高超聲速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)壓氣機(jī)性能優(yōu)化

任 鵬，劉太秋，尹 松，趙月振

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

高超聲速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)一般指能夠滿足Ma≥3.0要求的噴氣式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，憑借可重復(fù)使用、長(zhǎng)時(shí)間高速巡航等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為未來(lái)高空高速飛機(jī)（截?fù)魴C(jī)、偵察機(jī)）和臨近空間飛行器的核心關(guān)鍵技術(shù)，是高超聲速動(dòng)力裝置的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，針對(duì)臨近空間高超聲速飛機(jī)對(duì)動(dòng)力的需求，各國(guó)逐漸重視高馬赫數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及其組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展。2008年，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的高超聲速飛行器發(fā)展路線圖明確提出了以渦輪基組合循環(huán)（Turbine Based Combined Cycle,TBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)為第1級(jí)動(dòng)力裝置的2級(jí)入軌（Two Stage to Orbit,TSTO）飛行器發(fā)展預(yù)研計(jì)劃。革新渦輪加速器(Revolutionary Turbine Accelerator,RTA）發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種面向未來(lái)空天飛行和高超聲速巡航飛行任務(wù)的高馬赫數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，采用變循環(huán)工作模式，可實(shí)現(xiàn)在0～4.0寬速域內(nèi)的高推力性能。日本與美國(guó)PW和GE公司、英國(guó)RR公司及法國(guó)斯奈克瑪公司合作于1989年開(kāi)始實(shí)施為期10年的高超聲速運(yùn)輸推進(jìn)系統(tǒng)（Hypersonic Transport Propulsion SystemResearch,HYPR）計(jì)劃。在高馬赫數(shù)飛行時(shí)氣流的滯止溫度會(huì)大幅升高，壓縮部件需要進(jìn)一步降低巡航工況的換算轉(zhuǎn)速及工作壓比，并且為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)下的推力要求，該類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮部件對(duì)低轉(zhuǎn)速流量要求也是遠(yuǎn)超常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的，成為高馬赫數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮部件設(shè)計(jì)中必須突破的關(guān)鍵問(wèn)題。

隨著換算轉(zhuǎn)速的降低，多級(jí)壓氣機(jī)“前喘后渦”流動(dòng)加重，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在壓氣機(jī)部分轉(zhuǎn)速性能提升方面開(kāi)展了大量研究。鄒正平等指出，多級(jí)壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)之初就把非設(shè)計(jì)狀態(tài)下影響級(jí)間匹配的主要因素考慮在內(nèi)，是解決多級(jí)壓氣機(jī)匹配問(wèn)題的關(guān)鍵；呂從鵬將跨聲速?gòu)澛觿?dòng)葉、多排可轉(zhuǎn)導(dǎo)/靜葉、靜葉輪轂間隙3項(xiàng)擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于某8級(jí)低壓壓氣機(jī)，使低轉(zhuǎn)速（0.7）時(shí)近失速點(diǎn)流量減小了7.66%，壓氣機(jī)喘振裕度得到提高；Sun等對(duì)1臺(tái)7級(jí)軸流壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)合序列加權(quán)因子法對(duì)0.7～1.0可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化；White等和Gallar等對(duì)壓氣機(jī)1維特性計(jì)算程序進(jìn)行改進(jìn)，使得部分轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)角度的優(yōu)化結(jié)果更加接近于試驗(yàn)值；史磊等采用遺傳優(yōu)化算法，以部分轉(zhuǎn)速的峰值效率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)某10級(jí)壓氣機(jī)4排可調(diào)靜葉的安裝角進(jìn)行了優(yōu)化；張龍新等基于低反力度設(shè)計(jì)概念完成了某吸附式壓氣機(jī)方案設(shè)計(jì)，配合抽吸方案的優(yōu)化制定，實(shí)現(xiàn)了壓氣機(jī)較好的變轉(zhuǎn)速、變工況性能。

本文以某8級(jí)軸流壓氣機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在高馬赫數(shù)工況下的性能需求，提出壓縮部件改進(jìn)的若干措施。

1 優(yōu)化目標(biāo)

