● 摘要
紧凑性一直是航空发动机孜孜不倦追求的目标，紧凑性的提高可以增大发动机的推重比、提高发动机的可靠性、降低发动机全周期维护成本，通过合理的设计也可以提高发动机的燃油经济性、降低噪声排放。在目前多转子涡轮风扇发动机中，压缩系统在发动机的总长度以及总重量中占有非常大的比重，因而成为航空发动机紧凑化过程中的主要关注部件。与涡轮不同，压气机部件内的流体经历的是一个逆压梯度的过程，而流体在逆压流动的情况下容易发生流动失稳。另一方面，由于叶轮机械内部固有的非定常流动特点，当压缩系统的紧凑性提高后，会增大上下游部件之间非定常、非均匀性的影响。因此，必须在考虑非定常涡量场的情况下，研究进一步提高压缩系统紧凑性的方法。这一研究所面临的两个主要矛盾就是，必须考虑由于压缩系统紧凑性提高，使得压缩系统工作在较强的非定常涡量场条件下，所带来的流动失稳以及上下游部件干扰问题。研究内容从三个层面展开：针对压气机级内部，由于紧凑性的提高，导致的级负荷增大，会带来级效率下降、裕度下降的问题。因此设计了一种新概念的处理机匣，在跨声速压气机转子上的数值模拟显示，该处理机匣可以大幅提高压气机的裕度，同时维持与实壁机匣相同的效率水平。在压气机级间，采用无导叶对转可以在常规压气机一级的长度上实现两倍左右的压比，因而可以大幅缩短压缩系统长度，但由此会使得上下游之间的干扰加强，并且两级转子的失速规律也和常规压气机级有所不同。因此通过实验研究了对旋压气机在设计转速下的失速特征，并且建立了两级压气机不同转速匹配对于失速点影响的模型，通过实验验证了模型的有效性，并且指出了对旋压气机前后级失速顺序的规律。在多转子发动机中，由于转子之间径向高度的不同，因而会存在较长的过渡段。由于过渡段机匣、轮毂处的不同曲率组合，使得两处的流动现象非常不同，也特别容易在轮毂处发生流动分离。通过建立轴对称坐标系下曲率表面附面层发展的模型，研究了凹凸曲率对于附面层发展的影响。并且根据模型的研究结果，指出将过渡段上游静子置于过渡段内的耦合设计方案可以增强过渡段内流动的稳定性，同时可以缩短过渡段与静子的总长度。最后在静子与过渡段耦合实验件上进行实验，验证了这一结论。