尹 松，郭海寧，魏 崍，趙月振，高 山

（中國(guó)航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

為了滿足未來發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求，在保證總壓比提高的同時(shí)，需要最大限度地減小壓氣機(jī)質(zhì)量，其中收益最明顯的途徑就是減少級(jí)數(shù)，提高級(jí)壓比。限于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性的制約，目前的葉片根尖切線速度不宜進(jìn)一步增大，所以級(jí)數(shù)減少、平均級(jí)壓比提高帶來的主要問題就是級(jí)負(fù)荷的增加。壓氣機(jī)級(jí)負(fù)荷增加會(huì)引起流場(chǎng)逆壓梯度增加，更容易使流場(chǎng)產(chǎn)生分離，造成局部不穩(wěn)定流動(dòng)的影響更明顯，從而使壓氣機(jī)整體保持高效穩(wěn)定工作的難度更大。但在氣動(dòng)性能要求方面，為滿足未來軍用飛機(jī)的遠(yuǎn)航、久航、高速突防能力等的需求，對(duì)壓氣機(jī)效率和裕度指標(biāo)的要求反而越來越高。因此，對(duì)于壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)而言，欲同時(shí)兼顧二者，其設(shè)計(jì)難度越來越大。

從二戰(zhàn)結(jié)束到21 世紀(jì)初，軍用戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置經(jīng)歷了數(shù)次更新?lián)Q代，并呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)際上現(xiàn)役推重比8 一級(jí)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)平均級(jí)壓比一般為1.25~1.30，級(jí)數(shù)為7~10；推重比10一級(jí)的軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)平均級(jí)壓比為1.35~1.40；而對(duì)于下一代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)，要求級(jí)數(shù)進(jìn)一步減少1級(jí)或2級(jí)，但葉尖切線速度不增大反而減小，使級(jí)的負(fù)荷系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以往常規(guī)負(fù)荷水平。例如，GE 公司與Allison 預(yù)研公司聯(lián)合研制的4 級(jí)壓氣機(jī)達(dá)到了F100發(fā)動(dòng)機(jī)10級(jí)壓氣機(jī)同樣的總壓比7.8，平均級(jí)壓比為1.67；PW 公司為PW7000 軍用發(fā)動(dòng)機(jī)研制的5 級(jí)高壓壓氣機(jī)，其壓比約為9.5，平均級(jí)壓比為1.57。為了研制更高負(fù)荷的壓氣機(jī)，國(guó)內(nèi)外均已開展了一系列研究。Louis 等[1]研究了壓比為12 的4 級(jí)壓氣機(jī)，通過對(duì)前2級(jí)采用3維葉片反設(shè)計(jì)，使數(shù)值評(píng)估設(shè)計(jì)點(diǎn)主流區(qū)的效率提升約1.5%；Kerrebrock 等[2]采用吸附技術(shù)設(shè)計(jì)出了壓比為27 的3 級(jí)壓氣機(jī)氣動(dòng)方案；陳懋章[3]采用大小葉片技術(shù)設(shè)計(jì)了壓比為6的2級(jí)壓氣機(jī)氣動(dòng)方案。由此可見，為了保證壓氣機(jī)在負(fù)荷提高的同時(shí)還具有良好的氣動(dòng)性能，需要采用一些新的氣動(dòng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)技術(shù)。

本文梳理了高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，并在級(jí)間流場(chǎng)匹配設(shè)計(jì)、泄漏流控制、端區(qū)流動(dòng)組織等方面開展了精細(xì)化設(shè)計(jì)研究。

