摘要
随着微型燃气轮机在航空、航天、工业、能源等领域的全面应用，离心压气机作为其重要组成部分，对气动性能的要求不断提高，在具有高压比、高效率的同时还需要具备宽广的流量裕度。因此在近几十年间，如何辨识小流量下的离心压气机失稳机理和通过合适的调控方法提高离心压气机工作流量范围一直是研究的热点和难点问题。 对于离心压气机而言，由于其逆压梯度较高、子午流道的曲率较大、叶尖切向速度跨音速、二维叶型过于弯扭等特点，进一步增强了离心压气机内部不稳定流动结构的复杂性和研究难度。此外，自循环机匣结构作为一种被动式流动控制方法在离心压气机中受到广泛应用。但在自循环机匣设计中并不存在明确的设计方法和准则，也缺乏自循环机匣在失稳过程中流动控制机制的具体分析和探讨。因此，该论文基于数值仿真方法，考察离心压气机失稳机理，建立自循环机匣结构设计方法和优化途径，探索自循环机匣的非定常流动结构和流动控制方法，对离心压气机稳定性研究以及自循环机匣设计具有重要意义。 首先，该论文以离心压气机单通道模型仿真结果进行研究，考察了离心压气机气动特性以及流动损失机理。通过对不同转速下压气机气动参数的演化过程分析，考察了当离心压气机工作流量不断减小时，叶轮出口和扩压器入口位置的流动稳定性降低，在扩压器入口存在较大的展向畸变。基于一维稳定性参数分析确定了在流量减小的过程中，叶轮和扩压器的稳定性逐渐降低，且在扩压器前缘稳定性最差，扩压器稳定性随着转速升高而降低。 其次，基于全周数值仿真方法针对离心压气机的部分工况下周向非均匀流动特点以及不稳定流动现象进行研究。考察了稳态计算中全周与单通道模型流场的差异性，发现了全周模型气动参数的周向不均匀度会随着流量的减小和向下游发展的过程中不断增加的特点。全周模型中，近堵塞点马赫数的周向不均匀度由叶轮前缘至扩压器入口，从8.13%增加至25.52%；设计点时，马赫数周向不均匀度从15.18%增加至24.12%。在非稳态仿真方法中，采用节流阀出口模型逼近压气机失稳流动状态。对离心压气机关键位置的压力信号采取时空图谱、幅频特性和低通滤波等信号分析方法进行辨识性研究。结果表明，该离心压气机在离心叶轮前缘表现出旋转不稳定性，1815.75Hz 的旋转扰动信号以40%叶轮转速沿周向传播；在扩压器入口，多种低频扰动不断叠加，形成87.17Hz旋转失速特征频率。进一步，基于失速状态下的流场分析，揭示了扩压器失速团以4.17%叶轮转速在扩压器通道内反向传播的原理。 然后，结合压气机单通道流动损失特征和离心压气机全周失稳机理研究对压气机自循环结构进行了初步设计，并且针对自循环机匣上游槽道宽度、下游槽道宽度、下游槽道位置，气流回流角度4个关键几何结构参数进行研究，基于正交试验的方法设计了3种自循环机匣结构。通过压气机特性和流场对比分析，确定了以最优综合扩稳能力为目标的自循环机匣设计方法的优越性，设计转速下工作流量范围提升了10.95%。另外，针对扩压器喉部堵塞的情况进行了扩压器机匣结构设计，有效改善了压气机在近堵塞点的流动状态，并提出了耦合叶轮/扩压器机匣处理方式的主动控制方法，使压气机性能进一步得到提升。 最后，针对最优综合扩稳机匣的流动控制方法继续进行研究。基于稳态和非稳态仿真方法，考察了不同流量条件下自循环机匣对离心压气机内部流场的影响规律和流动控制机制。在大流量条件下，自循环机匣能够降低叶轮来流负攻角，削弱压力面引起的槽道激波，显著改善叶轮来流的周向不均匀度。在小流量条件下，自循环机匣通过下游槽道的抽吸效应有效减少发展于叶轮前缘吸力面的涡流结构，缓解叶顶区域低能流体的堆积现象，抑制以旋转扰动为主的低频扰动现象，显著改善压气机的稳定性。深度失速条件下，自循环机匣诱发离心叶轮叶顶位置发生全面倒流的现象，使得不稳定流动结构出现在叶轮和扩压器中，并通过阻尼作用减缓压气机内气流振荡，实现扩稳。
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