为了探索研究风扇负荷极限,采用基于增加进口正预旋和动叶轴向速度提升的两种低反动度设计方法,对叶尖切线速度为370m/s的风扇级进行了气动设计研究。通过三维数值计算,结果表明,在设计点,风扇级实现了2.39的单级压比,通流效率达90.84%,且抽吸流量仅为进口的5.5%,达到了设计目标。进一步的流场分析表明,静叶根部较高的损失系数一方面与较强的激波有关,另一方面与端壁过大的抽吸流量导致的堵塞有关。改型设计应从降低根部入口激波强度或降低抽吸流量,即增加抽吸背压或缩小抽吸面积入手。

为进一步提高低反力度压气机的稳定工作范围,以某三级低反力度高负荷压气机首级跨声速转子为研究对象,借助三维数值模拟方法,进行了叶顶喷气扩稳研究,分析讨论了叶顶喷气提升低反力度压气机转子稳定性的机理,并探讨了不同喷气轴向位置对扩稳效果及气动性能的影响。结果表明叶顶喷气通过削弱叶顶泄漏涡和通道激波的相互作用,抑制了转子近失速工况下泄漏涡的破碎,消除了叶顶通道的大面积堵塞,拓宽了转子的稳定工作边界;随着喷嘴的位置从叶顶前缘处沿轴向上游移动,转子的失速裕度提升量呈现出先增大后减小的趋势,综合扩稳效果和对压气机总性能参数的影响,最佳喷气轴向位置为叶顶前缘上游转子5%叶顶轴向弦长处;叶顶喷气改变了转子气动参数的径向分布,降低了转子上15%叶高范围内的负荷,同时也使得其它叶高区域的负荷提升。

为了研究涡轮叶顶间隙泄漏流动有效控制的方式,本文将肋条小翼结构这种被动流动控制技术应用于涡轮级动叶叶顶中,以控制跨声速涡轮级叶顶间隙泄漏流动并改善其气动性能。通过数值模拟方法,分析了采用平顶方案、肋条方案和小翼肋条方案的涡轮级气动性能和叶顶间隙流动特性,研究了变间隙条件下小翼肋条方案对间隙泄漏流的控制效果,深入探讨小翼最大偏置距离和外倾角对小翼控制效果的影响。结果表明所采用的肋条小翼结构能够有效地控制叶顶间隙泄漏流动并提高涡轮级的效率;在间隙高度为1mm时,涡轮级效率的提升达到0.51%,叶顶间隙泄漏流率下降48.6%;此外,随着小翼外倾角的增加,涡轮级效率逐渐增加并存在一个最佳的向外偏置距离为1.2mm。

为揭示非轴对称端壁控制涡轮动叶二次流的物理机制,建立了一种新型的Bezier曲线造型方法,采用数值模拟的方式,对某一燃气涡轮的第一级动叶进行研究。结果表明,此造型法通过合理地调整横向压力梯度,从而有效地推迟通道涡的发展,使得通道涡的强度和尺度都小于轴对称端壁对应的情况,进而减小了损失,提升了效率,最优方案使得相对总压损失减小了4.7%,效率提升了0.48%。