题目：多级轴流压气机堵塞及端壁造型机理研究

挑战极限是航空发动机发展的永恒主题，随着发动机推重比要求不断提高，作为其关键子系统的压缩系统也向着更高的极限迈进，其总增压比已达到30的量级，而且已在酝酿高达80的方案。为了实现以上目标，作为压缩系统的部件轴流风扇/压气机必然追求更高的极限负荷，随着负荷的不断增加，压气机端壁区流动问题变得越来越重要，已经影响到压气机性能提高。由端壁区流动分离而产生的堵塞尤为突出，造成压气机叶栅加功能力急剧下降，成为限制压气机负荷水平进一步提升的瓶颈。审视压气机气动设计体系中各种不确定因素，对改进和提升压缩系统的气动性能都具有重要意义。对照外流飞机设计中，采用“跨声速面积律”设计的具有低阻力特性的翼身组合体外形，当前压气机气动设计体系中存在一个科学事实是，多级轴流压气机子午通道流路设计中没有计入叶排与空腔中“存在”与“不存在”叶片所造成堵塞影响的差别。本文正是从“多级轴流压气机子午流道形状存在的不确定性”出发，探索具有低堵塞特性的流道设计方法，改善端壁区流动堵塞问题。首先，研究表明在常规压气机流道设计中并没有考虑叶片存在所产生的影响，如果计入此影响，则机匣与轮毂起码有一方不应再是曲率单调变化的曲线。与之对照，在外流飞机设计中也存在相似的问题。早在半个世纪以前，为了跨越“音障”，Whitecomb提出了“跨声速面积律”，采用“跨声速面积律”设计的具有“蜂腰构型”机身的战斗机F-102是世界上第一种真正实现超音速飞行的有人驾驶战斗机。此设计就充分考虑了机翼和机身的相互影响。因此，对于多级轴流压气机子午流道气动布局来说，本文提出了压气机内“堵塞律”准则，在子午流道设计中考虑叶片的影响。其次，按照压气机内“堵塞律”准则的需求，建立了用于压气机子午流道设计的端壁堵塞模型，模型包含两个方面：叶片的折合堵塞和环壁附面层堵塞。其中，叶片的折合堵塞解决了在子午流道设计中考虑叶片的影响，并根据不同叶高对端壁影响程度不同进行了权重处理。环壁附面层的堵塞主要考虑了在逆压力梯度下，壁面附面层的发展对流道内实际流动产生的堵塞作用。因此，通过端壁堵塞模型的建立，利用“堵塞律”准则，给出了考虑叶片影响的压气机子午流道设计的方法。再次，为了证明本文提出的基于“堵塞律”的多级轴流压气机子午流道设计方法的适用性，对一台四级高负荷压气机进行了从一维到三维的气动设计。对所设计的四级压气机进行三维数值模拟，结果表明，此子午流道设计方法改善了压气机端区的堵塞特性，增加了压气机的工作流量及流量范围，提高了压气机的整体性能。最后，由于在轴流压气机内，堵塞主要来自端区的气动堵塞，而流道内的气动堵塞受三维流动影响，具有明显的非对称特性。针对这个问题，受基于“堵塞律”的压气机子午流道设计方法启发，希望通过端壁这个设计自由度，来改善端区的气动堵塞。因此，本文尝试在ATS-2风扇静子中，进行端壁的轴对称造型和非轴对称造型，来减少叶栅出口的气动堵塞，结果表明，端壁造型能有效的抑制端壁角区分离的发生，减少端壁区的气动堵塞。