压气机

1．研究背景与意义

压气机/风扇是航空发动机以及其他燃气轮机的核心部件，其性能（效率，负荷等）直接影响整台发动机/燃机的性能指标。随着航空发动机与叶轮机械的发展，对压气机的负荷要求越来越高，而随着负荷的增大，端壁附面层流动与叶尖泄漏流动变得越加复杂，尤其是在动叶过载情况下，吸力面分离加剧，通流能力急剧下降，易发生失速现象[1]。

压气机端壁附面层流动和叶尖泄漏流动与压气机效率及工作稳定性密切相关，间隙泄漏与端壁及叶片表面附面层的相互作用，叶尖泄漏涡、顶部通道涡、分离涡等间隙涡系的生成、演化及相互干涉，这些都导致叶尖区域附面层增厚、气流阻塞、形成高损失核心等。

因此研究端壁附面层流动与叶尖泄漏流动以及二者间的相互作用，进而采取相应的端部流动控制技术（如端弯、机匣处理、端部吹/吸气等），对提高压气机的负荷、减小端部损失、提高压气机效率，增加稳定工作范围有重大意义。

本文通过对带动叶顶部可调附加导叶的压气机内部流动进行数值模拟，研究压气机端部流动的发展、演化模式以及压气机顶部通道涡、泄漏涡、分离涡等发展与相互干涉，进而设计压气机动叶顶部可调附加导叶，并进行流动数值模拟与匹配研究，为通过带动叶顶部可调附加导叶扩稳研究奠定基础。

2．国内外研究现状

自上世纪中期以来，国内外学者对叶轮机械端部二次流动、泄漏流动、附面层发展与分离以及损失机理进行了大量研究[2-8]，促进了对叶轮机械内部流动的认识，并发展了一些估计叶尖泄漏损失与端壁损失的工程计算模型[2、3]。

压气机（尤其是多级压气机）端部流动非常复杂：附面层的发展与分离、泄漏流动的产生与泄漏涡的破裂、刮削涡流、横向二次流动以及以上流动现象的相互作用、相互影响，特别是在跨、超音压气机中激波与端壁附面层和泄漏流动相互干涉等，端部流动呈现出强三维非定常特性。

由于实验研究受实验设备，测试手段的以及端壁结构的限制，端区流动无法详细测量，更不可能获得端区失速微团发展与流动细节。而CFD虽然可以获得较为详细的流动图谱，但由于数值方法与计算能力的限制，还不能直接求解NS方程，而且受流体力学理论发展的限制（如对湍流、转捩等尚未认识清楚，其计算模型有待发展等），其模拟结果还有待验证。因此对端部流动与损失机理尚未完全认识清楚。

但是，大量研究结果表明，压气机端部流动与失速、喘振密切相关[9-14]。I.WILKE也指出：1）当压气机过载时，吸力面区域

的附面层分离“卒发”将导致流道的阻塞
，进而导致失速发生[14]；2）即使叶片没有发生过载，也有可能由于叶尖复杂的间隙流动而发生失速。

因此，为了改善端区流动以提高压气机性能，进行了一系列流动控制研究。主要集中在以下几个方面：

（1）机匣处理技术[15-26] ，利用缝、槽或导流片形成回流或射流以激励叶尖区域低能流体，达到推迟端区气流分离、延迟失速发生、扩大稳定工作范围等目的 [27]，且折线斜缝式[23] 或凹槽导流叶片式[25]机匣处理还具有兼顾效率和裕度的特点，但文献[17]和文献[23]也指出，机匣处理几何参数的选择具有强烈的针对性和不可逆性，且叶顶处基元叶片的气流流动，由于机匣处理的作用变得相当紊乱，包括缝中逆主流而上的二次流动、从叶顶上游射入叶栅槽道的射流、离心力驱使形成的径向流动等，导致流动损失加大；

（2）端弯技术 [28] 和转子前加装可转导叶技术[25，27]，通过局部扭转接近端壁区域的叶型剖面或导叶预旋，以适应并改善小流量工况下压气机端区的正攻角流动状态从而扩大稳定工作范围，但不足之处在于可改善小流量工况下端区流动状况的叶片端弯或导叶预旋参数选择无法与压气机其它工况下端区流动状态匹配，从而使得这些工作条件下压气机效率、压比下降，且可转导叶技术还带来装置复杂、造价增加等问题；

（3）叶尖吹/吸气技术[29]，通过对端区低能流体施加外部激励以延迟气流分离，但实施该技术需要提供额外的能量和较为复杂的装置。

从上述的压气机叶尖间隙流动控制方法来看，下面两个问题值得研究者探讨，其一是具有几何参数固定特点的间隙流动控制措施与压气机不同工况下间隙流动的匹配问题，叶尖泄漏流动演化及其与端壁附面层相互干涉过程与压气机工作状态密切相关，Wilke等[1]和Furukawa等[29]的研究表明不同工作状态下压气机叶尖涡系的位置、影响范围及相互作用模式有着本质区别，因此主要为了解决压气机小流量工况下间隙内流动阻塞问题的、具有强烈针对性的机匣处理或叶片端弯等技术不可能适应多工况下的叶尖间隙流动状态，有可能导致其它工况下压气机性能蜕化；其二是间隙内流动复杂性增强和附加流动损失问题，有些间隙流动控制措施，如机匣处理、叶尖吹/吸气等可能导致间隙流动的复杂性进加强，气流脉动及分离增强，紊流区域扩大，某些条件下将产生较大的附加流动损失，使得压气机失速裕度增加而效率却无法保证[30，31]。

为了进一步扩大高负荷压气机稳定工作范围并兼顾效率，有必要将适

应不同工况下叶尖间隙流动状态、构造良好间隙流型的可调附加叶片[32]概念引入
到压气机端区流动控制中，并深入研究和理解应用该技术的压气机端区真实流动演化过程。

3．主要研究内容

本文通过对带动叶顶部可调附加导叶的压气机内部流动进行数值模拟，研究压气机端部流动的发展、演化模式以及压气机顶部通道涡、泄漏涡、分离涡等发展与相互干涉，进而设计压气机动叶顶部可调附加导叶，并进行流动数值模拟与匹配研究，为通过带动叶顶部可调附加导叶扩稳研究奠定基础。

1、低速压气机内部流动数值研究，揭示压气机不同工况下顶部流动细节；

2、动叶顶部可调附加导叶叶型设计；

3、可调附加导叶和与动叶二维匹配设计研究，数值模拟不同工况下流动与二者的相互干涉；

4、带可调附加导叶的动叶顶部流动三维研究与分析。