金属丝网机匣处理结构参数对压气机稳定性的影响机理

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32862

流体力学与飞行力学

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金属丝网机匣处理结构参数对压气机稳定性的影响机理

郑永健¹, 付磊², 刘若阳², 马宁², 张明¹(), 董旭³, 孙大坤¹, 孙晓峰¹^,³

^1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100191
^2.中国航空发动机研究院，北京 101304
^3.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京 100191

收稿日期:2025-10-09 修回日期:2025-10-16 接受日期:2025-11-05 出版日期:2025-11-11 发布日期:2025-11-10
通讯作者: 张明 E-mail:mingzhang@buaa.edu.cn

Influence mechanisms of wire mesh casing treatment structural parameters on compressor stability

Yongjian ZHENG¹, Lei FU², Ruoyang LIU², Ning MA², Ming ZHANG¹(), Xu DONG³, Dakun SUN¹, Xiaofeng SUN¹^,³

^1.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.AECC Aero Engine Academy of China，Beijing 101304，China
^3.Research Institute of Aero-Engine，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2025-10-09 Revised:2025-10-16 Accepted:2025-11-05 Online:2025-11-11 Published:2025-11-10
Contact: Ming ZHANG E-mail:mingzhang@buaa.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为探究金属丝网机匣处理（WMCT）关键结构参数对压气机稳定性的影响规律与扩稳机制，针对WMCT轴向安装位置以及腔深开展研究。采用实验结合数值模拟的方法，研究WMCT在5个轴向位置的扩稳效果，并结合三维流场结构及宏观性能参数变化规律，分析轴向位置对压气机稳定性的作用机制。对于覆盖叶尖前缘的WMCT，通过减小叶尖泄漏涡与叶片吸力面之间的夹角，延缓叶背分离的发生；对于叶中附近且未覆盖叶尖前缘的情况，通过重新组织WMCT覆盖区的流动结构，阻断叶尖泄漏涡在叶片通道中的发展，延缓失速的起始。当轴向位置为20 mm时扩稳效果相对最优，在此基础上研究3个腔深的扩稳效果。结果表明：腔深对叶尖区域堵塞的缓解具有显著作用，且随着腔深增加扩稳效果逐渐增强；当腔深超过10 mm后，对扩稳改善效果影响较小。在扩稳机理方面，WMCT通过调节转子叶片定常载荷分布以提升流动稳定性，同时通过抑制非定常失速先兆的扰动幅值来扩大压缩系统稳定裕度。

关键词: 金属丝网机匣处理, 轴向位置, 腔深, 失速裕度, 扩稳机理

Abstract:

To explore the influence and stabilization mechanism of key structural parameters of the Wire Mesh Casing Treatment （WMCT） on compressor stability， this paper investigates the effects of the axial installation position and cavity depth of WMCT. Based on experimental and numerical simulation methods， the stabilization effects of WMCT at five axial positions were first studied. Combined with the variation laws of three-dimensional flow field structures and macroscopic performance parameters， the mechanism of the axial position on compressor stability was analyzed. For WMCT covering the rotor tip leading edge， it reduces the angle between the tip leakage vortex and the blade suction surface， delaying the occurrence of flow separation on the pressure side. For the case near the mid-span region without covering the tip leading edge， WMCT reorganizes the flow structure in the covered area， blocks the development of the tip leakage vortex in the blade passage， and delays the stall inception. When the axial position is 20 mm， the stabilization effect is relatively optimal. On this basis， three cavity depths were further studied. The results show that cavity depth has a significant effect on relieving the blockage in the tip region， and the effect becomes stronger with increasing depth. When the cavity depth exceeds 10 mm， further increase has little impact. Regarding the stabilization mechanism， WMCT improves flow stability by adjusting the steady aerodynamic load distribution of the rotor blades， and expands the stability margin of the compression system by suppressing the amplitude of unsteady stall precursor disturbances.