1 高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題梳理

（1）隨著壓氣機(jī)平均級(jí)負(fù)荷的提高，壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中一直存在的效率與裕度的矛盾會(huì)加劇，二者作為衡量壓氣機(jī)性能的2 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，一直是設(shè)計(jì)中難以調(diào)和的矛盾體，尤其對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)而言，二者的矛盾更為激化。從葉型基元設(shè)計(jì)方面分析，若要使葉型在一個(gè)寬的穩(wěn)定攻角范圍內(nèi)工作，通常會(huì)將設(shè)計(jì)點(diǎn)攻角取為偏堵塞攻角，這樣損失就會(huì)偏大，就不容易獲得高的效率。當(dāng)負(fù)荷增加后，表征葉型負(fù)荷水平的葉型擴(kuò)散因子會(huì)增大，葉型損失就不容易控制，同時(shí)可用攻角范圍也會(huì)減小，這樣更不容易對(duì)二者進(jìn)行取舍。從整個(gè)壓氣機(jī)的匹配來看，為了保證裕度，關(guān)鍵級(jí)的匹配壓比點(diǎn)會(huì)選擇偏低的工作點(diǎn)，比如為了保證高轉(zhuǎn)速裕度，出口級(jí)的匹配壓比點(diǎn)會(huì)偏低，處于偏堵的狀態(tài)，這樣就會(huì)既不利于壓氣機(jī)本身效率的提升，也不利于保證中低轉(zhuǎn)速裕度。

因此，在高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中要保證良好的效率和裕度性能，一方面需要在葉型設(shè)計(jì)上擴(kuò)大葉型穩(wěn)定的可用攻角范圍和降低葉型損失；另一方面需要合理分配各級(jí)以及各轉(zhuǎn)子/靜子的負(fù)荷，構(gòu)建良好的級(jí)間流場(chǎng)匹配。

（2）受端壁附面層和葉片表面邊界層之間相互阻滯作用的影響，角區(qū)附面層相比主流區(qū)來說會(huì)更容易分離，引起損失的增大，Lakshminarayana 等[4]曾總結(jié)出端壁區(qū)的二次流損失大約占總損失的50%～70%。而隨著負(fù)荷的提高，壓氣機(jī)單位長(zhǎng)度通道內(nèi)的氣流擴(kuò)張會(huì)增加，這樣通道內(nèi)的逆壓梯度會(huì)增強(qiáng)、吸力面和壓力面的壓差會(huì)加大，端區(qū)流動(dòng)更容易發(fā)生分離，并與端壁區(qū)的各種間隙泄漏流相互作用，二次流動(dòng)會(huì)更顯著，使損失大大增加，同時(shí)角區(qū)分離流會(huì)發(fā)展擴(kuò)散，與主流相互作用，最終嚴(yán)重影響壓氣機(jī)的效率和裕度。對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)而言，端區(qū)流動(dòng)的控制相比常規(guī)負(fù)荷壓氣機(jī)更具挑戰(zhàn)性[5]。

（3）高負(fù)荷壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)過程中更容易出現(xiàn)因設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致分離失穩(wěn)較大的情況，而對(duì)分離失穩(wěn)現(xiàn)象的捕捉往往是影響3 維仿真軟件性能預(yù)估精度的關(guān)鍵所在，要想在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確診斷流場(chǎng)中的不利因素，從而指導(dǎo)氣動(dòng)方案的修改設(shè)計(jì)，保障設(shè)計(jì)方案的成功率，3維數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用也需要同步完善，采用先進(jìn)的CFD工具可以有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)出一個(gè)性能良好的突破目前空氣動(dòng)力學(xué)限制的軸流壓氣機(jī)[1]。

2 高負(fù)荷壓氣機(jī)流場(chǎng)匹配設(shè)計(jì)

Wisler 等[6]指出流場(chǎng)速度三角形是影響風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能的主要因素，而流量系數(shù)?、負(fù)荷系數(shù)H、反力度R這3 個(gè)無因次參數(shù)又直接決定了速度三角形的形狀，為保證壓氣機(jī)在中低轉(zhuǎn)速均具有良好的效率和裕度，就需要根據(jù)各級(jí)的流場(chǎng)特征合理設(shè)計(jì)速度三角形，即合理選取這3 個(gè)無因次參數(shù)。對(duì)于常規(guī)負(fù)荷來說，流場(chǎng)參數(shù)比較容易控制在一個(gè)合理的范圍，也就比較容易同時(shí)獲得高的效率和裕度。但對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)來說，要想獲得一個(gè)良好的綜合性能，就需要考慮全局流場(chǎng)的平衡，避免顧此失彼。

從Smith總結(jié)的流量系數(shù)、負(fù)荷系數(shù)、效率關(guān)系可知，在相同的負(fù)荷系數(shù)下，適當(dāng)增加流量系數(shù)有利于穩(wěn)定裕度的提高，而效率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。擴(kuò)散因子D為

