本文献来自学术会议*proceedings of global power and propulsion society*，于2020年9月7日至9日发表，文章编号为gpps-ch-2020-154。这是一篇报告单一原创性研究的学术论文。
作者与研究机构 本研究的主要作者为刘洋（Yang Liu）、李冀超（Jichao Li，通讯作者）、李宜涵（Yihan Li）、杜娟（Juan Du）、张宏武（Hongwu Zhang）和聂超群（Chaoqun Nie）。所有作者均隶属于中国科学院工程热物理研究所及中国科学院大学，研究地点位于中国北京。
学术背景与研究目的 本研究属于叶轮机械与推进系统领域，具体聚焦于轴流压气机的气动稳定性问题。旋转失速（rotating stall）和喘振（surge）是轴流压气机中两种主要的气动不稳定现象，对其进行预测对于航空发动机等关键设备的稳定、高效运行至关重要。过去的研究已经识别出两种失速先兆类型：突尖型（spike）和模态波型（modal wave），并发展了多种基于信号分析的预测方法，如自/互相关分析、不规则度参数等。然而，在实际航空发动机中，压气机常在复杂的进气条件下工作，其中周向进气畸变（circumferential distortion）是影响稳定性的一个关键因素，通常由飞机大攻角飞行或姿态变化引起。虽然已有许多研究探讨了稳态周向畸变对性能的影响及控制方法，但对于模拟实际畸变发生过程的瞬态周向畸变（transient circumferential distortion）如何影响压气机稳定性，以及现有预测方法在此条件下的适用性，仍需深入探索。
在此背景下，本研究旨在解决一个实际问题：如何在一个更接近真实发动机畸变发生过程的瞬态条件下，有效预测轴流压气机的气动不稳定性。为此，研究团队利用之前工作中开发的快速小波分析（fast wavelet）方法，旨在验证其作为一种气动稳定性预测工具，在面对瞬态周向进气畸变时的可行性与可靠性。本研究的核心目标是，通过实验手段，探究快速小波分析能否及时、准确地反映由瞬态畸变引起的稳定性变化，以及能否评估稳定性控制策略（如叶尖喷气）的效果。
详细研究流程 本研究的工作流程清晰，主要包括实验台搭建与设置、数据采集系统配置、不同进气条件下的实验测试以及基于快速小波分析的数据处理与结果分析。
第一， 实验台与畸变发生器： 研究在一个单转子轴流压气机实验台上进行。该转子叶片基于某高压压气机叶片设计，其主要几何和气动参数已详细列出，如叶片数60、设计转速2400 rpm、设计质量流量2.9 kg/s等。实验台的一个关键设计是用于产生周向进气畸变的装置。研究者设计了一个可升降的平板式畸变发生器（flat-baffle），通过将其从机匣插入进气道的不同深度来模拟不同强度的畸变。研究中定义了三种畸变高度，分别为叶片展向高度的25%、50%和75%。通过快速释放该平板，可以在大约4个转子转数内产生瞬态周向畸变，从而模拟实际畸变的快速生成过程。利用五个五孔梳状总压探针在周向测量，计算得到这三种畸变高度对应的畸变强度（Dc(60)）分别为0.90%、4.12%和24.75%。
第二， 数据采集系统： 实验配备了完善的数据采集系统来捕捉稳态和动态压力信号。 * 稳态测量：在转子上下游的管道上布置了静压测点，用于计算流量系数（φ）和静压升系数（ψ），从而绘制压气机性能线（characteristic line）。此外，还使用总压探针测量了畸变强度和进气条件。 * 动态测量：这是本研究的核心。总共布置了26个高频响压力传感器（Kulite XCS-190），采样频率高于40 kHz，远高于约2.4 kHz的叶片通过频率（blade passing frequency， BPF）。这些传感器的布置具有空间和时间分辨率： 1. 8个传感器在轴向弦长15.08%位置（15.08% cax）周向均匀布置，主要用于捕捉失速先兆（stall inception）的发展和传播路径。 2. 另外4排共22个传感器，从叶片前缘（leading edge, LE）上游9.16%轴向弦长到后缘（trailing edge, TE）下游112.5%轴向弦长范围内部署，沿轴向和弦向分布，用于更详细地捕捉流场动态。 * 控制与过程：实验中，通过直流电机控制节流阀连续、缓慢地关闭，使压气机逐渐逼近失速边界。同时，在特定工况点触发瞬态畸变或开启稳定性控制措施。
第三， 研究方法论与数据分析： 本研究的分析方法基于快速小波分析（或称多分辨率分析）。该方法由Mallat提出，能够同时分析信号的时域和频域特征。文中简述了其数学原理，包括尺度函数、小波函数以及高低通滤波器因子等公式。本研究采用的小波基是Daubechies3小波，具有三阶消失矩。其分析流程是对测量的非稳态压力信号进行分解和重构。关键的一步是提取特定阶次（文中为第六阶）的高频重构信号，将其定义为特征信号（characteristic signal）。先前的研究[14]表明，该特征信号的幅值与叶尖泄漏流（tip leakage flow）的非定常性相关，其频率位于0.2-0.8倍叶片通过频率（BPF）之间，并能提前于失速发生（文中提到可达110个转子转数）出现幅值增长，因此可作为失速先兆的预警指标。本研究的工作流程就是应用此方法，分析在不同进气条件（均匀进气、稳态/瞬态周向畸变、有无叶尖喷气）下采集的动态压力数据，观察特征信号幅值的变化，并将其与压气机的稳定性裕度（stall margin）变化相关联，从而验证该预测工具的有效性。
