为了快速有效地完成叶片造型,提高压气机气动性能,以全3维黏性反问题设计方法为基础,研究了全新的可控扩散叶型设计方法。基于黎曼不变量守恒建立了吸力和压力面型线与其对应静压分布之间的关系,通过给定叶片表面静压分布,求解吸力和压力面型线坐标几何参数。为了验证方法的有效性,以NASA Stage 35静子叶片为设计算例,通过全3维数值模拟得到其流场参数分布,进而采用可控扩散叶型的设计思路,对NASA Stage 35静子叶片表面的静压分布进行修改,以修改后的静压分布作为目标进行反问题设计计算,最终设计出满足设计要求的叶片几何型线。改型后的静子叶片通道内流场很好地实现了可控扩散叶型的流动结构,叶片总体气动性能得到提升,验证了可控扩散叶型全3维反问题设计方法的准确性和有效性。

叶型吸力面和压力面等熵马赫数分布符合控制扩散规律,则其设计点损失小、低损失攻角范围大。为了研究可控扩散叶型载荷分布对叶栅气动性能的影响,建立了可控扩散叶型自动优化设计方法;并对叶栅进口马赫数为0.7的静子和转子叶型进行多个载荷分布设计,分析载荷分布规律对叶栅性能的影响。结果表明:对于静子及转子叶型,载荷前移(至0.1倍相对轴向弦长位置)可抑制吸力面附面层发展,降低设计进气角损失、增大低损失攻角范围;吸力面峰值马赫数增大,吸力面靠前缘凸起程度越大,小攻角损失增加、最低损失对应进气角增大。研究表明载荷分布影响气流加速及扩压梯度大小,进而影响激波产生和附面层发展,导致全攻角范围内性能变化。

基于相似理论为某一三级轴流式低速压气机增加一个高效零级使压气机流量增加了12.5%同时达到增加压比的目的。由于流动缺陷集中在静叶上利用三维粘性计算流体力学(Computational fluid dynamicsCFD)技术对静叶进行重新改型设计:采用可控扩散叶型(Controlled diffusion airfoilCDA)控制叶片表面速度分布控制了叶片表面附面层厚度尾缘逆压梯度减小很大程度减小了叶栅后半部分的三维分离;为进一步缓解端壁处的低能流体堆积采用端弯技术在改善端区流动的同时也很好的改善与原机的匹配提高零级性能最终提高新型压气机的效率达到设计要求。同时分析加零级前后压气机特性曲线证实喘振裕度得到了保证分析进出口气流角表明加级后原机部分仍然保持原来的相似运行条件。