式中：τ為葉片的稠度。

從式中可見，擴(kuò)散因子隨流量系數(shù)的增大而減小。因此隨著負(fù)荷的增大，在設(shè)計(jì)中首先想到的是提高流量系數(shù)以保證獲得較好的穩(wěn)定性，但為了兼顧效率，流量系數(shù)存在一個(gè)最佳取值。

采用1D設(shè)計(jì)和特性計(jì)算程序進(jìn)行了進(jìn)口級(jí)不同流量系數(shù)和負(fù)荷系數(shù)的方案評(píng)估，進(jìn)口級(jí)不同流量系數(shù)?和負(fù)荷系數(shù)H下的效率和裕度如圖1 所示。通過對(duì)效率和裕度二者的平衡，進(jìn)口級(jí)的負(fù)荷系數(shù)約為0.43，流量系數(shù)約為0.495。

圖1 進(jìn)口級(jí)不同流量系數(shù)?和負(fù)荷系數(shù)H下的效率和裕度

為保證壓氣機(jī)在負(fù)荷增加后具有良好的氣動(dòng)性能，在進(jìn)行流場(chǎng)構(gòu)建時(shí)還需要充分考慮負(fù)荷在各級(jí)間和轉(zhuǎn)靜子間的分配，即反力度的確定。Tony 和Ivor[7]通過CFD 程序計(jì)算不同級(jí)負(fù)荷水平下1 個(gè)單級(jí)壓氣機(jī)的性能，計(jì)算結(jié)果表明負(fù)荷增大至超過傳統(tǒng)設(shè)計(jì)值后，靜子中的損失增加明顯，且根部出現(xiàn)大的分離區(qū)，但若增大級(jí)的反力度，靜子的損失迅速下降，而轉(zhuǎn)子由于不斷有能量加入，其承載能力高于靜葉的承載能力，負(fù)荷增加后，轉(zhuǎn)子的損失雖然有增加，但相比靜子明顯緩和很多，且沒有表現(xiàn)出失速特征。因此可以通過增加級(jí)的反力度來減小靜子負(fù)荷，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子上，保證整個(gè)級(jí)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定增壓能力。進(jìn)口級(jí)反力度R沿葉高的分布如圖2 所示。通常，常規(guī)負(fù)荷壓氣機(jī)基元級(jí)的反力度一般在0.55～0.70 范圍內(nèi)，為研究反力度對(duì)流場(chǎng)的影響，調(diào)整反力度的大小。不同反力度下轉(zhuǎn)子、靜子擴(kuò)散因子D的對(duì)比分別如圖3、4所示。從圖中可見，通過調(diào)整反力度可以使轉(zhuǎn)、靜子的擴(kuò)散因子均得到較好的控制，這樣更有利于流場(chǎng)的匹配和葉型基元性能的優(yōu)化。

圖2 進(jìn)口級(jí)反力度R沿葉高的分布

圖3 不同反力度下轉(zhuǎn)子擴(kuò)散因子D的對(duì)比

圖4 不同反力度下靜子擴(kuò)散因子D的對(duì)比

3 引氣對(duì)流場(chǎng)的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)工作環(huán)境下，需要從壓氣機(jī)中間級(jí)引出一部分氣體，用于渦輪冷卻、封嚴(yán)或提供合適的艙壓等。對(duì)壓氣機(jī)本身而言，以往的研究認(rèn)為引氣不一定會(huì)帶來不利影響，適當(dāng)?shù)囊龤夥炊軌蚩刂凭植苛鲌?chǎng)分離，減小損失，提高增壓能力[8]。但對(duì)于未來發(fā)動(dòng)機(jī)，由于熱負(fù)荷的增加，渦輪對(duì)用于冷卻的高壓級(jí)間引氣量的需求明顯增加，因此引氣所帶來的不利影響需要重新考慮。不僅僅引氣量對(duì)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響，引氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成較大的堵塞和周期不均勻也對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生影響。帶與不帶引氣結(jié)構(gòu)的葉尖流場(chǎng)對(duì)比如圖5 所示。從圖中可見，距集氣腔出口越近，氣流速度越快，進(jìn)而使葉排間的流動(dòng)不均勻，造成下游葉排的攻角周向不均勻。位于引氣位置的2 級(jí)靜子S2出口氣流角如圖6所示。從圖中可見，引氣使出口氣流角發(fā)生了改變，60%葉高以上區(qū)域角度減小約1.5°，即落后角減小，且引氣也影響了整個(gè)葉高的氣流流動(dòng)，50%葉高以下氣流角相應(yīng)增加了1°；引氣位置下游3 級(jí)轉(zhuǎn)子葉片排R3進(jìn)口相對(duì)氣流角分布如圖7所示。從圖中可見，75%葉高以上氣流角最多增大了約2°。這就意味著對(duì)于整個(gè)匹配來說，各級(jí)已經(jīng)偏離了原設(shè)計(jì)預(yù)定值，導(dǎo)致壓氣機(jī)的效率和裕度受到影響。因此在第2 輪壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過程中，在進(jìn)行各排攻角、落后角選取時(shí)做了相應(yīng)的補(bǔ)償，另外，更重要的是對(duì)壓氣機(jī)的引氣結(jié)構(gòu)專門做了引氣流路的優(yōu)化并增加了導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低了引氣沿途損失。