第四， 稳定性增强策略： 为了进一步测试预测方法对稳定性控制效果的评估能力，研究引入了稳态叶尖喷气（steady tip air injection）作为稳定性增强策略。在转子前缘上游0.6%轴向弦长处周向均匀布置了8个柯恩达（conada）喷注器，喷气质量流量为压气机设计流量的0.41%。研究对比了在均匀进气及不同强度周向畸变下，开启与关闭喷气时压气机的性能及特征信号的变化。
主要结果 实验结果与分析清晰地展示了快速小波分析在预测瞬态畸变影响及评估控制效果方面的能力。
1. 均匀进气条件下的验证： 首先，在均匀进气条件下验证了实验的重复性和基本预测能力。性能线显示四次测试结果基本重合。动态压力分析捕捉到了失速先兆（表现为突尖型spike）的出现和以66.7%转子转速传播的过程。但仅通过低通滤波，失速预警时间仅有约4个转子转数，被认为不足以进行有效的失速预警或主动控制。而应用快速小波分析后，在节流过程中（从φ=0.50到近失速点φ=0.42），特征信号的幅值随着节流阀关闭而逐渐增大。这证实了该特征信号可以作为监测压气机稳定状态的预失速先兆指标。
2. 周向进气畸变条件下的验证： * 性能影响：引入稳态周向畸变后，压气机的失速裕度（stall margin）恶化。通过定义失速裕度变化（SMV）进行量化，结果显示：25%展向畸变高度导致裕度下降3.44%；50%高度导致下降11.14%；75%高度导致大幅下降58.32%。这表明畸变强度（高度）对稳定性有显著的负面影响。 * 瞬态过程：当引入瞬态周向畸变时，性能线会瞬间从均匀进气线跳变到对应的稳态畸变线上，稳定性相应恶化；当畸变消失后，性能线又返回均匀进气线，稳定性恢复。这一过程直观模拟了实际畸变发生与消失的动态效应。 * 特征信号响应：快速小波分析结果至关重要。在均匀进气条件下，特征信号幅值在节流过程中平缓增长。当引入瞬态畸变时： * 对于25%低强度畸变，特征信号仅有轻微增长，与稳定性轻微恶化相对应。 * 对于50%和75%高强度畸变，特征信号在畸变生成的瞬间发生突增，清晰地反映了稳定性状态的急剧恶化。当畸变消失时，信号幅值又下降至接近均匀进气时的水平。 * 特征信号幅值的增长幅度与畸变强度正相关。 这些结果强有力地证明，特征信号能够及时、灵敏地反映瞬态周向进气畸变对压气机稳定性的不利影响。
3. 叶尖喷气控制下的验证： * 性能改善：实施稳态叶尖喷气后，在所有测试条件下（均匀进气及三种强度的周向畸变），压气机的失速裕度均得到提升。通过稳定性改善指标（SMI）量化，提升幅度分别为5.21%（均匀）、4.44%（25%畸变）、3.39%（50%畸变）和8.88%（75%畸变）。值得注意的是，在畸变最强（75%）的情况下，喷气带来的改善比例最大。 * 特征信号响应：快速小波分析显示，在相同工况点（φ=0.43），开启叶尖喷气后，特征信号的幅值在所有情况下均明显下降。幅值下降的程度与稳定性裕度改善的程度相关联。这表明，特征信号不仅能预警失稳，还能定量地反映稳定性控制策略的效果。
结论与价值 本研究通过系统的实验，成功验证了快速小波分析作为一种气动稳定性预测工具在轴流压气机中应用的有效性，特别是在面对瞬态周向进气畸变这一复杂工况时。主要结论如下： 1. 进气周向畸变会导致压气机稳定性恶化，其恶化程度取决于畸变强度。 2. 快速小波分析提取的特征信号，其幅值能够随着瞬态周向畸变的生成而立即增加，随其消失而减小，从而及时反映瞬态畸变对稳定性的不利影响。 3. 稳态叶尖喷气作为一种稳定性增强策略，能够在不同进气条件下改善失速裕度。 4. 特征信号的幅值在喷气开启后相应下降，且下降幅度与稳定性改善程度相关，证明该工具能够评估稳定性控制策略的效果。 5. 快速小波分析在轴流压气机的气动稳定性状态预测方面具有广阔的应用前景，尤其适用于需要应对动态进气畸变的实际发动机环境，为未来的失速预警和主动控制系统提供了有力的技术支持。
研究亮点 1. 研究对象新颖：聚焦于瞬态周向进气畸变的生成与消失过程，更贴近航空发动机实际面临的动态进气条件，弥补了以往研究多关注稳态畸变的不足。 2. 方法验证场景全面：不仅验证了预测方法在均匀进气下的基本功能，还系统测试了其在瞬态畸变扰动下、以及结合主动控制策略时的表现，验证链条完整，说服力强。 3. 信号分析工具的有效应用：成功将快速小波分析这一方法应用于复杂的工程实际问题，并明确了其提取的特征信号与物理机理（叶尖泄漏流非定常性）及工程指标（稳定性裕度）之间的直接关联，使该方法从理论分析工具转化为具有明确工程意义的预测指标。 4. 实验设计精妙：可调高度的平板式畸变发生器和精密的动态压力传感器阵列（兼具周向和轴向分辨率）为捕捉瞬态过程和流场细节提供了高质量的数据保障。 5. 明确的工程应用价值：研究结论直接指向了在真实发动机中实现更精确的气动不稳定预测和主动控制的潜力，对提高航空发动机的稳定性和工作范围具有重要参考价值。