0.39到0.51時(shí)運(yùn)行深入到失速狀態(tài)。這些運(yùn)行特性和5.2部分的4級(jí)分析期望一致。在50轉(zhuǎn)速時(shí)，第4級(jí)運(yùn)行從節(jié)流變化到近似喘振(圖5.5)；第2和3級(jí)運(yùn)行從失速到中間的轉(zhuǎn)速線(圖5.3和5.4)；第1級(jí)運(yùn)行深入到失速狀態(tài)(圖5.7)。在10級(jí)壓縮機(jī)的70轉(zhuǎn)速時(shí)，第10級(jí)仍然在流量系數(shù)從0.95到1.09時(shí)特性的高流量側(cè)運(yùn)行。第5級(jí)正脫離失速狀態(tài)并且在流量系數(shù)從0.62到0.69的中間范圍附近運(yùn)行。第1級(jí)正開始脫離失速狀態(tài)并且在流量系數(shù)從0.51到0.61時(shí)運(yùn)行。在4級(jí)的實(shí)例中，第4級(jí)持續(xù)

50、從節(jié)流到喘振附近運(yùn)行。第2級(jí)已大部分脫離了失速狀態(tài)，且第3級(jí)已完全脫離了失速狀態(tài)。第1級(jí)部分地運(yùn)行于進(jìn)出的失速狀態(tài)。在10級(jí)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，第10級(jí)在流量系數(shù)從0.72到0.97時(shí)運(yùn)行狀態(tài)從節(jié)流變化到最大壓力系數(shù)。第5級(jí)在流量系數(shù)從0.69到0.84時(shí)運(yùn)行狀態(tài)從節(jié)流變化到峰值壓力系數(shù)。第1級(jí)在流量系數(shù)從0.81到0.88時(shí)主要運(yùn)行于節(jié)流狀態(tài)。在4級(jí)的實(shí)例中，第4級(jí)的匹配接近于峰值壓比；第2和3級(jí)從中間范圍到失速時(shí)運(yùn)行；而第1級(jí)運(yùn)行狀態(tài)處于節(jié)流情況。這些比較證實(shí)了由4級(jí)實(shí)例圖解的分析期望。這些結(jié)果通常表示了入口、出口以及中間級(jí)的類似運(yùn)行趨勢(shì)。由于最后一級(jí)處于節(jié)流狀態(tài)，入口級(jí)在50轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)行處

51、于失速狀態(tài)。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，其作用是相反的。盡管對(duì)于10級(jí)壓縮機(jī)沒有提供其暫態(tài)的數(shù)據(jù)，但是最后一級(jí)由最低的流量系數(shù)，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)必須控制喘振。10級(jí)壓縮機(jī)的第5級(jí)產(chǎn)生的效果像在4級(jí)壓縮機(jī)的兩個(gè)中間級(jí)的混合。壓力系數(shù)流量系數(shù)的數(shù)據(jù)使用能對(duì)分析和優(yōu)化性能起到幫助作用。在圖5.38a的效率圖像是入口級(jí)在多級(jí)喘振發(fā)生時(shí)如何深深處于失速狀態(tài)的極好圖例。從這些符合可清晰了解直到80轉(zhuǎn)速時(shí)才可能變?yōu)槲词贍顟B(tài)。在70的壓力系數(shù)數(shù)據(jù)暗示在流量系數(shù)為0.6時(shí)存在突變失速。節(jié)流數(shù)據(jù)表明第1和10級(jí)在最大流量時(shí)都處于節(jié)流狀態(tài)。這兩級(jí)或許是盡可能的較好匹配。為了提供較低的喘振流量，第10級(jí)的葉排閉合將降低最大的壓縮