圖5 帶與不帶引氣結(jié)構(gòu)的葉尖流場(chǎng)對(duì)比

圖6 2級(jí)靜子S2出口氣流角

圖7 3級(jí)轉(zhuǎn)子葉片排R3進(jìn)口相對(duì)氣流角分布

4 篦齒間隙泄漏流的影響及控制

Wisler[9]指出，軸流風(fēng)扇/壓氣機(jī)的效率高度依賴于通過動(dòng)葉徑向間隙、葉根燕尾榫頭、靜葉根部篦齒氣體的泄漏量。尤其對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)來說，葉片前后壓差和吸壓力面壓差的增大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)間隙產(chǎn)生的氣體泄漏變得嚴(yán)重，壓氣機(jī)榫連結(jié)構(gòu)根部泄漏流如圖8所示。

關(guān)于封嚴(yán)泄漏會(huì)引起性能衰減的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了大量研究。Wellborn 等[10]指出葉根處的封嚴(yán)泄漏會(huì)影響下游葉排整個(gè)葉高的流動(dòng)，封嚴(yán)間隙增大1%，總壓升下降3%，效率降低1%，封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的影響程度與轉(zhuǎn)子葉尖間隙的影響程度相當(dāng)[11]；Lejambre 等[12]又指出上游封嚴(yán)間隙的泄漏流主要以射流的方式進(jìn)入主流，下游的封嚴(yán)間隙會(huì)對(duì)端區(qū)流動(dòng)產(chǎn)生抽吸作用。中國(guó)也逐漸開展了這方面的研究[13-15]。本文一方面針對(duì)高負(fù)荷壓氣機(jī)研究篦齒間隙泄漏流的影響程度，另一方面探索研究如何控制這部分的間隙泄漏量。

考慮篦齒間隙泄漏流的計(jì)算總特性對(duì)比如圖9所示。相比不考慮封嚴(yán)泄漏流，考慮封嚴(yán)泄漏流的特性與實(shí)際更接近，堵點(diǎn)流量誤差由+1.1%減小到-0.2%，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率偏差由2.36%減小到1.1%。泄漏流使總壓升能力下降，本文計(jì)算結(jié)果顯示大約有0.9%的總壓降幅?？紤]篦齒間隙泄漏流的總壓比分布對(duì)比如圖10 所示。從圖中可見，相比無泄漏情況，考慮泄漏流真實(shí)地反映出了出口流場(chǎng)特征，基本體現(xiàn)出試驗(yàn)測(cè)得的30%葉高附近總壓的虧損?？紤]篦齒間隙泄漏流的流場(chǎng)對(duì)比如圖11所示。從圖中可見，泄漏流使靜子根部尾緣產(chǎn)生了較大的分離。由此可見，對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)而言，必須盡量控制這部分泄漏流。

圖9 考慮篦齒間隙泄漏流的計(jì)算總特性對(duì)比

圖10 考慮篦齒間隙泄漏流的總壓比分布對(duì)比

圖11 考慮篦齒間隙泄漏流的流場(chǎng)對(duì)比

在第1 輪設(shè)計(jì)中，壓氣機(jī)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)靜子下緣板間距偏大，導(dǎo)致篦齒容腔內(nèi)的泄漏流量過大，且采用的篦齒形式為3 平齒式，其上存在的間隙直接連通了靜子前后，使得泄漏流更容易流入靜子前緣。

