涡轮中的激波/叶排相互作用

    1前言

    近年来叶排间相互作用成为叶轮机流动研究的热点方向，研究者期望能够深刻揭示叶轮机非定常流动机理，继而为高负荷、高效率、宽稳定工作范围叶轮机设计提供理论基础、方法和工具。

    依据主控流动现象不同，叶排间相互作用可分为随流流动结构/叶排相互作用和叶排间势干扰。一般情况下，前者对叶轮机性能影响较大，这其中以尾迹/叶排干扰为主。相比之下，叶排间势干扰通常只在叶排相距很近时才显示出其影响，但激波存在时除外。由于激波是叶排势场中的强间断，其离开策源地的衰减不像一般叶排势场那样快，因而其与叶排的干扰对叶轮机性能有重要影响。激波/叶排干扰有两种情形:一种是跨音风扇/压气机中前缘前伸激波与上游叶排干扰，另一种则是超跨音涡轮中，叶片尾缘激波与下游叶排的相互作用。由于随流运动影响，涡轮中激波/叶排干扰对燃气轮机、蒸汽轮机性能影响更为重要。

    最近的1+1/2对转涡轮研究[1-3}表明:由于取消低压导叶，轴向出气及低进口气流预旋使得在常规气流参数范围内低压转叶出功量较低。在不或少改变循环参数情况下，为了使1+1/2对转涡轮走向实际应用，则高压转叶出口气流必须有很高的马赫数及气流角.这样以来，由于存在强尾缘激波，高压级势必效率低下，而若想使整个1+1/2对转涡轮在重量、效率对整机性能的折衷对比中占优，从而发挥此类对转涡轮优势，那么，高低压转叶间轴向间距就不能太大.然而短轴向间距下，高压转叶尾缘激波将与下游叶排强烈相互作用。这种激波/叶排相互作用较先前所知但未深入研究的涡轮中激波/叶排干扰又有强度上的重要差别，一是激波强度更强(波前马赫数达到I.5以上);二是叶排相对转速更大(约是原来的2倍)。因此，深入研究涡轮中的激波/叶排干扰现象尤为迫切。

    2激波/叶排干扰问题的理论准备

    本文激波/叶排干扰实际是相对运动激波和叶排的干扰问题，通常需要将问题固结于一个坐标系，这样就出现了在另一个坐标系内激波是否还保持原形、是否还能称之为激波的问题，这是激波/叶排干扰的理论基础，即此前必须回答清楚激波与坐标系转换是否相关的问题。

    对一激波在以速度一U运动的坐标系内进行分析。图1示明了激波在不同参考系下参数关系，其中PQ是激波，ABCD是紧附激波的微元控制体，-V为固联坐标系下速度，W是相对坐标系下参数，将激波前后各速度沿波面和法向进行速度分解，有法向速度分量Yln. .   Y2n .   Win .   W2n .   U}n.，切向速度分量vlt、Y2t、Wit、Wat和Ut。以下是考虑到控制体A万C万运动的流动基本方程: