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符号表 1

第1章 绪论 3

1.1 高速叶轮机设计工作中面临的内部流动稳定性问题 3

1.1.1 航空发动机智能化对多级压缩系统流动稳定性的要求 4

1.1.2 高速叶轮机流动稳定性带来的问题 5

1.2 国内外现状分析及研究进展 8

1.2.1 高速叶轮机流动失稳现象观察与机理认识 8

1.2.2 高速叶轮机流动稳定性失速起始理论预测方法 12

1.2.3 高速叶轮机流动稳定性扩稳设计方法 15

1.3 高速叶轮机流动稳定性研究 27

参考文献 29

第2章 压气机流动稳定性经典模型 36

2.1 二维小扰动稳定性模型 38

2.1.1 Emmons模型 38

2.1.2 Stenning模型 42

2.1.3 Stenning模型与Emmons模型的异同 49

2.2 Greitzer模型 50

2.3 压缩系统动态特性分析模型——DYNTECC 56

2.4 小结 58

参考文献 59

第3章 叶轮机流动稳定性三维解析预测模型 62

3.1 叶轮机流动稳定性三维解析预测模型的建立 62

3.1.1 跨声速稳定性模型概述 63

3.1.2 扰动控制方程和求解方法 67

3.1.3 跨声速模型匹配条件的推导和特征方程的导出 78

3.1.4 小结 95

3.2 环绕积分方法求解稳定性方程特征值问题 95

3.2.1 传统迭代方法 96

3.2.2 环绕积分法 97

3.2.3 环绕积分方法数值验证分析 100

3.2.4 软壁面边界条件的稳定性模型的数值解法 106

3.3 三维旋转失速稳定性理论模型算例分析 108

3.3.1 亚声速压气机失速起始点理论预测 108

3.3.2 高亚声速压气机失速起始点理论预测 113

3.3.3 跨声速压气机失速起始点理论预测 115

3.3.4 多级压气机失速起始点理论预测 118

3.4 小结 128

参考文献 128

第4章 叶轮机流动稳定性通用理论 131

4.1 理论架构 131

4.1.1 基本思想 131

4.1.2 理论建立 133

4.2 简化模型 135

4.2.1 简化方式概述 135

4.2.2 子午面模型 136

4.2.3 流线模型 139

4.2.4 径向展开模型 140

4.3 叶片力建模 141

4.3.1 叶片力建模概述 141

4.3.2 叶片力模型 143

4.4 边界条件和匹配条件 144

4.4.1 边界条件 144

4.4.2 匹配条件 145

4.5 求解方法 145

4.5.1 谱方法数值离散 145

4.5.2 奇异值分解法 147

4.5.3 数值解法的校核 149

4.6 小结 150

参考文献 151

第5章 叶轮机流动稳定性通用理论在轴流压气机中的应用 153

5.1 轴流压气机失稳点预测 153

5.1.1 亚声速压气机 153

5.1.2 高亚声速压气机 159

5.1.3 跨声速压气机 163

5.2 压缩性对失稳点预测的影响 165

5.2.1 压缩性概述 165

5.2.2 高亚声速流动稳定性结果对比 166

5.2.3 跨声速流动稳定性结果对比 166

5.3 叶尖间隙对稳定裕度的影响 168

5.3.1 叶尖间隙简述 168

5.3.2 参数化研究 168

5.4 叶片造型对稳定裕度的影响 170

5.4.1 弯掠设计概述 170

5.4.2 参数化研究 171

5.5 基于失速先兆波特征频率的失速演化数值模拟 177

5.5.1 基于失速先兆波特征频率的失速演化数值模拟方法 177

5.5.2 结果分析与讨论 179

5.6 小结 183

参考文献 183

第6章 叶轮机流动稳定性通用理论在离心压气机中的应用 185

6.1 NASA低速离心压气机简介 186

6.2 定常CFD计算 186

6.3 100％设计转速 187

6.3.1 子午面模型结果 187

6.3.2 径向展开模型结果 189

6.4 75％设计转速 190

6.4.1 子午面模型结果 190

6.4.2 径向展开模型结果 191

6.5 小结 192

参考文献 194

第7章 SPS机匣处理扩稳理论设计方法 196

7.1 包含机匣处理的压气机流动稳定性模型 196

7.1.1 SPS机匣处理概念的提出 197

7.1.2 包含SPS机匣处理的壁面边界模型 200

7.1.3 带有机匣处理的稳定性模型 211

7.1.4 结果及讨论 213

7.2 SPS机匣处理扩稳效果定量评估方法 218

