工程熱物理所軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)性能研究取得新進(jìn)展

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提升對(duì)壓縮部件減級(jí)、減重提出了較高要求，對(duì)應(yīng)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的級(jí)載荷也需不斷增加。然而，風(fēng)扇/壓氣機(jī)級(jí)載荷的進(jìn)一步提升會(huì)面臨氣動(dòng)損失明顯增加、流動(dòng)分離不斷加劇以及失速裕度急劇減小等諸多問題。針對(duì)上述科學(xué)問題，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所風(fēng)電中心研究團(tuán)隊(duì)采用理論建模和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，從葉片徑向載荷匹配的角度詳細(xì)揭示氣動(dòng)掠對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部泄漏渦和激波系等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的影響機(jī)制，進(jìn)而建立基于壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)和工作性能改進(jìn)的掠型葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（如圖1所示）。

　　研究發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)掠通過改變不同葉高基元級(jí)的進(jìn)氣條件和工作狀態(tài)（如圖2所示），進(jìn)而建立壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部新的徑向平衡和流動(dòng)結(jié)構(gòu)，且不同基元級(jí)Blade to Blade截面的激波結(jié)構(gòu)以及激波增壓和波后亞音段擴(kuò)張?jiān)鰤旱谋戎胤峙湟搽S之改變。其中氣動(dòng)前掠可有效降低葉尖載荷和通道激波的強(qiáng)度，而后掠則對(duì)中徑附近的流場(chǎng)有一定改善。氣動(dòng)前掠不僅可以降低葉尖區(qū)域激波損失，還可有效削弱葉尖前緣附近的葉片兩側(cè)靜壓差和由此驅(qū)動(dòng)的前緣泄漏渦強(qiáng)度（如圖3所示）?？紤]到高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)損失最大的區(qū)域和流動(dòng)最易失穩(wěn)的區(qū)域均在葉尖附近，氣動(dòng)前掠對(duì)改善壓氣機(jī)工作效率和穩(wěn)定工作范圍效果明顯，可使壓氣機(jī)工作點(diǎn)效率和失速裕度分別提升0.5%和10%以上。

　　針對(duì)單純氣動(dòng)前掠和后掠對(duì)壓氣機(jī)不同葉高基元級(jí)性能的作用效果，研究人員一方面根據(jù)掠型葉片載荷變化規(guī)律，采用復(fù)合掠的設(shè)計(jì)方法整合兩者的綜合氣動(dòng)收益，進(jìn)一步改善高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能；另一方面針對(duì)氣動(dòng)前掠對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)氣條件和徑向載荷匹配的影響，通過葉型型線調(diào)整使轉(zhuǎn)子葉片不同葉高基元級(jí)主動(dòng)適應(yīng)新的徑向平衡和進(jìn)氣條件，進(jìn)而改善前掠轉(zhuǎn)子的綜合性能。研究表明，上述兩種方法均可使軸流壓氣機(jī)工作效率進(jìn)一步提升0.5—1%以上。部分研究成果已在Aerospace Science and Technology和《工程熱物理學(xué)報(bào)》等國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表。

　　圖1 分別優(yōu)化不同葉高基元級(jí)重心沿軸向和周向的偏移分量獲取最優(yōu)的掠積疊軸方案。（Baseline：原型葉片，SF：前掠葉片，SA：后掠葉片）

　　圖2 氣動(dòng)掠引起的壓氣機(jī)進(jìn)氣條件變化

　　圖3 氣動(dòng)掠引起的葉尖載荷和泄漏渦強(qiáng)度變化