為了控制泄漏流的大小，在第2 輪試驗(yàn)件設(shè)計(jì)過程中，將2葉排間的軸向間隙縮小，同時(shí)將靜子下原3平齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)改為臺(tái)階齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，平齒封嚴(yán)改為臺(tái)階齒封嚴(yán)如圖12 所示。經(jīng)部件試驗(yàn)驗(yàn)證，出口根部的總壓虧損情況得到較好的改善。

圖12 平齒封嚴(yán)改為臺(tái)階齒封嚴(yán)

5 轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流控制設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流與主流、端壁附面層存在相互干擾作用，對(duì)壓氣機(jī)的效率和氣動(dòng)穩(wěn)定性有較大影響，在滿足壓氣機(jī)可靠性的前提下，間隙取值越小越有利于效率的提高。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線的擴(kuò)大，轉(zhuǎn)子葉片熱負(fù)荷水平不斷提高，轉(zhuǎn)子葉尖間隙的取值相對(duì)越來越大，這樣就不得不充分考慮間隙泄漏流對(duì)性能的影響，甚至需要通過某些手段控制葉尖間隙泄漏流帶來的不利影響。

在評(píng)估葉尖間隙泄漏流對(duì)壓氣機(jī)性能水平的影響時(shí)，為了量化多級(jí)壓氣機(jī)的間隙大小，采用了平均相對(duì)葉尖間隙Δave評(píng)估多級(jí)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子葉尖間隙大小

式中：Δ為轉(zhuǎn)子葉尖間隙；h為轉(zhuǎn)子葉片高度；n為壓氣機(jī)級(jí)數(shù)。

不同葉尖間隙條件下的壓氣機(jī)性能如圖13 所示。從圖中可見，隨著間隙的增大，壓氣機(jī)的壓比和效率均有所降低，且性能衰減速度加快。當(dāng)間隙由0.17% 增大至0.52%、0.87%時(shí)，壓氣機(jī)喘點(diǎn)壓比分別降低了0.5%、2.2%。

圖13 不同葉尖間隙條件下的壓氣機(jī)性能

平均相對(duì)間隙分別為0.17%、0.52%、0.87%時(shí)轉(zhuǎn)子葉尖的總壓分布如圖14 所示。從圖中可見，在泄漏流與主流的干涉作用下，轉(zhuǎn)子葉尖流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。隨著間隙的增大，泄漏流與主流的摻混區(qū)域明顯增大，摻混損失逐漸增大。當(dāng)間隙為0.17%時(shí)，泄漏流損失的影響區(qū)域主要集中于靠近吸力面部分，由于泄漏流能量較低，在近吸力面部分與主流摻混后，獲取了足夠的動(dòng)能后順利的流向下游。當(dāng)間隙增大至0.52%時(shí)，泄漏流的橫向遷移作用增強(qiáng)，其影響區(qū)域逐漸擴(kuò)大至全通道，與相鄰葉片壓力面相交于A點(diǎn)。當(dāng)間隙增大至0.87%時(shí)，泄漏流進(jìn)一步加強(qiáng)，泄漏流軌跡在葉片壓力面的交點(diǎn)A前移，與主流的摻混損失以及在通道內(nèi)的影響區(qū)域均明顯增大。

轉(zhuǎn)子葉尖不同間隙的葉片表面靜壓沿軸向分布如圖15 所示。從圖中可見，在20%軸向弦長(zhǎng)之前，增大間隙后靜壓升高，主要原因在于泄漏流堵塞效應(yīng)的不斷增強(qiáng)導(dǎo)致來流的進(jìn)口攻角增大，前緣駐點(diǎn)逐漸向壓力面偏轉(zhuǎn)。在20%軸向弦長(zhǎng)后，一方面，從壓力面的靜壓對(duì)比來看，隨間隙的增大，由于泄漏流與主流的摻混軌跡逐漸發(fā)展至相鄰葉片壓力面，并產(chǎn)生了較大的流動(dòng)摻混損失，導(dǎo)致壓力面增壓能力不斷降低；另一方面，從吸力面靜壓曲線對(duì)比來看，葉尖間隙為0.17%、0.52%時(shí)的壓力分布基本一致，葉尖間隙增大至0.87%時(shí)，由于堵塞作用增強(qiáng)，激波位置前移且激波強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致增壓能力進(jìn)一步降低。