Key words: wire mesh casing treatment, axial position, cavity depth, stall margin, stabilization mechanism

中图分类号:

V231

郑永健, 付磊, 刘若阳, 马宁, 张明, 董旭, 孙大坤, 孙晓峰. 金属丝网机匣处理结构参数对压气机稳定性的影响机理[J]. 航空学报, 2026, 47(12): 132862.

Yongjian ZHENG, Lei FU, Ruoyang LIU, Ning MA, Ming ZHANG, Xu DONG, Dakun SUN, Xiaofeng SUN. Influence mechanisms of wire mesh casing treatment structural parameters on compressor stability[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(12): 132862.

图/表 23

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表1

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参考文献 26

[1]	MULLER M W， SCHIFFER H P， HAH C. Effect of circumferential grooves on the aerodynamic performance of an axial single-stage transonic compressor［C］∥ASME Turbo Expo 2007： Power for Land， Sea， and Air. New York： ASME， 2007： 115-124.
[2]	HOUGHTON T， DAY I. Enhancing the stability of subsonic compressors using casing grooves［J］. Journal of Turbomachinery， 2011， 133（2）： 021007.
[3]	DANNER F C T， KAU H P， MULLER M M， et al. Experimental and numerical analysis of axial skewed slot casing treatments for a transonic compressor stage［C］∥ ASME Turbo Expo 2009： Power for Land， Sea， and Air. New York： ASME， 2009： 227-238.
[4]	BA D， ZHANG Q F， DU J， et al. Design optimization of axial slot casing treatment in a highly-loaded mixed-flow compressor［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 107： 106262.
[5]	楚武利，张皓光，吴艳辉，等. 槽式机匣槽宽变化对扩稳效果影响的试验与数值研究［J］. 航空学报， 2008， 29（4）： 866-872.
	CHU W L， ZHANG H G， WU Y H， et al. Impact of grooved width of grooved casing on stall margin improvement［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2008， 29（4）： 866-872 （in Chinese）.
[6]	张皓光，安康，吴艳辉，等. 周向槽轴向位置影响机匣处理扩稳能力的机理［J］. 推进技术， 2016， 37（12）： 2296-2302.
	ZHANG H G， AN K， WU Y H， et al. Mechanism of affecting ability of casing treatment to improve stall margin with varying axial position of circumferential grooves［J］. Journal of Propulsion Technology， 2016， 37（12）： 2296-2302 （in Chinese）.
[7]	MAO X C， LIU B， TANG T Q， et al. The impact of casing groove location on the flow instability in a counter-rotating axial flow compressor［J］. Aerospace Science and Technology， 2018， 76： 250-259.
[8]	李继超，刘乐，杜娟，等. 低速轴流压气机周向单槽机匣处理扩稳实验研究［J］. 航空学报， 2015， 36（5）： 1422-1431.
	LI J C， LIU L， DU J， et al. Experimental investigation of stability enhancement with single circumferential groove casing treatment on a low speed axial compressor［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（5）： 1422-1431 （in Chinese）.
[9]	SAKUMA Y， WATANABE T， HIMENO T， et al. Numerical analysis of flow in a transonic compressor with a single circumferential casing groove： Influence of groove location and depth on flow instability［J］. Journal of Turbomachinery， 2014， 136（3）： 031017.
[10]	RABE D C， HAH C. Application of casing circumferential grooves for improved stall margin in a transonic axial compressor［C］∥ASME Turbo Expo 2002： Power for Land， Sea， and Air. New York： ASME， 2002： 1141-1153.
[11]	段真真，柳阳威，陆利蓬. 周向槽机匣处理对某跨音转子性能的影响［J］. 航空学报， 2014， 35（8）： 2163-2173.
	DUAN Z Z， LIU Y W， LU L P. Influence of circumferential casing grooves on transonic compressor rotor performance［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2014， 35（8）： 2163-2173 （in Chinese）.
