真实跨音压气机转子环境下动叶端区流动结构的计算和试验研究

大流量高压比跨音轴流风扇/压气机是高性能航空发动机和地面重型燃气轮机的关键部件之一。随着当今发展趋势的要求，级压比越来越高，叶片高度越来越小，叶顶间隙占叶高的比例变得越来越显著，由叶顶间隙、激波、角区附面层等造成的动叶端区三维非定常复杂流动所诱导的损失也就越来越重要。本项目拟在真实压气机动叶环境下对端区流动结构同步进行系统性试验和计算。试验方面重点在于探索顶部流场熵分布的测量，以及通过与国际同行的紧密合作，对美国圣母大学的跨音压气机进行多达216条特性线的实验研究，试验台测点多达100余个传感器，其中非定常测点占25%以上。计算方面，重点在于通过采用全圆周非定常N-S方程求解至少三条与实验同步的特性线，揭示真实动叶环境下熵产（又称熵增）的分布结构与产生的源头。综合计算和试验的结果，探索通过改进设计来使端区熵产最小化的途径，并进行实验验证。

跨音压气机动叶端区流动在压气机流动损失和失稳中占据重要角色，现代高性能航空发动机和地面重型燃气轮机越来越高的级压比和愈发短小的叶片使得动叶端区流动的关键作用越发显著。本项目围绕动叶端区流动结构和流动损失机理，在跨音转子环境下探索了叶顶泄漏流、端区尾迹及其与激波、附面层分离等复杂流动结构的相互作用机制，取得的研究成果主要有：1）采用实验和数值模拟方法验证了叶顶泄漏流失速判定准则，提出了叶顶泄漏流两段式结构和自激非定常性特征，端区尾迹动态实验测量结果揭示了高压级转子叶顶泄漏流在短小叶片通道内主导流动损失和不稳定流动的重要性质；2）开发了一套基于半无限引压容腔的高时空分辨率动态测量系统，包括基尔探头动态总压探针、半无限引压容腔五孔探针和直接输出熵产的动态熵探针，采用动态传递函数时域修正法大大提高了压气机转子出口狭小空间高频响气动测量能力；3）提出了一种应用于压气机转子流动损失量化的控制体熵产分析方法，此方法不仅能够精确量化动叶端区流动损失分布，而且能通过数值方法准确预判端区稳定性调控技术的扩稳效果和压气机效率变化，为扩稳技术在工程应用前期的评估和优化提供了一套高效、快速、便捷的数值方法；4）对压气机转子在变流量、变转速、周向槽机匣处理和叶顶喷气等变工况条件下的端区流动结构和损失分布变化规律开展了深入研究，发现了泄漏流轨迹偏移、端区尾迹“频率漂移”、周向槽流动损失分布等一系列与压气机效率与稳定性紧密相关的端区流动变化特征，为压气机内部流动损失机理和流动失稳机理的研究以及先进压气机设计和稳定性调控技术的开发提供了大量有价值的理论参考。