研究团队与发表信息

本项研究由来自德国慕尼黑联邦国防大学喷气推进研究所（Institut für Strahlantriebe, Universität der Bundeswehr München）的三位研究人员 Dirk C. Leinhos, Norbert R. Schmid 和 Leonhard Fottner 共同完成。该研究以论文形式发表在美国机械工程师学会（ASME）旗下的学术期刊《Journal of Turbomachinery》上，出版时间为2001年1月（Vol. 123, January 2001）。该论文最初在2000年5月于德国慕尼黑举行的第45届国际燃气轮机与航空发动机大会暨展览上宣读，论文编号为2000-GT-505。

学术背景与研究目标

本研究属于航空发动机气动稳定性领域，具体关注轴流压气机在进气畸变条件下的失稳起始过程。为了提高推进系统效率，现代航空发动机压气机设计有减小设计喘振裕度（Surge Margin）的趋势，这要求发展能保证在所有工况下（特别是存在进气畸变时）气动稳定性的主动控制系统。此类系统依赖于对即将发生的不稳定性的早期探测。过去的大量研究主要关注稳态进气畸变的影响，然而，在采用可变几何形状进气道的高速（如超音速、高超音速）飞行器上，发动机可能面临瞬态进气畸变（Transient Inlet Distortions）的挑战，例如进气道调节过程中产生的非定常涡流。因此，研究瞬态畸变对压气机特性和失稳起始（Stall Inception）过程的影响，对于未来先进发动机的稳定性控制至关重要。

本研究的目标是：评估瞬态进气畸变（包括同向和反向旋转的旋流叠加总压畸变）对一台双转子涡扇发动机低压压气机（Low-Pressure Compressor, LPC）特性的影响，特别是对其失稳起始过程和早期预警信号的影响，并与稳态畸变的情况进行对比，旨在为未来的稳定性控制装置提供数据支持。

详细工作流程

本研究是一项实验研究，工作流程主要包括实验设置、畸变生成、数据采集和多种先进的数据分析方法。

1. 实验对象与平台：研究使用一台 Larzac 04 C5 型低涵道比双转子涡扇发动机作为测试平台。其低压压气机（LPC）为两级跨音速设计，高压压气机（HPC）为四级。实验在研究所的地面试车台进行。为了能够独立地将LPC运行至其稳定性极限，研究采用了通过径向移动圆环段来连续减小外涵道喷管面积的节流方法。

2. 仪器与数据采集系统：发动机配备了两种仪表系统。一是“低频仪表”，包括热电偶、壁面静压和总压探针等，用于测量质量流量、换算转速等参数并进行气路分析。二是核心的“高频仪表系统”，旨在捕捉失稳起始过程的压力脉动。在LPC第一级转子前7毫米的同一截面上，沿周向等间距（72度）安装了5个微型压阻式壁面静压传感器，用于探测空间流动扰动。此外，在LPC第一级静子、高压压气机前等处也安装了类似的高频传感器，以确定压力波动的轴向发展和起始位置。所有8个高频信号以32.8 kHz的采样率和13位分辨率进行数字化，并通过12.8 kHz的模拟低通滤波器后存储。

3. 进气畸变生成：研究设计了专门的进气畸变发生器（Inlet Distortion Generator），其核心是一个非对称半三角翼。通过将其置于大攻角（如20度），并配合安装在进气道内的两块金属丝网，可以产生包含总压亏损和旋流（涡）的稳态畸变流场。为了生成瞬态畸变，以大约1.5度/秒的速率连续改变三角翼的攻角（从0度增大直至压气机失稳），以此模拟真实发动机进气道几何形状调节的速率。研究构建了两种镜像对称的畸变发生器设置，分别产生同向旋转（Co-rotating, Co） 和反向旋转（Counterrotating, Counter） 的旋流流型，其流场模式源自一个高超音速概念飞机（HTSM）的进气道设计。

4. 实验过程：实验涵盖了清洁进气、稳态畸变（三角翼固定于20度攻角）和瞬态畸变三种进气条件。在每种条件下，通过逐渐关闭旁路节流阀，将LPC从稳定的工作线推向失速边界，直至其发生失稳（Stall）。实验在多个发动机功率设定（对应不同的LPC相对换算转速）下进行。对于瞬态畸变工况，LPC首先被节流至接近其稳定性极限的稳定点，然后通过移动三角翼引入瞬态畸变，最终触发失稳。

5. 数据分析方法：本研究采用了多种先进的分析方法来全方位解析失稳起始过程，主要针对LPC进口的五个高频压力信号：

   • 时域与频域分析：使用时域数字滤波器观察尖峰（Spike）等单次事件；对每个压力信号进行快速傅里叶变换（FFT）分析频率成分。
   • 空间傅里叶变换（Spatial Fourier Transformation, SFT）：对五个周向布置的传感器信号组进行SFT，用于检测主导的旋转空间扰动。
   • 功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）与行波能量（Traveling Wave Energy, TWE）：基于SFT系数计算PSD，并进一步利用Tryfonidis等人提出的TWE概念，作为流动中扰动能量的指标。
   • 小波变换（Wavelet Transformation, WT）与统计评估：这是本研究的特色分析方法。采用Daubechies小波对信号进行变换，因其波形与压力信号中尖峰的“足迹”相似。研究没有止步于绘制小波系数幅度图，而是创新性地引入了一种统计评估算法。该算法将每个尺度（对应特定频带）的小波系数幅度范围划分为幅度区间，将时间轴划分为时间窗口，统计每个时间窗口内落在各幅度区间的小波系数数量（幅度出现频率）。通过构建幅度频率向量，并与窗口内幅度总和相乘，得到一个加权的不稳定性参数（Wca）。这个参数对单个事件不敏感，能更稳健地反映扰动水平的整体变化，可用于在线监测。研究指出，尺度7-9对应LPC转子频率和模态活动，尺度11-13对应第一级转子叶片频率，是产生尖峰的相关长度尺度。

