摘要
轴流压气机作为航空发动机的核心部件之一，其性能对发动机综合性能起着决定性作用。随着压气机级负荷的提高，其三维流场变得更加复杂。尤其是压气机的叶尖区域，存在强泄漏流、通道激波和固壁边界层等相互干涉作用，直接影响压气机的效率和工作稳定性。基于此，本文针对高负荷轴流压气机转子叶尖基元级，采用正交试验分析法和响应面分析法，重点研究了转子叶尖单一几何因素和几何因素耦合对其综合性能和尖区流场结构的影响规律及作用机制，以有效澄清影响高负荷轴流压气机叶尖流动特性的关键几何因素。主要结论如下: （1）以NASARotor37跨音速压气机转子为研究对象，采用正交试验分析法，分别选取转子叶尖基元级的叶型中线曲率分布特征、吸力面最大厚度点位置和尾缘半径三个几何因素，设计了三因素三水平的正交试验方案。基于单一几何因素的方差分析和极差分析结果表明，该跨音速压气机转子叶尖基元级各几何因素对工作裕度影响较大，但对总压比和等熵效率的影响较为微弱。依据压气机工作裕度对上述几何因素的敏感程度，叶尖基元级的叶型中线曲率分布特征和吸力面最大厚度点位置对工作裕度有显著影响，叶尖尾缘半径对工作裕度影响不显著。 （2）采用响应面法进一步挖掘Rotor37转子叶尖基元级不同几何因素耦合作用对其气动性能的影响程度。根据响应面法的方差分析结果可知，各几何因素之间不具有相关性,任意两几何因素耦合效应对压气机转子工作裕度的影响相当于各因素单独作用时的影响程度简单叠加。 （3）以Rotor37转子叶尖流场关键气动参数（扩散因子、间隙泄漏流相对质量流量、泄漏流与主流轴向动量比、泄漏流掺混损失）为“纽带”，采用响应面法分析转子叶尖基元级几何因素影响尖区流动特性的物理本质。结果表明，转子叶尖几何参数对尖区流场四个关键气动参数均影响显著，且敏感程度依次为叶尖基元级中线曲率分布特征（X1）、吸力面最大厚度位置（X2）和吸力面厚度值（X3）。转子叶尖几何因素对尖区流场气动参数的影响程度及规律与对转子工作裕度的影响较为一致，上述几何因素通过直接影响转子叶尖流场结构及关键气动参数分布规律，进而引起压气机转子总体性能不同程度的变化。 （4）依托课题组低速大尺寸亚音速压气机基础试验台，结合实验与数值方法详细分析了亚声速压气机转子全工况工作特性及三维流场结构特征。在此基础上，进一步验证了基于跨音速压气机叶尖几何敏感性的研究结论仍然适用于该亚音速压气机转子，为后续建立适用于高负荷轴流压气机的流动减敏准则和方法提供了理论和数据支撑。 综上所述，本文针对高负荷轴流压气机所开展的基于转子叶尖基元级单一几何因素和多因素耦合作用影响下的压气机气动性能敏感性的研究工作，为压气机的全三维气动优化设计提供了理论基础。
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