52、機(jī)流量并且趨勢(shì)第1級(jí)在50的轉(zhuǎn)速時(shí)深入到失速狀態(tài)中。葉片的開啟將減少多級(jí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速自由喘振的范圍。由于第10級(jí)失速將出現(xiàn)在較高流量系數(shù)上，所以在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)的喘振將發(fā)生在較高的流量狀態(tài)。然而由于第1級(jí)決定節(jié)流的流量，最大的多級(jí)流量將保持不改變?？墒菍⒋嬖谝恍┑娃D(zhuǎn)速失速的消除。在低和高轉(zhuǎn)速時(shí)為了獲得良好自由喘振范圍的平衡，將擴(kuò)大了級(jí)間匹配時(shí)改變的靈敏度與困難性。5.3.7 單級(jí)模擬壓縮機(jī)分元件的匹配不能約束多級(jí)壓縮機(jī)的獨(dú)立級(jí)。這也可以適用于單個(gè)壓縮機(jī)級(jí)的轉(zhuǎn)子和定子(或擴(kuò)壓器)。在圖5.40上顯示了類似于多級(jí)分析實(shí)例中的有關(guān)離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子。級(jí)的壓比為5:1。在每個(gè)轉(zhuǎn)速下的最低流量是在級(jí)的喘振時(shí)的流量

53、。在50轉(zhuǎn)速時(shí)，葉輪實(shí)際上是處于完全失速狀態(tài)。在60和70轉(zhuǎn)速時(shí)，葉輪逐漸地在低于失速狀態(tài)和超過最高效率時(shí)運(yùn)行。80轉(zhuǎn)速附近，葉輪開始沿著節(jié)流線運(yùn)行并且在90轉(zhuǎn)速以及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)持續(xù)這樣運(yùn)行。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片擴(kuò)壓器決定了級(jí)的節(jié)流量(像后級(jí)一樣)，并且迫使葉輪運(yùn)行處于失速狀態(tài)。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，葉輪在節(jié)流狀態(tài)附近運(yùn)行，而葉片擴(kuò)壓器決定了喘振。5.3.8 綜述 直到這個(gè)要點(diǎn)，本章已涉及到多級(jí)軸流壓縮機(jī)喘振與失速特性的分析期望和所要求的從獨(dú)立的級(jí)形成多級(jí)組合的運(yùn)行范圍，并且伴隨有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖解實(shí)例。在5.2部分給出的4級(jí)壓縮機(jī)實(shí)例將闡明多級(jí)組的匹配特性。在5.3部分，提供的多級(jí)軸流壓縮機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了一般

54、的匹配特性。提供的熱線數(shù)據(jù)給出了流量脈動(dòng)的絕對(duì)值以及失速與喘振結(jié)構(gòu)。這個(gè)數(shù)據(jù)表明了多級(jí)喘振是由突變失速激發(fā)的。4級(jí)實(shí)例在漸進(jìn)失速時(shí)是使用單級(jí)特性。在漸進(jìn)與突變失速時(shí)，級(jí)間相互作用的研究是由NACA執(zhí)行，并在Johnsen和Bullock(1965)文獻(xiàn)中報(bào)道過。這個(gè)報(bào)告的討論接著在下一部分?jǐn)⑹觥?.4 級(jí)間作用研究在Johnsen和Bullock(1965)文獻(xiàn)中報(bào)道的通過Benser的研究考慮了在不同級(jí)間的漸進(jìn)與突變失速特性的混合引起的級(jí)間的匹配特性。在失速特性的要求下，壓縮機(jī)包含了12個(gè)級(jí)，根據(jù)作為流量系數(shù)函數(shù)的壓力系數(shù)每一級(jí)都具有相同的性能。在4級(jí)組合里定義了失速特性。存在適合于入口級(jí)、

55、中間級(jí)以及后級(jí)的組合。對(duì)于第14級(jí)、58級(jí)以及912級(jí)的失速特性不同的假設(shè)引起三種匹配的研究。在實(shí)例中，三種組合的特性表示在圖5.41上。第14級(jí)是漸進(jìn)失速，第58級(jí)有小范圍的漸進(jìn)失速隨后存在有突變失速，而第912級(jí)只有突變失速。這種研究的目的是為了研究在入口級(jí)為漸進(jìn)失速而在其他級(jí)上是突變失速時(shí)的匹配特性。作者基于三種假設(shè)情況的觀測(cè)結(jié)果為入口級(jí)在低的中心末端比值(0.5)時(shí)趨向于局部范圍的漸進(jìn)失速，然而后面的級(jí)隨高的中心末端比值(0.80.9)時(shí)趨向于整體范圍的突變失速。中間的級(jí)反映了這些失速特性的組合。在實(shí)例中，圖5.42上顯示了校正的第14級(jí)。對(duì)于這個(gè)例子，突變失速引入到前4級(jí)中。在這個(gè)實(shí)