主要研究结果

1. 低压压气机特性图（LPC Map）影响：实验测量了存在畸变时的LPC特性线。结果表明，与稳态畸变相比，瞬态畸变（由于其变化速度相对于转子转速较慢）并未对LPC的喘振裕度（Surge Margin）产生额外的不利影响。在特性图上，瞬态畸变触发的失稳点基本落在对应稳态畸变的喘振线上。

2. 失稳起始性质的变化：研究发现进气畸变（无论是稳态还是瞬态）显著改变了失稳起始的性质。在清洁进气条件下，LPC的失稳起始类型取决于转速：低速下为尖峰型（Spike-type），中速下为模态波型（Modal wave），高速下为由转子频率扰动触发。然而，在存在稳态或瞬态进气畸变的所有情况下，失稳总是由尖峰型扰动所引发。这是一个关键发现。

3. 中速范围内的模态扰动：在中速范围内（例如相对换算转速nu_LPC约为76%-80%），即使最终失稳由尖峰触发，分析工具（特别是PSD）仍然探测到了旋转速度约为转子频率50%的模态扰动。这些模态扰动本身并未平滑地增长为旋转失速（Rotating Stall），而是与进气畸变流场发生相互作用，促进了短长度尺度扰动（尖峰）的产生，最终由尖峰触发失稳。这一现象在Co和Counter畸变、稳态和瞬态条件下均有观察到。

4. 早期预警方法性能比较：

   • 基于空间扰动探测的方法（PSD， TWE）：在瞬态畸变条件下，这些方法的预警能力受到影响。对于中速范围的Co和Counter瞬态畸变，TWE未能给出有效的预警时间；在高速Co瞬态畸变下，预警时间很短（约0.15秒）；仅在高速Counter瞬态畸变下获得了较充分的预警时间（约0.3秒）。
   • 基于小波变换统计评估的方法（Wca）：在所有测试案例中（包括清洁进气、稳态和瞬态畸变），这种统计评估方法都提供了比其他方法更长的预警时间（例如，在某些案例中可达0.5秒甚至更长）。这表明该方法对探测失稳起始前扰动活动的增强具有更高的敏感性。
   • 阈值设定问题：研究明确指出，无论采用哪种预警指标，适当的阈值设定（Appropriate Thresholding） 都是一个显见的难题。尤其是在扰动活动呈现“峰值状”增长而非平稳上升时（如某些高速案例），确定一个可靠且能提供充足预警时间的阈值颇具挑战。

结论与意义

本研究的核心结论是：虽然瞬态进气畸变（在本实验的速率下）并未比稳态畸变进一步压缩低压压气机的稳定工作范围，但它改变了失稳起始的本质，并对基于早期探测的稳定性控制方法提出了新的挑战。具体表现为失稳起始均变为尖峰型，且传统基于空间扰动的预警方法在瞬态畸变下的表现不稳定。

该研究的科学价值在于首次系统地实验研究了瞬态进气畸变对真实涡扇发动机压气机失稳起始过程的影响，揭示了其与稳态畸变作用的异同点，特别是明确了模态扰动与畸变流场相互作用催生尖峰的新机理。在应用价值方面，研究为未来先进航空发动机（尤其是面临复杂进气条件的高速飞行器发动机）的主动稳定性控制系统（Active Stall Control System）设计提供了关键数据和见解。研究特别指出，采用统计评估的小波分析是一种有前景的早期探测方法，未来可以发展基于当前探测到的“前兆”类型（如模态活动增强或尖峰频次增加）而采取不同阶段检测和作动策略的分级主动控制系统。

研究亮点

1. 研究对象的特殊性：聚焦于未来高超音速飞行器可能面临的瞬态进气畸变这一前沿和实际问题，而非以往广泛研究的稳态畸变。
2. 实验平台的真实性：在一台完整的双转子涡扇发动机上进行实验，而非缩尺的单级或单转子试验器，使得结果更具工程参考价值。
3. 分析方法的先进性：综合运用了时域、频域、空间傅里叶变换、功率谱密度、行波能量等多种分析方法，并创新性地开发和应用了基于统计评估的小波变换算法，用于提取稳健的不稳定性前兆指标。
4. 重要发现的明确性：明确得出“在进气畸变条件下，失稳起始恒为尖峰型”以及“中速下模态扰动与畸变相互作用催生尖峰”等关键结论，并系统比较了不同预警方法在瞬态畸变下的性能，指出了阈值设定的共性问题。
5. 对工程应用的直接指导：研究结论直接指向未来主动稳定性控制系统的设计思路，强调了探测方法鲁棒性和分级控制策略的重要性。