工程熱物理所軸流壓氣機氣動性能研究取得新進展

　　航空發(fā)動機推重比的提升對壓縮部件減級、減重提出了較高要求，對應(yīng)風(fēng)扇/壓氣機的級載荷也需不斷增加。然而，風(fēng)扇/壓氣機級載荷的進一步提升會面臨氣動損失明顯增加、流動分離不斷加劇以及失速裕度急劇減小等諸多問題。針對上述科學(xué)問題，中國科學(xué)院工程熱物理研究所風(fēng)電中心研究團隊采用理論建模和數(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)揭示氣動掠對壓氣機內(nèi)部泄漏渦和激波系等復(fù)雜流動現(xiàn)象的影響機制，進而建立基于壓氣機擴穩(wěn)和工作性能改進的掠型葉片優(yōu)化設(shè)計方法（如圖1所示）。

　　研究發(fā)現(xiàn)氣動掠通過改變不同葉高基元級的進氣條件和工作狀態(tài)（如圖2所示），進而建立壓氣機轉(zhuǎn)子內(nèi)部新的徑向平衡和流動結(jié)構(gòu)，且不同基元級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張增壓的比重分配也隨之改變。其中氣動前掠可有效降低葉尖載荷和通道激波的強度，而后掠則對中徑附近的流場有一定改善。氣動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)動的前緣泄漏渦強度（如圖3所示）。考慮到高負(fù)荷軸流壓氣機氣動損失最大的區(qū)域和流動最易失穩(wěn)的區(qū)域均在葉尖附近，氣動前掠對改善壓氣機工作效率和穩(wěn)定工作范圍效果明顯，可使壓氣機工作點效率和失速裕度分別提升0.5%和10%以上。

　　針對單純氣動前掠和后掠對壓氣機不同葉高基元級性能的作用效果，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)計方法整合兩者的綜合氣動收益，進一步改善高負(fù)荷軸流壓氣機的氣動性能；另一方面針對氣動前掠對壓氣機進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主動適應(yīng)新的徑向平衡和進氣條件，進而改善前掠轉(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工作效率進一步提升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》等國內(nèi)外期刊上發(fā)表。

　　圖1 分別優(yōu)化不同葉高基元級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 氣動掠引起的壓氣機進氣條件變化

　　圖3 氣動掠引起的葉尖載荷和泄漏渦強度變化