7.2.1 SPS机匣处理扩稳效果定量评估方法的建立 218

7.2.2 亚声速压气机流动稳定性扩稳效果定量评估算例 222

7.2.3 跨声速压气机流动稳定性扩稳效果定量评估算例 227

7.2.4 理论预测结果的分析与讨论 232

7.3 小结 233

参考文献 234

第8章 均匀来流条件下SPS机匣处理扩稳特征 236

8.1 SPS机匣处理在亚声速压气机上的扩稳特征及效果 236

8.1.1 亚声速压气机 236

8.1.2 SPS机匣处理结构设计 244

8.1.3 SPS机匣处理在亚声速压气机中的扩稳特征 246

8.1.4 SPS机匣处理对亚声速压气机效率的影响 258

8.2 SPS机匣处理在跨声速风扇/压气机中的扩稳特征及效果 264

8.2.1 实验装置 265

8.2.2 参数定义 266

8.2.3 SPS机匣处理的跨声速压气机扩稳特征及效果 268

8.3 小结 275

参考文献 275

第9章 进气畸变条件下SPS机匣处理扩稳特征 277

9.1 进气畸变和SPS机匣处理的相互作用机制 280

9.2 进气畸变实验方案简介 283

9.2.1 进气畸变流场实验模拟以及SPS机匣处理结构设计 283

9.2.2 畸变非均匀压力/速度畸变流场数据采集与处理技术 284

9.2.3 指标参数定义 285

9.3 实验结果及讨论 286

9.3.1 实壁机匣工作特性 286

9.3.2 进气畸变条件下压气机进口流场特性 287

9.3.3 进气畸变条件下SPS机匣处理扩稳实验 299

9.4 小结 323

参考文献 324

第10章 SPS机匣处理扩稳机理实验研究 326

10.1 SPS机匣处理扩稳机理实验分析方法 327

10.1.1 测试方案与数据处理 327

10.1.2 测试技术及分析手段校验 328

10.2 SPS机匣处理扩稳机理的实验观察——亚声速压气机 330

10.2.1 失速瞬间过程动态信号对比 330

10.2.2 设计流量点动态信号对比 332

10.2.3 光壁临界失速点的失速先兆信号考察 333

10.2.4 动态信号随流量变化的观察 335

10.3 SPS机匣处理扩稳机理实验研究——跨声速压气机 338

10.3.1 跨声速压气机失速过程分析——单支压力传感器信号 338

10.3.2 近失速点PSD分析对比 340

10.3.3 进入失速过程低频扰动信号的演化过程对比分析 341

10.4 进气畸变对失速先兆的影响 343

10.4.1 旋转畸变对失速先兆演化过程的影响 343

10.4.2 周向畸变对动态失速信号的影响 345

10.5 进气畸变条件下压气机近失速非定常特性 347

10.5.1 旋转畸变对压气机近失速非定常特性的影响 347

10.5.2 周向畸变对压气机近失速行为的影响 351

10.5.3 径向畸变对压气机近失速行为的影响 353

10.5.4 旋流畸变对压气机近失速行为的影响 357

10.6 叶片载荷展向分布 358

10.7 小结 360

参考文献 361

第11章 基于涡动力学和升力定理的实时失速预警方法 362

11.1 实验观察——压力信号随工作点的变化 363

11.2 物理原理——旋转叶片的气动声学特性 365

11.2.1 压缩系统管道中的压力波 365

11.2.2 动态压力传感器测量的压力信号 367

11.2.3 动态压力传感器测量位置 368

11.2.4 叶片力与环量 370

11.2.5 周期性的量化评价 373

11.3 实验研究——Rc与稳定裕度的关系 373

11.3.1 试验台介绍 373

11.3.2 实验描述 375

11.3.3 实验结果分析 376

11.3.4 Rc的统计特性 376

11.3.5 旋转失速与参数Rc的关系 378

11.3.6 实时失速预警方法 380

11.3.7 结果讨论 380

11.4 实时失速预警在线实施 381

11.4.1 实验台介绍 381

11.4.2 参数学习 382

11.4.3 光壁压气机的实时失速预警 383

11.5 结论 384

参考文献 385

第12章 高速叶轮机流动稳定性自适应控制方法 388

12.1 新型机匣处理自适应控制概念及特点 391

12.2 SPS机匣处理自适应控制方案设计 392

12.2.1 SPS机匣处理结构设计 392

12.2.2 SPS机匣处理自适应控制方案 399

12.3 SPS机匣处理自适应控制实验演示 402

12.3.1 控制规律的“自适应” 402

12.3.2 SPS机匣处理自适应控制效果 403

12.4 小结 405

参考文献 406