● 摘要
为了实现军用航空发动机推重比15~20的目标，风扇/压气机需要在保证效率和失速裕度不降低的前提下以更少的级数实现发动机所需的压比，因此不断提高级压比并减少级数是风扇/压气机的发展趋势。风扇的级压比不断提高，风扇的负荷也将不断提高，风扇的气动设计难度将随之不断增大，开展单级高负荷风扇的气动设计探索工作有重要的意义：高负荷风扇气动设计技术对涡扇发动性能的提升有着重大的促进作用，同时也为实现推重比15~20的涡扇发动机提供必要的技术储备。
首先，本文以压比2.5的单级风扇为研究对象，对其进行了初步的气动设计和三维数值模拟，通过对其性能特性和内部流场的分析，发现其气动设计结果存在的问题。数值模拟结果表明：随着风扇负荷的提高，静子的进口马赫数和D因子不断增大，静子流动控制难度也不断增大；静子通道内的强激波和大范围的边界层分离导致静子流动堵塞，流动损失增大，不利于风扇气动性能的提高；需要减小静子的进口马赫数以降低静子的流动损失，从而提高风扇的气动性能。
然后，本文根据初步设计的结果对该压比2.5的单级风扇进行了优化设计，改善了风扇的气动性能。初步气动设计的优化结果表明：减小转子的设计轮缘功和落后角，调整转子环量流向分布，减小静子的进口轮毂半径等措施都可以减小静子的进口马赫数；采用串列叶栅的设计可以减弱静子通道内的激波强度，减小吸力面边界层的分离范围，降低静子的流动损失，提高风扇的气动性能。
最后，本文以优化后的单级风扇为基础，通过继续提高风扇的负荷来探索该风扇可能的达到的负荷极限。结果表明：随着风扇负荷的提高，静子通道内的激波不断增强，吸力面边界层分离加重，静子流动堵塞加重；静子流动堵塞加重导致静子的流通能力减小，风扇的流量裕度减小；当静子通道内的激波贯穿整个展高时，静子完全堵塞，静子流量继续减小，将导致转子失速。