● 摘要
与传统单排叶栅相比，串列叶栅是由前后两排叶栅承担气流转角，气流在后排叶栅的表面形成一个新的附面层，这将在很大程度上推迟流动分离的发生。所以合理的应用串列叶栅将有效的提高压气机的负荷。亚音速串列转子的研究工作开展较早，技术相对成熟，其总压比和绝热效率都能够达到很高的水平，而且保证失速裕度也可以与传统叶片相当，但跨音速串列转子存在很严重的裕度问题。本文就是以研究和解决跨音速串列转子的裕度问题展开，分为三个主要部分：跨音速串列转子的设计，不同工况下的失速机制以及采用处理机匣技术之后的扩稳效果。
首先，本文设计了叶尖切线速度为450m/s，负荷系数在0.56的高负荷跨音速串列转子。采用以轴对称假设为基础的流线曲率法，通过任意中弧线叶片造型，得到叶片的三维结构。研究了进口轮毂比、前后排叶片负荷分布、周向相对位置等参数对串列转子特性的影响。结果表明，针对串列转子，为了在保证总压比的前提下，降低叶根的绝对马赫数，进口轮毂比应在0.6以上，前排叶片的负荷应占总负荷的50%~60%；为了实现后排叶片通道无激波的设计，周向相对位置应定在85%。并在以上原则指导下进行了串列转子的设计工作，三维数值模拟结果表明：在设计点，串列转子的总压比为2.724，绝热效率为86.59%；在最高效率点，总比为2.889，绝热效率为88.97%；串列转子的裕度为7.9%。
其次，针对跨音速串列转子进行失速机制的研究。先分析了常规设计情况（叶尖间隙0.5mm，PP值为85%）下，串列转子叶尖泄漏流的流动特点与失速机制，并以此为基础，研究了间隙变化、PP值变化对串列转子失速机制的影响，同时分析了串列转子通道激波的特点，为处理机匣的应用提供理论基础。本文根据叶尖泄漏流起始位置的不同，将叶尖流场分为四个区域进行分析，分析表明叶尖间隙的大小决定了串列转子的失速机制，当间隙较小时，流场失速机制为前排叶片叶尖区域的尾迹与径向潜流堵塞后排叶片通道；当间隙较大时，流场失速机制为前排叶片叶尖泄漏流堵塞。 PP值的变化也会对串列转子的失速机制产生影响，随着PP值的增加，引起堵塞位置也从后排叶片向前排叶片发展；此外，串列转子叶尖激波结构确实有别于传统的单排叶片，在近失速点，串列转子的叶尖激波并没有溢出，仍然在叶片通道内，这也决定了在应用处理机匣技术时，其具体结构也要做出相应的改变。
最后在跨音速串列转子上采用处理机匣技术，希望改善其裕度问题。首先从考虑激波与处理槽搭接量的关系出发，研究搭接量（AO）为35%，50%以及75%的处理机匣，得出结论：AO值过小，会使得处理槽的抽吸量不足，裕度得不到有效提升；AO值过大，会使得激波与处理槽提前相遇，导致很大的流动损失；在AO值的选择上，应该以串列转子最高效率时的激波位置为准。其次从减小掺混损失的角度出发，研究了全通槽与桥式槽的处理机匣，结论为：全通槽可以根据激波位置自行调节抽吸位置，但其覆盖范围广，流动损失大；桥式槽的掺混损失小，但需要根据近失速点与最高效率点时的激波位置，确定抽吸槽的范围。当采用AO值为50%的桥式槽时，对串列转子的优化效果最好，保持了设计点的总压比，效率减低了0.9%，裕度从7.9%提高到了15%。处理机匣对失速的控制体现在延缓通道内激波的发展，使得激波位置得到了控制，叶片表面的压力分布便得到了控制，从而达到控制叶尖泄漏流的作用。