● 摘要
轴流大小叶片是始于20世纪70年代的一种先进的气动布局，目前已引起了国内外航空领域的重视。但是对大小叶片内部流动机理的认识不足，阻碍了大小叶片在工程设计中的广泛应用。本文通过数值模拟方法，对亚音、超跨音条件下的大小叶片压气机内部流动机理进行了详细地分析，完成了大小叶片初步的优化分析，并对大小叶片内部的非定常流动特征进行了分析讨论。二维亚音大小叶片叶栅流动的分析表明：在大小叶片压气机叶栅中，单位质量流体承受的周向力较常规叶栅更高，因而可以有效降低叶栅落后角；采用大小叶片可以在当量稠度较高的情况下减弱叶片前部势干扰引起的有效攻角降低，使整个叶栅可以在攻角较低（或高流量）状态下保持较高的性能。这些优势在大弯角叶栅中表现得最为明显。同时，在攻角较高时，小叶片可以有效抑制大叶片吸力面分离区的发展并减弱由此导致的负荷下降。大小叶片叶栅具有特有的稠度特性，小叶片弦长和大叶片栅距这两个参数变化的双重作用使得大小叶片的性能随当量稠度的变化形式非常复杂，其中小叶片前缘与叶栅有效通道入口的相对位置对叶栅性能的影响值得注意；按通用方法设计的大小叶片叶栅中小叶片前缘存在正有效攻角，其值受中弧线形状、叶栅弯角以及小叶片弦长等多种因素的综合影响，对叶栅整体性能存在一定程度的影响。二维跨音小弯角大小叶片叶栅流动的分析表明：降低小叶片前缘角并使小叶片中弧线呈S形，可以有效控制大叶片吸力面附面层发展、消除小叶片吸力面激波，同时大、小叶片的负荷分配更趋于合理。 对亚音、大小叶片平面叶栅三维流动的分析表明：在正攻角情况下，大小叶片叶栅中存在大叶片泄漏流与小叶片叶尖间隙的相互作用，这种相互作用引起低能流团在小叶片吸力面角区或相邻大叶片压力面角区的堆积，导致大小叶片尖部流动的恶化，小叶片靠近大叶片吸力面会使这种恶化更为严重；在大小叶片叶栅的吸力面/端壁角区流动中，角区分离区的发展取决于三维附面层发展和端壁附面层迁移的综合作用，小叶片前缘正有效攻角促进了端壁附面层的迁移，从而抑制大叶片根部的分离区的发展。在大弯角叶栅中，小叶片对角区流动的控制最为明显。对二维大小叶片叶栅的优化分析表明：小叶片弦长、前缘点纵坐标和小叶片前缘角是影响二维大小叶片叶栅性能最重要的因素；DOE+响应面方法优化较之遗传算法可以在更少的优化步骤的前提下得出较优的结果，比较适于大小叶片叶栅的优化分析；对大小叶片平面叶栅的优化表明，正弯是改善大小叶片角区和间隙流动最有效的方法；对大弯角大小叶片单转子的优化分析，发现根部叶片负荷靠前，尖部负荷靠后有利于改善叶栅的整体性能。在非定常流动分析中，对大小叶片—上游导叶和大小叶片—下游静子非定常压力场和熵场进行了详细的分析。研究表明小叶片对上游尾迹传播的影响较小，但其隔离了下游叶片和通道的势影响，增强了转子通道内的非定常压力脉动，并促进了压力波向上游的传播。该特性在二维叶栅压气机级的非定常研究中进一步得到证实。通过对带导叶的二维压气机级非定常流动的分析表明，由于大小叶片转子促进了非定常压力波的向上游的传播，大小叶片压气机导叶负荷脉动幅值的时序效应更加明显。