题目：轴流压气机周向布局气动设计问题探索

风扇和轴流压气机所组成的压缩系统对于航空燃气涡轮发动机的工作性能及稳定性至关重要。多年来发达国家为寻求高性能的风扇/压气机投入了大量财力、物力和人力进行研发。本文针对高性能的压气机设计问题，提出了一项技术方法，采用耦合流动理论，利用多叶排旋涡流动的相互作用，对叶排布局进行气动设计，以综合提升高负荷的多级轴流压气机气动性能。论文研究始于这样一个疑惑：既然压气机内部旋涡流动现象是强烈非定常的，但是气动设计方法却是严格按照定常流动基本简化假设展开的；那么能否通过对这一矛盾的研究从而大幅提升压气机气动性能与设计水平呢？针对这一问题，本文结合一台虚拟的多级轴流压气机气动设计工作，对压气机内部与性能密切相关的旋涡流动现象、以及为达到高性能目标而在气动设计中所需采取的相应处理技术进行了研究。首先回顾了过去负荷水平下所面临的流动现象与设计技术，然后采用目前工程所采用的设计方法，试图完成现在乃至未来极为需求的高负荷方案设计。由于叶片通道内的非定常旋涡流动恶化了流动性能，构成常规方法难以克服的困难。受耦合流动思想的启发，考虑到多级轴流压气机流动从本质上属于“在同一流场中存在多个具有相对运动物体的非定常涡量场交互作用”的问题[1]，本文转而利用多级压气机中旋涡流动的相互作用对多级流动旋涡流态进行改进，进而提升气动性能。计算结果显示该高负荷气动设计方案超过了原定目标，表明了这一技术具有一定可行性。最后的性能评估表明，对于高负荷设计方案，该技术通过挖掘非定常旋涡流动潜力，在提升多级压气机的压比与效率方面具有可观效益。论文研究具体分解为如下问题：一，界定本文气动设计方法的适用条件。该问题的研究结合定常流动常规设计方法在高负荷多级压气机流动设计中的一些局限性讨论而展开。采用目前工程通用的CFD方法，对一台多级压气机的通流设计方案进行了全三维定常流动的改进研究。二，由于定常流动设计的局限性以及多级流动效应等因素所导致的旋涡流动恶化了气动性能，常规设计方案未能达到原设计目标，因此本文引入高精度差分格式以及MPI并行技术，通过非定常流动数值模拟，研究了高负荷条件下旋涡流动现象的结构与演化特点，计算确定了通道旋涡等三类旋涡流动的特征频率。三，针对旋涡流动特点，利用多级压气机尾迹流动现象与旋涡流动之间的相互作用，对严重制约整体性能的通道旋涡流态进行改进。结合三类旋涡流动的特征频率等特点，尝试频谱耦合以诱导旋涡流态变化，减弱旋涡流动耗散与通道气动堵塞，从而提升气动性能。首先分析了需要具体耦合哪一类旋涡特征频率？然后研究了耦合频率的有效范围以及相互作用强度的影响。除跨声速级转子，还研究了亚声速级转子的旋涡流态沿等转速线的改善特性。在气动性能研究的基础上，考虑到流态变化对结构强度完整性的影响，分析叶片所承受的气动作用力的稳态与动态特性，从同时优化气动性能与结构性能的角度，根据气动特性提出了流态设计的建议。四，在单级流动的研究基础上，本文进而研究了多级压气机中的流态设计问题。采用修改静子叶片数目，耦合转子旋涡流态的方案对原五级轴流压气机方案进行气动改型。由于各级的压比、效率的提升，导致各叶排进出口状态参数变化，通过流道修改匹配流量，维持原气流角，从而实现多级的匹配。最后，结合非定常三维粘性计算结果与管流计算的方法对五级压气机的周向气动布局设计方案进行整体评估的结果表明，气动性能可从该技术中获益，相比于采用定常三维粘性计算设计性能，总压比可由6.51最大提高到7.01，绝热等熵效率可由0.847最大提高到0.891.