题目：叶片顶部几何对轴流压气机气动性能影响的研究

叶顶泄漏流对压气机性能有着重要影响，研究人员就如何减轻叶顶泄漏流的负面影响做了大量的研究工作，主要集中在对处理机匣的优化设计及其流动机理的理解，另外也有部分研究工作围绕叶片顶部几何形状的优化展开。本文系统深入地研究了叶顶几何形状对压气机气动性能的影响以及流动机理，探索通过改变叶顶几何形状来提高压气机气动性能。首先在水槽中利用氢气泡进行了流场显示实验，研究的叶顶几何形状包括基准平叶顶、叶顶吸力面加肋条、叶顶开槽以及叶顶压力面延伸。通过流场显示获取了不同叶顶几何形状在不同攻角下叶顶角区泄漏涡以及通道角涡的产生、发展、破裂以及它们之间相互作用的流动图画，结果表明吸力面肋条叶顶使得泄漏涡在靠前的位置卷起，前部泄漏相比基准变强，而叶顶开槽使得泄漏涡的卷起略有推迟，而叶顶压力面延伸情况则使得泄漏涡变弱。对不同叶顶间隙内部的流动也进行了比较详细的观测，观察到了吸力面肋条前的流向涡，对于叶顶开槽情况，观察到了槽内流向涡的卷起以及其发展过程，流场显示结果加深了叶顶形状对泄漏流动影响的感性认识。在水槽流场显示的基础上，利用数值模拟研究了叶顶几何形状对压气机叶栅性能的影响，包括叶片顶部开凹槽、叶顶吸力面加肋条以及叶顶压力面延伸情况。结果表明，在叶片顶部开凹槽导致泄漏流量减小，间隙内部的损失变大，同时在出口处叶顶区域造成了较大的通道堵塞，叶顶的负荷降低，叶栅出口气流角度以及叶片周向力变小，扩压能力下降。凹槽的深度和宽度越大，对泄漏流的阻碍越显著，间隙内部的损失越大，叶栅扩压能力的下降越显著。而对于叶顶吸力面加肋条情况，其对应的泄漏流量大于基准，叶顶的负荷较大，叶栅的出口气流角以及叶片周向力变大，叶栅的扩压能力略微提高，但出口流量平均总压损失也略微变大。同时肋条高度越大，宽度越小，叶顶的负荷增加越大，叶栅的扩压能力越强。而对于压力面延伸情况，其对应的泄漏流变弱，但是其扩压能力下降，叶栅性能下降。基于数值模拟结果，在低速平面叶栅风洞试验台上就叶顶几何形状对叶栅性能的影响进行了实验研究。利用5孔针测量了不同攻角下平面叶栅的出口流场，同时测量了端壁静压分布以及静压脉动的分布，结果表明叶顶开槽使得泄漏变弱，但泄漏涡造成的通道堵塞大于基准，叶栅扩压能力下降。槽的宽度越大和深度越大，对应的叶栅扩压能力下降越显著。叶顶吸力面加肋条使得泄漏流变强，泄漏涡的周向影响范围变大，但是其展向范围变小，叶栅出口气流角度变大，当肋条高度较高时，对应的扩压能力高于基准情况，但是总压损失大于基准。对于压力面延伸情况，泄漏涡在出口处造成的通道堵塞较大，出口气流角度较小，叶栅扩压能力下降，实验得到的结果与数值模拟结果基本一致。在平面叶栅的研究基础上，利用数值模拟研究了压气机转子叶顶几何形状对气动性能的影响，结果表明叶顶开槽使得泄漏流量变小，间隙内的损失变大，在转子出口处损失变大，其对应的叶顶负荷略微下降，进而叶片周向力小于基准，压气机的静压升性能下降，使得压气机的气动性能下降。叶顶吸力面加肋条情况对应的作用在肋条上的负荷较高，叶片周向力较大，转子平均静压升系数相比基准略有提高，同时总泄漏流量小于基准，而且在转子出口处损失较小，性能相比基准情况有所提高。最后，在低速压气机试验台上就叶顶几何形状对压气机性能的影响进行了实验研究。测量了压气机的级静压升性能以及转子静压升性能，利用5孔针测量了不同流量工况点对应的转子下游流场的径向分布，同时测量了转子通道的壁面静压。结果表明叶顶开槽使得压气机转子的性能相比基准下降，叶顶吸力面肋条情况在大部分流量范围内对应的性能略高于基准情况，叶顶压力面延伸对应的性能相比基准略微下降。总之，本文针对叶顶几何形状对压气机气动性能的影响进行了系统深入的研究，结果表明采用吸力面肋条叶顶可以提高压气机的性能。本文的研究结果为压气机气动性能的提高提供了一种思路，对工程应用具有一定的参考意义。