本文高超聲速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案采用單軸渦噴形式，最高巡航飛行速度為=3.2，對(duì)應(yīng)壓氣機(jī)相對(duì)換算轉(zhuǎn)速為0.748，多級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)主要參數(shù)見(jiàn)表1，優(yōu)化前基準(zhǔn)方案的計(jì)算特性如圖1所示。此處特性中的流量、壓比均根據(jù)3.2工況點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行了無(wú)量綱處理。從圖中可見(jiàn)，原方案在設(shè)計(jì)角度調(diào)節(jié)規(guī)律下工作點(diǎn)（特性線與工作線交點(diǎn)）流量并未達(dá)到指標(biāo)要求，通過(guò)導(dǎo)/靜葉開(kāi)角度調(diào)節(jié)，雖然滿足了流量要求，但效率和喘振裕度卻大幅降低。其中開(kāi)角度后方案喘振裕度僅為15.6%，遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求（25%），效率降低1.32%。因此本文的優(yōu)化目標(biāo)是在保證在3.2工況點(diǎn)流量、壓比可實(shí)現(xiàn)的條件下，提升壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速裕度和效率水平。

表1 多級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

圖1 優(yōu)化前基準(zhǔn)方案的計(jì)算特性

2 氣動(dòng)布局重構(gòu)

2.1 1維程序校核

采用1維計(jì)算分析程序C1D，以平均流線參數(shù)代表整臺(tái)壓氣機(jī)的性能，利用某9級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)1維程序進(jìn)行校核修正，再將其用于8級(jí)壓氣機(jī)的計(jì)算分析中，二者的負(fù)荷水平及葉尖馬赫數(shù)比較接近，校核算例設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2，壓氣機(jī)1維特性計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖2所示。從圖中可見(jiàn)，各轉(zhuǎn)速喘振邊界計(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致；低轉(zhuǎn)速（0.85、0.9）采用靜葉關(guān)角度設(shè)計(jì)，可有效緩解前喘后堵現(xiàn)象，但由于靜葉安裝角變化會(huì)直接影響相鄰葉排的氣流角匹配，從而對(duì)計(jì)算效率產(chǎn)生較大影響，低轉(zhuǎn)速靜葉關(guān)角度后計(jì)算峰值效率相對(duì)試驗(yàn)值偏高3%左右；高轉(zhuǎn)速（0.95、1.0）峰值效率計(jì)算值與試驗(yàn)值相當(dāng)，此時(shí)壓氣機(jī)各級(jí)工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相對(duì)接近，但在近喘點(diǎn)非設(shè)計(jì)狀態(tài)附近，各級(jí)匹配狀態(tài)相對(duì)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)值，并在正攻角邊界附近流動(dòng)分離嚴(yán)重，此時(shí)程序?qū)α鲃?dòng)損失的預(yù)測(cè)偏高，在高轉(zhuǎn)速近喘點(diǎn)附近效率計(jì)算值比試驗(yàn)值明顯偏低；在低轉(zhuǎn)速亞聲速狀態(tài)下，壓比特性計(jì)算值與試驗(yàn)值的趨勢(shì)基本吻合，但在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速跨聲速狀態(tài)下，進(jìn)口流量變化與葉尖激波形態(tài)、位置密切相關(guān)，1維程序中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)此很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并且馬赫數(shù)增大后，葉柵損失和落后角的計(jì)算精度減小，對(duì)各級(jí)壓比匹配也有一定影響，在實(shí)際條件下近喘點(diǎn)的流量試驗(yàn)值拐進(jìn)更多，而近喘點(diǎn)的壓比計(jì)算值偏高。

表2 校核算例設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

圖2 壓氣機(jī)1維特性計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

2.2 1維關(guān)鍵參數(shù)DOE分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiment，DOE）是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的1個(gè)分支，DOE方法用途主要包括：辨別關(guān)鍵的試驗(yàn)因子；確定最佳的參數(shù)組合；分析輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關(guān)系和趨勢(shì)。DOE分析中各變量取值范圍見(jiàn)表3。