圖15 轉(zhuǎn)子葉尖不同間隙的葉片表面靜壓沿軸向分布對(duì)比

為減小葉尖泄漏流對(duì)轉(zhuǎn)子效率和穩(wěn)定性帶來的不利影響，可以通過改變?nèi)~尖上方機(jī)匣型線的方式重新組織間隙泄漏流，轉(zhuǎn)子尖部斜槽幾何結(jié)構(gòu)如圖16 所示。從圖中可見，在轉(zhuǎn)子葉尖處的機(jī)匣內(nèi)壁上開斜槽。H2、L1、L2的大小通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來確定。H1的大小影響了端部氣流向下游流動(dòng)產(chǎn)生分離的大小，進(jìn)而影響對(duì)間隙泄漏渦的阻止作用，合理的凸臺(tái)高度可以有效緩解尖部泄漏流的影響，提高壓氣機(jī)的效率。凸臺(tái)高度0.6 mm和光壁機(jī)匣的末級(jí)轉(zhuǎn)子0.975葉高軸向速度分布如圖17 所示。從圖中可見，轉(zhuǎn)子尖部斜槽明顯緩解了葉尖泄漏與端壁附面層的作用所帶來的流通堵塞。轉(zhuǎn)子尖部斜槽對(duì)工作點(diǎn)效率的影響如圖18 所示。從圖中可見，存在最佳的凸臺(tái)尺寸H1使凸臺(tái)帶來的分離損失和間隙泄漏流引起的損失總和最小。

圖16 轉(zhuǎn)子尖部斜槽幾何結(jié)構(gòu)

圖17 末級(jí)轉(zhuǎn)子0.975葉高軸向速度分布

圖18 轉(zhuǎn)子尖部斜槽對(duì)工作點(diǎn)效率的影響

6 波浪壁控制端區(qū)流動(dòng)

當(dāng)葉片負(fù)荷高時(shí)，葉片根部氣流因來流馬赫數(shù)較高和氣流折轉(zhuǎn)角大而容易發(fā)生分離，除了常用葉片3維復(fù)合彎掠造型設(shè)計(jì)控制端區(qū)角區(qū)分離之外，為了進(jìn)一步控制分離流損失，還可將復(fù)合彎掠葉片與流路波浪型設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合[16]，波浪壁流路對(duì)比如圖19 所示，這樣可以有效降低葉型吸力面的峰值馬赫數(shù)，降低根部的逆壓梯度，進(jìn)而減小根部分離的可能性，采用波浪壁流路根部分離區(qū)控制對(duì)比如圖20所示。從圖中可見平直流路和波浪壁流路對(duì)根部流動(dòng)的控制情況，波浪壁流路大大減小了葉片根部的分離區(qū)。

圖19 波浪壁流路對(duì)比

圖20 采用波浪壁流路根部分離區(qū)控制對(duì)比

7 結(jié)論

(1)通過增大級(jí)的反力度，可以有效利用轉(zhuǎn)子高的穩(wěn)定性，緩解負(fù)荷提高后靜子損失大的問題，同時(shí)轉(zhuǎn)靜子的擴(kuò)散因子均可以得到較好地控制，有利于壓氣機(jī)整體的流場(chǎng)匹配。

(2)引氣對(duì)壓氣機(jī)的匹配存在較大影響。一方面在進(jìn)行流場(chǎng)搭建時(shí)需要預(yù)先考慮這部分影響，對(duì)轉(zhuǎn)靜子的攻角、落后角作出相應(yīng)補(bǔ)償；另一方面需要對(duì)引氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低引氣損失，進(jìn)而提高壓氣機(jī)整體效率。

(3)對(duì)篦齒間隙泄漏流、轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的研究表明，對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)而言，必須對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的泄漏流進(jìn)行控制，采用合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以有效控制泄漏流損失。

(4)采用波浪壁流路設(shè)計(jì)可以較好地控制端區(qū)流動(dòng)，減小端區(qū)流動(dòng)分離，提高壓氣機(jī)效率。