非轴对称静叶对畸变条件下跨声速压气机静叶角区分离调控机理研究

Inlet total pressure distortion makes corner separation and complex vortex activity in stator, which has great effects on compressor performance and stability. According to the nonuniform flow field and strong corner separation in compressor with distorted inlet, non-axisymetric stator, which means bowed stator baldes are used in distorted region and blades in other region will not be changed, is advanced in this project. A highly loaded tronsonic compressor will be studied. High-precision numerical simulation and experimental verification are adopted to study the transition mechanism of stator corner separation, interaction patterns of vortex and secondary flow, and flow parameters variation regularities to establish stator corner separation models with uniform and distorted inlet. Sector cascade experiments will be carried out to obtain the control law of stator profile/cascade parameters on corner separation and basic cascade experimental data. The mechanism of using non-axisymmetric stator to constrain the corner separation will be studied and verified. And the use of non-axisymetric staor in compressor stage to improve the stability margin under distortion conditions will be discussed. Fianlly，synthesizing all research conclusions, the theroy, experience and method of non-axisymmetric stator improving the stability margin under distortion conditions will be estabilished, which will contribute to the maximum loading design of turbomachinery.

总压畸变使压气机静叶内存在很强的角区分离，对压气机性能和稳定性造成很大影响。项目针对总压畸变条件下压气机流场的非轴对称特征和静叶角区强三维分离对压气机性能的影响，提出在受畸变流体影响区域采用弯扭等造型叶片，而其它区域采用原型叶片的非轴对称静子的理念。以高负荷跨声速单级压气机为研究对象，依靠高质量数值模拟和典型实验验证，深入研究均匀和畸变进口条件下压气机静叶角区分离演化机理、各种涡系及二次流间相互作用规律，以及叶列间参数相互作用机制，建立静叶角区分离模型；通过静叶叶型参数控制角区分离规律研究和扇形叶栅实验，获取静叶叶型/叶栅几何参数控制角区分离流动的基础实验数据，进而开展非轴对称静叶控制周向非均匀多通道角区分离流动机理研究，分析非轴对称静叶结构对压气机性能和稳定性的影响机理，完成其在跨声速高负荷压气机中的应用探索，为叶轮机械负荷最大化、效率和稳定性提高提供理论、数值和实验基础，为高负荷风扇/压气机设计提供新的思路和方法。

本项目以高负荷跨声速单级压气机为对象，深入研究了均匀和畸变条件下静叶角区分离演化机理、各种涡系及二次流间相互作用规律，并结合静叶扇形叶栅实验，开展非轴对称静叶控制周向非均匀多通道角区分离流动机理研究，分析了非轴对称静叶对压气机性能和稳定性的影响，完成其在高负荷压气机中的应用研究，并给出了在畸变条件下具有较优性能和稳定性的非轴对称静叶压气机方案，为高负荷风扇/压气机设计和提高压气机抗畸变能力提供了新的思路和方法，具有一定的工程应用前景。. 本项目获得了均匀和畸变条件下压气机流动特性分析方法，特别是压气机失速特征分析方法可为以后研究奠定理论基础，具有较高的指导意义。项目建立的畸变位置预测模型可精确预测总压畸变沿流向传递到静叶进口时的周向位置，误差控制在2.5%之内，可以预先定位静叶内受畸变流体影响的区域，为静叶相关研究提供便利。研究团队积累了丰富的压气机扇形叶栅设计经验和实验测试经验，并总结了扇形叶栅设计方法和周期性判定方法，为扇形叶栅实验提供指导。本项目提出了采用导叶-静叶扇形叶栅实验研究畸变条件下静叶流场的方法，并证明其可行性，为畸变流场问题的研究提供了新方法。本项目提出了采用非轴对称静叶改善稳态畸变条件下畸变流场进而提高压气机性能和稳定裕度的方法，揭示了非轴对称静叶构型和气动布局与非定常流场特征及畸变流场参数间的关联机制和作用机理。本项目研究得到非轴对称静叶方案能够使压气机在设计转速、畸变度0.05时，稳定裕度相对提高22.30%，具有工程指导意义和应用价值。本项目培养博士研究生2名，毕业1名，硕士研究生11名，毕业10名。相关内容发表学术论文16篇，授权发明专利5项。