本文发表在美国航空航天学会(AIAA)旗下的期刊 Journal of Propulsion and Power 上，发表于2009年5-6月（第25卷第3期）。研究由德国联邦国防军慕尼黑大学的Niko Reuß（通讯作者）和Christian Mundt教授共同完成。该工作旨在通过实验研究联合（稳态与旋转）总压进口畸变对一台五级高压压气机（High-Pressure Compressor, HPC）非稳态运行行为的影响。

本研究的学术背景源于航空发动机性能优化与稳定性控制这一核心工程科学领域。在双转子喷气发动机中，高压压气机承受更高的气动载荷，因此更容易受到旋转失速（Rotating Stall）和喘振（Surge）等气动不稳定现象的威胁。极端飞行机动或低压压气机发生旋转失速时，会在高压压气机进口产生稳态或旋转的总压畸变，恶化压气机进口流场，可能诱发气动失稳，并增加发动机机械负荷。尽管已有一些关于稳态或旋转畸变单独作用的研究，但对于两者耦合作用下的压气机行为，特别是失速过程的研究尚不充分。因此，本研究的目标是深入探究联合畸变对高压压气机运行特性（包括失稳过程）的影响，分析畸变之间的相互作用，并与无畸变基准情况进行比较。

研究的详细工作流程严谨且系统，主要分为几个关键步骤： 1. 实验装置与测试对象： 核心研究对象是名为“rig212”的五级高压压气机，该压气机源自欧洲Turbo Union RB199喷气发动机的研发项目，设计点压比为2.87，质量流量为4.68 kg/s。实验在开式回路试验台进行，由一台1 MW的直流电机驱动。为精确生成可控的进口畸变，研究团队设计并安装了两种畸变发生器（Distortion Generators）：稳态畸变发生器（SDG） 和旋转畸变发生器（RDG）。SDG是一个带有矩形截面栅格的屏幕，在周向60度扇形区内产生稳态总压损失，并可通过步进电机绕环面枢转。RDG则是一个类似的带栅格圆盘，在120度扇形区内产生旋转总压损失，由一台19 kW交流电机驱动，最高转速可达压气机设计转速的65%，并能实现与压气机转子同向（Co-rotating）或反向（Counter-rotating）旋转。这两种发生器可单独或组合使用，从而实现了六种不同的测试构型（C1为无畸变基准，C2为仅SDG，C3/C4为仅RDG同向/反向，C5/C6为SDG与RDG组合同向/反向）。 2. 数据采集系统： 采用了高低频分开的同步数据采集系统。稳态数据采集用于获取质量流量、压比、转速等全局参数，采样率为1000 Hz（平均至100 Hz）。非稳态高频数据采集则用于捕捉畸变和失速 inception 过程的流动脉动，使用Kulite压力传感器，采样率达100 kHz，足以分辨畸变频率和叶片通过频率。关键测量手段包括：在压气机进口周向均匀布置的6个壁面压力传感器阵列，用于分析失速起始过程；在每个级间轴向布置的壁面压力传感器；以及用于测量进口平面（第一级转子前）流场的非稳态三孔探针，这些探针可沿径向从轮毂到机匣移动，结合SDG/RDG的旋转，能够测绘完整的二维流场。 3. 研究流程与数据处理： 研究首先在不同压气机转速线（70%, 80%, 86.7%, 93.3%设计转速）下，对各畸变构型进行了特性线（Compressor Map）测绘，记录了从稳定工况到超过喘振线、进入旋转失速（通过下游节流装置诱发），再开大节流使压气机恢复稳定的完整滞回过程。其次，重点分析了进口平面在畸变条件下的流场（总压、马赫数、气流角分布）。最后，深入研究了超过稳定性边界后的流动发展，特别是失速起始（Stall Inception）和完全发展的旋转失速（Fully Developed Rotating Stall）的特征。数据分析结合了时域分析（观察压力信号叠加）、频域分析（短时傅里叶变换STFT）以及先进的信号处理方法，如用于探测失速前兆的行波能量分析（Traveling Wave Energy Analysis, TWE） 和小波变换（Wavelet Transformation）。