[12]	SUN X F， LIU X H， HOU R W， et al. A general theory of flow-instability inception in turbomachinery［J］. AIAA Journal， 2013， 51（7）： 1675-1687.
[13]	SUN X F， SUN D K， LIU X H， et al. Theory of compressor stability enhancement using novel casing treatment， part Ⅰ： Methodology［J］. Journal of Propulsion and Power， 2014， 30（5）： 1224-1235.
[14]	SUN D K， LIU X H， JIN D H， et al. Theory of compressor stability enhancement using novel casing treatment， part Ⅱ： Experiment［J］. Journal of Propulsion and Power， 2014， 30（5）： 1236-1247.
[15]	LI J， SUN D K， XU R， et al. Effect of the foam metal casing treatment on a low-speed axial compressor［C］∥ASME Turbo Expo： Turbomachinery Technical Conference and Exposition. New York： ASME， 2020： 1-11.
[16]	SUN D K， LI J， XU R Z， et al. Effects of the foam metal casing treatment on aerodynamic stability and aerocoustic noise in an axial flow compressor［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 115： 106793.
[17]	ZHANG M， ZHANG J M， HU J H， et al. Effect of wire mesh casing treatment on axial compressor performance and stability［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2024， 37（3）： 60-76.
[18]	ZHANG M， HU J H， FANG Y B， et al. Stability analysis of axial compressors with wire mesh casing treatment［J］. Physics of Fluids， 2023， 35（11）： 114107.
[19]	SUN D K， HU J H， XU D K， et al. Stall inception prediction of transonic compressor with wire mesh casing treatment［J］. AIAA Journal， 2024， 62（2）： 725-740.
[20]	CHEN H， LI Y C， KATZ J. On the interactions of a rotor blade tip flow with axial casing grooves in an axial compressor near the best efficiency point［J］. Journal of Turbomachinery， 2019， 141（1）： 1-11.
[21]	VO H D， TAN C S， GREITZER E M. Criteria for spike initiated rotating stall［J］. Journal of Turbomachinery， 2008， 130（1）： 011023.
[22]	SUDER K L， HATHAWAY M D， THORP S A， et al. Compressor stability enhancement using discrete tip injection［J］. Journal of Turbomachinery， 2001， 123（1）： 14-23.
[23]	CAMP T R， DAY I J. A study of spike and modal stall phenomena in a low-speed axial compressor［J］. Journal of Turbomachinery， 1998， 120（3）： 393-410.
[24]	TIRALAP A， TAN C S， DONAHOO E， et al. Effects of rotor tip blade loading variation on compressor stage performance［J］. Journal of Turbomachinery， 2017， 139（5）： 051006.
[25]	XU D K， DONG X， ZHOU C H， et al. Effect of rotor axial blade loading distribution on compressor stability［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 119： 107230.
[26]	GANNON A J， HOBSON G V. Pre-stall instability distribution over a transonic compressor rotor［J］. Journal of Fluids Engineering： Transactions of the ASME， 2009， 131（5）： 051106.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	转子	静子
叶片数	20	27
机匣内径/mm	600	600
进口轮毂比	0.577	0.699
叶尖间隙/mm	0.6~0.8	0.5
展弦比	1.18	1.40
设计转速/（r·min^-1）	2 930
级压比	1.026 7
级压升系数	0.48

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[1]	赵乐, 王维, 张乐福, 王伟超, 卢金玲, 楚武利. 变转速下跨声速压气机的耦合扩稳方法[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 124942-124942.
[2]	李继超, 刘乐, 杜娟, 王偲臣, 林峰. 低速轴流压气机周向单槽机匣处理扩稳实验研究[J]. 航空学报, 2015, 36(5): 1422-1431.
[3]	康剑雄, 黄国平, 朱俊强, 温殿忠. 离心压气机自循环机匣处理扩稳机理分析[J]. 航空学报, 2014, 35(12): 3264-3272.
[4]	熊珊, 孙大坤, 所秋玲, 陈俊, 孙晓峰. 进气畸变条件下新型机匣处理扩稳效果实验研究[J]. 航空学报, 2013, 34(12): 2692-2700.
[5]	庄平;陆亚钧. 机匣处理对压气机性能和气流结构影响的试验研究[J]. 航空学报, 1986, 7(4): 363-370.