基于跨声速入流非均匀特征的高效径流式扩压器设计方法研究

For demand of improving the turboshaft engine and other medium and small aviation engine performance, centrifugal compressor load increases rapidly, which makes the diffuser must face the high speed flow with Maher number more than 0.9. At the same time, the obvious difference between the centrifugal impeller blade tip and root results in the diffuser inlet flow velocity and attack angle show strong nonuniformity along the spanwise. Transonic and strongly nonuniform flow result in the diffuser performance significantly reduced, and then the centrifugal compressor efficiency target of the next generation medium and small aviation engine is almost impossible. This project plans to study the effects of the transonic velocity and nonuniformity on the flow pattern by the numerical simulation and experiment, and explore the design and application of the swept-twisted diffuser blade. In order to verify the research achievements obtained in the project and establish its application foundation, the project will also synthesize the swept-twisted blade and fairshaped passage, so as to build up the design method of the transonic diffuser with high performance and compact structure.

在涡轴发动机等中小型航空发动机性能大幅提升的需求推动下，离心压气机级负荷急剧增大，从而使得扩压器不得不面临马赫数0.9以上的高速入流。同时，离心叶轮叶片根尖之间流动的大差异决定了扩压器入流的速度和攻角沿展向表现出强烈的非均匀性。临近声速且强烈非均匀的入流使扩压器性能显著降低，制约了新一代中小型航空发动机离心压气机高效率目标的实现。本项目拟通过数值模拟和实验相结合的方法研究高速入流、展向速度非均匀以及展向攻角非均匀三个因素在扩压器内对流动特征的影响及引发的新流动特征，并探索适应这种入流条件的复合掠/扭扩压器叶片设计方案。为验证取得研究成果及建立其应用基础，本项目还将综合所得适应展向非均匀临近声速入流的掠/扭叶片设计方案以及喉道后扩压通道的保形设计思想，从而建立性能高、结构紧凑的跨声速保形通道式扩压器设计方法。

涡轴发动机经过四代的发展，单位功率提高了1～2倍，功重比逐渐向12～15发展。高负荷离心压气机是实现该目标的必要基础，其转子叶轮出口处从叶片根部到尖部流场结构差异很大，故下游叶片扩压器面临着强烈的非均匀入流，导致性能降低。因此，本项目针对速度及攻角展向非均匀的高速入流扩压器，进行了内部流动机理和设计方法的研究，主要包括6方面的工作：. 1）研究了叶片式扩压器入口流动展向分布特征及成因。离心叶轮内叶片周期性、间隙流动以及二次流综合形成的叶轮出口流动结构，在无叶扩压段内附面层粘性及主流理想等角流动的共同作用下，形成了扩压器叶片入口尖部速度高气流角大、根部速度低气流角小的展向非均匀特征。. 2）研究了入流速度的展向非均匀及跨声速的特征对扩压器流动的影响机理。入流速度展向非均匀时，扩压器叶片展向不同流层扩压程度相近，趋向平均马赫数层的扩压度，对内部流动结构形成了显著影响：高马赫数入流层流动扩压不足；低马赫数入流层扩压过度，在叶片中部形成很大的分离涡，严重堵塞了流动。. 3）研究了入流攻角的展向非均匀特征对扩压器流动结构的影响。入流角展向非均匀条件下扩压器的性能明显下降，在正攻角流层的吸力面中后部附面层迅速增厚并形成很大的分离涡，并向机匣发展，致使流场恶化，扩压器性能下降。. 4）探索了适配展向非均匀入流的扩压器掠/扭叶片技术。采用掠/扭叶片可以调节扩压器不同叶高处的压力梯度，更充分的高效扩压，更大范围地适应来流方向。从而很大程度上抑制了展向非均匀入流导致的分离涡，改善了扩压器流动，提升了性能。. 5）研究了均匀入流条件下三维叶片扩压器叶片通道内的基本流动图谱。流道的转折与扩张形成并影响着通道旋涡、外壁转弯起始处角区分离涡以及内壁转弯后段分离组成的叶片通道基本流动特征。. 6）建立了掠/扭三维叶片扩压器设计方法。采用叶片掠/扭前缘适应转子叶轮出口流动的展向非均匀特征，采用三维保形通道保证全流程的扩压、转折以及结构的紧凑。考虑半径比、通道面积分布和通道构造角对扩压器性能的耦合影响，总结了关键参数的设计规律。验证了该新型扩压器在性能和紧凑度上的综合优势。. 通过本项目研究获得的展向非均匀入流对扩压器流动及性能的影响机理，加深了对离心压气机叶轮出流干扰下扩压器内复杂流动的认识，同时也获得了更适应真实工况的高性能扩压器设计方法。