涡扇航空发动机是目前世界上军用和大型民用飞机常用的动力装置。轴流压气机作为涡扇航空发动机的核心部件之一,其工作负荷能力和稳定性对整个系统的工作效率和可靠性有着重要作用。对其失稳的机理分析、预测和控制是长期困扰涡扇航空发动机性能提升的技术瓶颈。随着现代涡扇航空发动机朝着更高单级压比和更少级数的发展,必然要求压气机叶片负荷越来越高,导致发动机工作裕度和抗干扰能力的下降。进气道出口流场对发动机正常运行的影响逐渐明显,压气机进口气流非均匀(进口畸变)已是诱发其内部气流流动失稳的重要因素之一,极大地限制了轴流压气机的性能及稳定运行范围。为了获取涡扇航空发动机压缩系统更高的可靠性和效率,借助于轴流压气机失稳预测技术的研究,在出现失稳现象前,能够采取有效的预警方案,实现在轴流压气机出现微小失稳征兆时就及时诊断,确保在满足稳定性要求的同时最大限度提升涡扇航空发动机的性能。此外,失稳预警的研究还可以为主动控制提供充足的反应时间,调整涡扇航空发动机进口畸变条件下的工作状态。因此,有必要在轴流压气机失稳的建模与预测方面进行深入研究,对进口畸变条件下轴流压气机内部气流流动失稳触发机理的认识,并对其进行有效地预警,对于提高压缩系统的抗畸变能力和拓宽轴流压气机的稳定工作范围,具有十分重要的理论价值与实际意义。为了深入理解进口畸变下轴流压气机的失稳机理及有效地对其预警,考虑压气机进口周向总压畸变情况,本文开展了以下几个方面的工作:1.进口畸变下轴流压气机失速机理的分析。考虑一类压气机前缘放置畸变片的周向总压畸变情况,提出了一个高阶畸变模型用于描述轴流压气机进口畸变下的旋转失速现象,特别是失速初始扰动的发展过程。首先,选取经典的局部流量二次型函数来定量地描述均匀气流通过畸变片的压力升。通过联立稳态气流下的压气机特性函数,构造一个特定畸变下压气机稳态特征函数来表达压气机内气流与畸变扰动气流间的耦合并表达整个系统的动态。其次,基于各组件的流动模型,采用Galerkin截取和周向空间离散化方法,推导了一个以状态空间形式的高阶畸变模型。该模型不仅能够描述已有模型或实验得到的进口畸变下旋转失速基本特性(轴向速度周向不一致,压气机性能下降以及失速提前发生),而且能够描述畸变下旋转失速初始扰动的发展过程。最后,基于Mansoux-C2压气机相应的参数,对18阶的畸变模型(相对应N=8阶失速模态)进行数值仿真来验证该高阶畸变模型的有效性。2.基于确定学习理论轴流压气机旋转失速预警的研究。针对周向总压畸变,提出了基于确定学习理论轴流压气机进口畸变条件下的失速预警方案,实现了在压气机出现微小失速征兆时给出预警信号。该失速预警方案主要是对复杂的非线性失速先兆动态进行辨识和识别的过程,通过对被测系统的失速先兆模式的识别给出失速预警信号。首先,采用确定学习理论,在未知建模动态存在的条件下,分别对系统失速前正常模式和失速先兆模式的内部动态进行局部准确建模,所获得的建模结果以常数权值形式的径向基函数(RBF)神经网络存储在失速模式库中。其次,基于失速模式库,采用动态模式识别方法构造动态估计器,获取待测系统的动态误差,并在L1范数度量下通过最小残差原理判断待测系统是否进入初始扰动状态,以此对待测系统提出预警信号。在失速先兆动态的辨识阶段,基于确定学习理论实现了对结构不确定复杂非线性系统的动态建模,使得该失速预警算法具有一定的鲁棒性。最后,通过数值仿真和低速轴流压气机试验台的畸变实验,对所提失速预警方案的有效性进行了理论和实验验证。3.短尺度突尖型失速预警的研究。基于确定学习理论,进一步地研究了轴流压气机畸变条件下突尖型失速预警。在多级高速发动机实际的运行中,短尺度的突尖型失速是较为普遍存在的一种流动失稳现象,特别是压气机进口畸变条件下能够诱发突尖型失速的发生。针对进口畸变诱发的突尖型失速时态数据,提出了基于数据的失速预警方案。该失速预警方案通过对包含外部扰动的微小且快速变化的失速动态进行RBF神经网络建模和动态模式快速识别,实现了在不同运行条件下对短尺度突尖型失速的提前预警,为多级高速压气机试验台的失速预警研究提供理论基础。最后,采用高阶畸变模型产生的突尖型失速数据,数值仿真验证了该基于数据的突尖型失速预警方法的有效性。