● 摘要
航空发动机在航空技术发展过程中起着至关重要的作用，它不仅仅为飞机提供动力，同时也是推动航空技术发展的原动力。当今，无论空军还是民航都在快速发展，其对于航空发动机的要求也不断提高。因此，当前航空发动机正朝着高负荷、高效率、宽的工作范围以及较少的级数的方向发展。作为航空发动机三大部件之一的压气机/风扇，更高的单级压比、效率以及更高的级负荷就成为其当前的发展需求及关键技术。然而，压气机/风扇级负荷的提高与其稳定工作范围的拓宽是相悖的，也就是说压气机/风扇的级负荷越高其要求的工作条件就更加苛刻。一旦压气机/风扇的失稳裕度过小，就意味着当压气机/风扇流量变化时更加容易失稳，而这一变化将会给发动机带来不同程度的损伤，轻则导致发动机性能急剧恶化，重则会使发动机熄火，甚至会造成发动机毁坏。为此，对于压气机/风扇的流动不稳定现象，尤其是针对压气机/风扇的失稳先兆的研究是必不可少的。 本文从跨声速压气机的流动不稳定现象出发，首先对该型压气机的失稳过程开展了实验研究，重点分析了该型串列静子单级压气机失稳过程的流动特征；然后，对该型压气机的低频流动不稳定现象的产生、发展及其诱导叶尖旋转失速团出现的整个过程进行了细致的描述，认为该低频流动不稳定现象就是该型压气机的失稳先兆；同时，在研究过程中发现该低频流动不稳定现象具有频率低（约4%转子转动频率）、幅值大、轴对称且只发生在50%叶高以下区域等特征，因而将其命名为局部喘振。 其次，本文引入了Helmholtz共振腔理论以及Greizter等人提出的Duct-Compressor-Plenum系统模型理论对局部喘振的低频特性开展了研究，在此之前，针对整个试验系统的模型简化方法以及该型压气机试验系统Helmholtz共振频率的影响因素进行了详细的讨论，从理论和实验两个方面分别进行了相应的验证，得出了该型复杂试验系统的Helmholtz共振频率的估算方法；然后，通过更改试验系统的几何尺寸对局部喘振的低频特性进行了研究，结果表明：局部喘振频率随着系统Helmholtz共振频率的下降而减小，并且二者的频率值也趋于一致，得出了局部喘振频率就是系统Helmholtz共振频率这一结论。 最后，本文针对局部喘振现象进行了数值模拟，主要目的是探究局部喘振现象产生的物理机制，数值结果表明：局部喘振出现之前，该型压气机的串列静子中第二排静子叶根区域出现了较大的分离，随着流量的不断减小，分离区域则不断的增加；同时，转子叶根区域的D因子也随之增大，在近失速点时，转子叶根区域D因子达到并超过了工程上的临界值0.6，结合对整个流场的分析，最终本文认为局部喘振现象是由于压气机叶根区域负荷过大导致的。