研究获得了一系列重要结果，逻辑上环环相扣： 1. 进口流场结果： 测量证实，畸变强度主要取决于被阻塞的扇形区大小和压气机转速（后者通过影响畸变发生器处的动压）。组合畸变（C5, C6）产生的总压损失最大。一个关键发现是，在组合畸变中，同向旋转的RDG（C5）比反向旋转的RDG（C6）产生了更高的最大总压损失，表明转子叶片在畸变区内的暴露时间更长，影响更大。然而，当单独使用RDG时（C3, C4），同向与反向的差异并不明显，这说明SDG与RDG之间存在相互作用。流场分析还揭示了即使在SDG的非畸变扇形区内，也能检测到RDG的影响，证明了畸变间的相互作用和流动的掺混。 2. 压气机运行特性结果： 所有畸变构型都导致压气机特性线向左下方移动，即质量流量和压比下降，类似于进气节流的效果。性能损失随畸变扇形区增大和压气机转速升高而增加。值得注意的是，在单独使用RDG时，同向旋转畸变（C3）比反向旋转（C4）导致喘振边界（Surge Margin）更大幅度下降，这与Longley等人的发现一致，可能与激发了特定的失速前兆频率有关。然而，在组合畸变（C5, C6）中，这种因旋转方向导致的差异不再明显，表明SDG对RDG产生的涡流有阻尼效应。研究还发现，RDG转速对稳定工况下的性能有影响，转速越高，性能损失略有减小。但在不稳定工况（旋转失速区），RDG转速和旋转方向对失速起始没有系统性影响。 3. 超过稳定性边界的流动分析结果： 这是本研究的核心发现之一。在所有测试构型（包括无畸变基准）和转速下，rig212压气机均表现出由尖峰（Spikes） 起始的失速模式。失速突然发生，在几个转子 revolutions 内，一个快速旋转的 part-span stall cell 迅速发展为缓慢旋转的、占据约55-62%周向范围的 full-span stall cell。在时域信号中，没有观察到明显的失速前兆（Prestall Effects）。轴向布置的传感器显示，旋转失速几乎同时在所有级中开始并轴向传播， stall cell 的宽度在各轴向位置基本一致，这与不可压缩流动的 Greitzer-Moore 模型假设有相似之处。 4. 失速前兆探测的信号分析结果： 应用TWE方法对无畸变构型（C1）的数据进行分析，在70%转速线下，于失速前约60个转子 revolutions 观察到了旋转波能量的增长；但在93.3%高转速下，此现象不明显。然而，在包含畸变（尤其是组合畸变C5, C6）的所有情况下，TWE方法均未能检测到可靠的失速前兆信号。RDG产生的强噪声频谱掩盖了可能存在的微弱模态波。小波变换分析在无畸变时显示出一些潜在的前兆迹象，但在有畸变时同样无法清晰辨识。

基于以上结果，研究得出了明确的结论：耦合的总压进口畸变显著降低了高压压气机的性能，其影响主要取决于畸变扇形区大小和压气机转速。稳态畸变发生器对旋转畸变产生的涡流有阻尼作用。对于 rig212 这台压气机，失速是由尖峰突然触发的，并且在所采用的畸变发生器条件下，没有发现失速前兆的明确证据。先进的信号处理方法（TWE、小波变换）在均匀进气条件下可能有效，但在强进口畸变存在时，其检测能力受到严重限制。

本研究具有重要的科学价值和应用价值。科学上，它首次通过精心设计的实验，系统揭示了稳态与旋转耦合畸变对多级高压压气机流场、性能及失速全过程（特别是失速起始机制）的复杂影响，深化了对畸变-压气机相互作用机理的理解，尤其是发现了SDG的阻尼效应以及畸变条件下失速前兆信号难以探测的现象。应用价值上，该研究为航空发动机进气畸变适应性设计和稳定性监测提供了关键实验数据与见解。它提醒工程界，在真实发动机存在进口畸变的复杂环境下，基于均匀进气假设开发的失速预警系统可能面临挑战。

本研究的亮点突出：首先，研究对象和方法具有高度现实性与创新性，采用了真实的发动机衍生高压压气机 rig212，并创新性地设计了可独立/组合、同向/反向旋转的耦合畸变发生器，模拟了双转子发动机中可能出现的复杂进气条件。其次，实验设计系统而深入，不仅测量了宏观性能，更通过高频测量手段捕捉了从进口流场到失速发展的瞬态细节，形成了完整的数据链。最后，对失速前兆的探究具有批判性和启发性，研究没有简单验证已有理论，而是通过实验指出在强畸变条件下，现有先进探测方法可能失效，这对未来发动机稳定性控制策略的发展提出了重要课题。