表3 DOE分析各變量取值范圍

DOE分析方法選用拉丁超立方設(shè)計(jì)，分析結(jié)果如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)低轉(zhuǎn)速性能影響較大的前3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)分別為進(jìn)口級(jí)加功因子、轉(zhuǎn)子最大撓度相對(duì)位置、1級(jí)轉(zhuǎn)子展弦比；而影響較小的變量分別是末級(jí)轉(zhuǎn)子展弦比、出口軸向速度、靜子最大撓度相對(duì)位置。其中，轉(zhuǎn)子最大撓度相對(duì)位置對(duì)效率的影響非常敏感，根據(jù)圖4轉(zhuǎn)子最大撓度相對(duì)位置主效應(yīng)圖選定該參數(shù)為0.55，1級(jí)轉(zhuǎn)子展弦比選取涉及到顫振評(píng)估及長(zhǎng)度約束問(wèn)題，本文選定為1.38。最后根據(jù)DOE分析確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量為：進(jìn)口級(jí)負(fù)荷系數(shù)（H_in）、出口級(jí)負(fù)荷系數(shù)（H_out）、進(jìn)口預(yù)旋角（ALF1）、中間級(jí)軸向速度（Ca_mid），上述參數(shù)將在后續(xù)優(yōu)化中予以確定。

圖3 DOE分析結(jié)果（Ma=3.2）

圖4 轉(zhuǎn)子最大撓度相對(duì)位置主效應(yīng)

2.3 1維全局優(yōu)化

8級(jí)軸流壓氣機(jī)1維優(yōu)化采用自適應(yīng)模擬退火（Adaptive Simulated Annealing，ASA）全局優(yōu)化算法。優(yōu)化目標(biāo)為

式中：為低轉(zhuǎn)速有效度；為低轉(zhuǎn)速峰值壓比；為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)壓比；自變量～依次為進(jìn)口預(yù)旋角、中間級(jí)反力度、進(jìn)口級(jí)加功因子、出口級(jí)加功因子、中間級(jí)軸向速度。

建立約束為

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速（1.0）喘振裕度約束為≥20%。

優(yōu)化過(guò)程散點(diǎn)分布如圖5所示。從圖中可見(jiàn)，隨著有效度的提高，加功因子呈現(xiàn)前面級(jí)減小、后面級(jí)增大的趨勢(shì)。此外，為了滿足設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的裕度約束，后面級(jí)加功因子也不能選取過(guò)大，其最終取值只是接近約束范圍的最大值。

圖5 優(yōu)化過(guò)程散點(diǎn)分布

優(yōu)化前后方案軸向參數(shù)對(duì)比如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，前面級(jí)負(fù)荷系數(shù)明顯減小、流量系數(shù)明顯增大，進(jìn)口由負(fù)預(yù)旋調(diào)整至0°左右，后面各級(jí)預(yù)旋角相對(duì)減小。

圖6 優(yōu)化前后方案軸向參數(shù)對(duì)比

2.4 優(yōu)化方案驗(yàn)證

通過(guò)DOE分析及全局優(yōu)化完成了對(duì)8級(jí)壓氣機(jī)1維氣動(dòng)布局的重構(gòu)，由于1維設(shè)計(jì)僅反映流道平均半徑處的氣流參數(shù)，為了對(duì)優(yōu)化方案的可行性進(jìn)一步驗(yàn)證，將壓氣機(jī)1維優(yōu)化方案轉(zhuǎn)入S2通流反問(wèn)題設(shè)計(jì)，進(jìn)行1維與3維的對(duì)比驗(yàn)證。

在8級(jí)壓氣機(jī)S2流場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)各級(jí)進(jìn)、出口流道徑向高度繼承1維方案設(shè)計(jì)值，保證流路收縮的一致性；前面級(jí)轉(zhuǎn)子效率在1維方案基礎(chǔ)上提高1%～2%，靜子主流區(qū)總壓恢復(fù)系數(shù)以及氣流角與1維方案設(shè)計(jì)值基本一致；主流區(qū)葉片造型攻角主要以1維方案為基礎(chǔ)，后續(xù)根據(jù)級(jí)匹配需求適當(dāng)修正。平均半徑處葉片稠度基本與1維設(shè)計(jì)值一致，設(shè)計(jì)子午流路如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)子午流路