56、例中，多級(jí)性能上微小間斷的影響歸結(jié)于入口的級(jí)的相互作用效應(yīng)，并且當(dāng)通過從低轉(zhuǎn)速使得失速到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)的節(jié)流時(shí)檢測(cè)到第1級(jí)未失速的滯后。在實(shí)例中，圖5.43中顯示了研究了變成第58級(jí)時(shí)具有更加明顯的相互作用。在實(shí)例上只要任何一級(jí)遇到失速時(shí)，則假設(shè)第14級(jí)在失速的曲線部分運(yùn)行。在實(shí)例上只要第1級(jí)處于失速狀態(tài)，則假設(shè)第58級(jí)在圖5.43的短劃線上運(yùn)行。當(dāng)?shù)?級(jí)脫離失速時(shí)，第58級(jí)也離開失速狀態(tài)。在實(shí)例中，估計(jì)了企圖在低轉(zhuǎn)速時(shí)減少入口失速時(shí)匹配點(diǎn)選取的變化。在追求再次匹配的過程中，喘振線上的壓比存在大的減少。執(zhí)行實(shí)例進(jìn)行估計(jì)通過增加第13級(jí)來增加壓比的性能變化。在實(shí)例中使用的獨(dú)立級(jí)性能是相同的。實(shí)例中第

57、13級(jí)具有與第912級(jí)相同的特性。 對(duì)于實(shí)例中整體性能的計(jì)算顯示在圖5.44上。通過在出口葉片(最后一級(jí)的定子)的節(jié)流和整體壓縮機(jī)失速來限制其性能特性。后來的標(biāo)識(shí)認(rèn)同了出現(xiàn)在其中一級(jí)上的不連續(xù)性能。如圖上文討論的以儲(chǔ)液器量值效應(yīng)為基礎(chǔ)，這可能導(dǎo)致整體壓縮機(jī)的失速或喘振。在實(shí)際情況下，可能同意更多近似的結(jié)果將導(dǎo)致喘振。不管可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定特性，突變失速是個(gè)合乎邏輯的限度。然而在這個(gè)討論中，將簡單地調(diào)用到多級(jí)失速。作為在圖5.41上顯示的在特性線圖上的參考點(diǎn)是涉及所有級(jí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)的疊加。圖5.45表示了在不同轉(zhuǎn)速上作為獨(dú)立級(jí)匹配結(jié)果的第18級(jí)遇到漸進(jìn)失速的點(diǎn)所表示的線。對(duì)于從80和80以下的所有轉(zhuǎn)速

58、在所有流量從節(jié)流到多級(jí)喘振失速時(shí)，壓縮機(jī)的運(yùn)行處于漸進(jìn)失速狀態(tài)。從80到90轉(zhuǎn)速時(shí)，相當(dāng)數(shù)量的漸進(jìn)失速持續(xù)進(jìn)行。超過90轉(zhuǎn)速時(shí)，在多級(jí)失速之前不存在失速。直到70轉(zhuǎn)速時(shí)，由第5級(jí)引起了多級(jí)失速。從72到94轉(zhuǎn)速時(shí)，由第9級(jí)引起多級(jí)失速。對(duì)于超過94的轉(zhuǎn)速時(shí)，由第12級(jí)引起多級(jí)失速。由實(shí)例表示的結(jié)果與在5.2部分的計(jì)算實(shí)例中10級(jí)壓縮機(jī)的結(jié)果以及由多級(jí)軸流壓縮機(jī)表示的一般趨勢(shì)相一致。在實(shí)例中，研究了第14級(jí)特性上的從漸進(jìn)失速變化到突變失速的影響。期望這種變化將產(chǎn)生類似于在Foster(1952)以及Lucas和Filippi(1954)文獻(xiàn)中顯示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的多級(jí)性能曲線。由于在圖5.42上表示失速與失速恢復(fù)的疊加，將出現(xiàn)多級(jí)的性能特性。在圖5.46上顯示了計(jì)算結(jié)果。圖5.46a顯示壓縮機(jī)特性線圖上未失速的部分。除