工程热物理所压气机失稳机理研究取得新进展

　　随着新能源的发展，我国的能源结构正发生着日新月异的变化，诸如风能、太阳能等可再生能源占据了越来越多的能源供应份额，也给电网系统带来了很多不稳定因素。因此燃气轮机和联合发电系统的削峰填谷作用日益显著，而其在最佳效率工况运行的时间也将随之大大缩短。这就对燃气轮机工业提出了更高的要求和挑战——要求燃气轮机能够在除满负载外的其他运行工况下仍然高效、稳定和安全地运行。对于压气机领域工程师和研究者来说，意味着需要提高压气机不同转速下的稳定裕度和工作效率。

　　压气机中的流动不稳定性、旋转失速和喘振是叶轮机械气动热力学中最复杂的问题之一，它制约了轴流压气机的工作范围。早在1987年，实验就发现失速先兆起始于叶顶区域，叶顶泄漏流不仅影响压气机的效率，对压气机的稳定性裕度也有很大的负面影响。而高压级压气机叶片很短，叶顶间隙相对于叶高的相对值更大，因而叶顶泄漏流的影响也更为突出；但另一方面高压级叶片尺寸小、转速快，内部流动的流场细节往往难以捕捉。解决这一问题的途径有二：一是提高探针的响应频率并减小尺寸，二是采用低速反演高速的压气机模化设计方法，用一台低速大尺寸压气机模拟高速目标压气机的流场特征。

　　近期，中国科学院工程热物理研究所能源动力中心的研究团队在上述两方面均获得了可喜的进展。在测量手段方面，研究所相关研究团队成功研制了一种高频响高空间分辨率的动态总压探针，采用了基尔探头和半无限引压管的结构，探头直径仅2mm，而响应频率可以达到10kHZ，在保证足够的空间分辨率的前提下，同时获得了很高的时间分辨率。在叶片设计方面，研究团队首先根据Chen叶顶泄漏流模型，分析得到泄漏流相似的相似准则，进而依据准则通过反问题设计和三维积叠得到了与高速原型叶片泄漏流相似的低速大尺寸叶片。最后经过三维数值模拟，从特性线、泄漏流轨迹以及泄漏流与主流交界面三个层面（见下图），验证了低速模型叶片与高速原型叶片的相似性，达到了设计要求。与此同时，相应的低速大尺寸压气机实验台也已经完成搭建和调试工作，目前正在开展旋转失速机理方面的研究。

　　 上述成果得到了自然科学基金项目（No.51206164）的支持，相关文章已发表在Journal of Thermal Science 等杂志上。

工程热物理所压气机失稳机理研究取得新进展