在葉片造型后，需要將通流設(shè)計(jì)與3維計(jì)算進(jìn)行迭代，修正S2參數(shù)展向分布以及造型關(guān)鍵參數(shù)，保證方案形成的流道和葉片幾何能夠基本實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的流場(chǎng)。S2流場(chǎng)與3維計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，通過(guò)多輪損失系數(shù)與葉型落后角修正，3維計(jì)算參數(shù)展向分布趨勢(shì)與通流設(shè)計(jì)基本相符。

圖8 S2流場(chǎng)與3維計(jì)算結(jié)果對(duì)比

氣動(dòng)布局優(yōu)化前后壓氣機(jī)3維計(jì)算特性對(duì)比如圖9所示，主要特性參數(shù)變化值見(jiàn)表4。從表中可見(jiàn)，相比原型方案，優(yōu)化方案低轉(zhuǎn)速效率和喘振裕度分別提高1.1%和11.75%；但設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速性能也存在較大降低，尤其是溫升效率整體降低約1.3%，造成工作點(diǎn)效率低于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，需要對(duì)方案進(jìn)一步完善。

圖9 氣動(dòng)布局優(yōu)化前后壓氣機(jī)3維計(jì)算特性對(duì)比

表4 氣動(dòng)布局優(yōu)化前后壓氣機(jī)主要特性參數(shù)變化值

3 關(guān)鍵措施應(yīng)用

為了減少多級(jí)軸流壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下產(chǎn)生級(jí)間不匹配情況，相關(guān)研究提出了很多提升壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)性能的有效措施，如可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉和靜葉技術(shù)、機(jī)匣處理、中間放氣、葉型優(yōu)化、級(jí)間攻角匹配、葉片開(kāi)槽和端壁抽氣等，本文在優(yōu)化過(guò)程中重點(diǎn)研究了葉型優(yōu)化、級(jí)間攻角匹配、可轉(zhuǎn)導(dǎo)靜葉對(duì)低轉(zhuǎn)速流場(chǎng)的影響，上述技術(shù)在改善多級(jí)壓氣機(jī)級(jí)間流動(dòng)匹配狀況方面具有較強(qiáng)的適用性和很好的工程應(yīng)用條件。

3.1 葉型優(yōu)化

本文對(duì)8級(jí)壓氣機(jī)前面級(jí)轉(zhuǎn)子跨聲速葉型采用一種多段圓弧中線造型方法，將葉型型面分成4個(gè)特征區(qū)域：膨脹加速段、激波擴(kuò)壓段、扭轉(zhuǎn)擴(kuò)壓段、近尾緣壓力面恢復(fù)段。以第1段圓弧為例

式中：β為圓弧尾緣當(dāng)?shù)貎A斜角（相對(duì)于水平方向）；β，為圓弧前緣當(dāng)?shù)貎A斜角（相對(duì)于水平方向）；為圓弧前尾緣傾斜角變化量；和分別為圓弧前尾緣的橫坐標(biāo)；和和分別為圓弧前尾緣的縱坐標(biāo)；和分別為圓弧圓心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

依次類(lèi)推，可逐段確定所有圓弧段的幾何參數(shù)，進(jìn)而確定中弧線。多段圓弧中線造型和基元葉型相對(duì)彎角分布如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)主要控制膨脹加速段和激波擴(kuò)壓段彎度增加盡量平緩；將葉型彎度增加較快的區(qū)域設(shè)計(jì)在扭轉(zhuǎn)擴(kuò)壓段；尾緣恢復(fù)段彎度增加相對(duì)放緩，有利于控制尾跡損失和落后角。該設(shè)計(jì)方法對(duì)于本文進(jìn)口馬赫數(shù)范圍1.1～1.3、葉型彎角范圍10°～15°的超跨聲基元級(jí)，可有效減小激波損失，同時(shí)在低轉(zhuǎn)速亞聲速來(lái)流條件下兼顧氣流扭轉(zhuǎn)增壓，減小分離損失，比較適用于提升跨聲速壓氣機(jī)全轉(zhuǎn)速性能。同時(shí)相比傳統(tǒng)拋物線、雙圓弧等定制葉型造型方法，在操作上具有更多的自由度，能夠快速靈活調(diào)整葉片，比較適用于工程設(shè)計(jì)。

