压气机周向单槽的非定常扩稳机制与结构优化研究

周向槽机匣处理由于其扩稳效果明显、结构简单、对效率负面影响小等优点已应用于工程实践，但是其扩稳机制和结构优化设计准则仍是叶轮机械领域极具挑战性的科学问题之一。利用周向单槽结构为手段可以同时满足流动机制和结构优化研究的需要，而动叶顶部流场的非定常特征将为探索扩稳机制提供新的视角，因此，本项目以周向单槽和叶顶流场的非定常性特征为切入点，拟深入开展：（1）周向单槽叶顶非定常流场特征的数值模拟和实验验证；（2）非定常流场特征的关键影响因素（周向单槽的轴向位置和尺寸）及其与稳定性和效率的关系；（3）提出周向单槽的优化准则，并在低速和跨音速压气机上进行实验验证等三个方面的研究，旨在揭示周向单槽的非定常扩稳机制，在澄清叶顶端区非定常流场特征与稳定性和效率关系的基础上，提出周向单槽设计依据，为周向多槽的优化设计和应用推广提供理论基础。

本项目以周向单槽机匣为切入点，研究了单槽位置对压气机稳定性的影响规律（简称SMI曲线）、机制和周向槽槽位的设计准则。低速压气机的SMI曲线表现出“前槽差中槽好”的特征，即距离叶片前缘30%-80%轴向弦长较宽区域的单槽机匣具有很好的扩稳效果，而距离叶片前缘20%轴向弦长附近较窄区域的单槽机匣却无法扩稳，这种分布特征与施加周向槽后出现的两类失速先兆类型及叶顶流动结构密切相关。结合一系列单槽和多槽机匣的实验结果，提出了适用于部分低速轴流压气机的周向槽槽位初选建议。高速压气机的SMI曲线则表现出“越靠近上游扩稳效果越好”的分布特征，并且发现施加周向单槽前后，该压气机均通过典型的突尖先兆进入失稳状态，该先兆的发生取决于叶顶泄漏流与主流的轴向动量平衡。据此进一步提出了一种基于叶顶控制体轴向动量分析的周向槽扩稳效果评估方法，该方法经实验结果证实可有效用于高速跨音压气机周向槽机匣的槽位设计，以获得最佳的扩稳效果。