圖10 多段圓弧中線造型和基元葉型相對(duì)彎角分布

1級(jí)轉(zhuǎn)子吸力面分離區(qū)對(duì)比（1.0）如圖11所示，不同負(fù)荷系數(shù)壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速計(jì)算特性對(duì)比如圖12所示。從圖11中可見(jiàn)，優(yōu)化前轉(zhuǎn)子葉背由葉尖到20%葉高附近存在1道縱向分離區(qū)，優(yōu)化后轉(zhuǎn)子葉背分離范圍明顯減小；從圖12中可見(jiàn)，在相同負(fù)荷系數(shù)下，本文所設(shè)計(jì)的進(jìn)口級(jí)壓氣機(jī)方案在低轉(zhuǎn)速時(shí)具有較高的效率水平。

圖11 第1級(jí)轉(zhuǎn)子吸力面分離區(qū)對(duì)比（1.0n）

圖12 不同負(fù)荷系數(shù)壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速計(jì)算特性對(duì)比

多級(jí)壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速條件下后面級(jí)攻角減小，在較大的負(fù)攻角下會(huì)使葉柵流道的有效流通面積減小，當(dāng)葉柵有效進(jìn)口面積大于有效出口面積時(shí)，槽道內(nèi)的氣流由擴(kuò)壓流動(dòng)轉(zhuǎn)為加速流動(dòng)，從而使喉道截面處的氣流速度增大，氣流相對(duì)馬赫數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)葉柵的流通能力達(dá)到臨界，形成堵塞工況。

本文后面級(jí)葉型優(yōu)化以減小低轉(zhuǎn)速流動(dòng)堵塞為目標(biāo)，在不改變?nèi)~型進(jìn)、出口幾何構(gòu)造角的條件下，通過(guò)優(yōu)化中弧線提高低轉(zhuǎn)速狀態(tài)葉型流通能力。以6級(jí)轉(zhuǎn)子為例，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)葉柵槽道馬赫數(shù)對(duì)比如圖13所示。從圖中可見(jiàn)，優(yōu)化前轉(zhuǎn)子槽內(nèi)馬赫數(shù)已達(dá)到臨界狀態(tài)，形成堵塞結(jié)構(gòu)；而優(yōu)化后相同攻角下葉柵槽道內(nèi)馬赫數(shù)明顯降低，流場(chǎng)的改善主要通過(guò)轉(zhuǎn)子中弧線優(yōu)化增加了葉柵的喉部流道面積，采用了葉型槽道面積裕度系數(shù)來(lái)表征葉型的流通能力，定義為葉柵槽道喉部的實(shí)際面積與氣流速度在此達(dá)臨界時(shí)所需面積之比

圖13 低轉(zhuǎn)速狀態(tài)葉柵槽道馬赫數(shù)對(duì)比（6級(jí)轉(zhuǎn)子）

式中：Δ為通過(guò)流管的流量；為取決于氣體比熱比和氣體常數(shù)的綜合常數(shù)；、為槽道當(dāng)?shù)氐目倝骸⒖倻兀粸榱鞴艿钠骄F角；為葉片數(shù)；Δ為當(dāng)?shù)亓鞴芨叨龋粸楫?dāng)?shù)夭鄣缹挾取?/p>

將計(jì)算流管沿軸向等分為若干點(diǎn)，按式（7）求解每個(gè)分點(diǎn)的，取最小值即為最小槽道面積裕度系數(shù)。槽道面積裕度系數(shù)（/）如圖14所示，該比值越大表明葉柵的流通能力越強(qiáng)。

圖14 槽道面積裕度系數(shù)（A/A*）

3.2 級(jí)間匹配攻角優(yōu)化

級(jí)間參數(shù)匹配分析如圖15所示。為了研究多級(jí)壓氣機(jī)級(jí)間匹配攻角對(duì)全轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)性能的影響，圖15（a）給出了轉(zhuǎn)子攻角的3種設(shè)計(jì)方案：case1繼承了最初1維設(shè)計(jì)后的攻角分布；case2中間級(jí)（第3～5級(jí)）攻角相對(duì)增大，后面級(jí)（第6～8級(jí)）攻角明顯減小；case3中間級(jí)攻角（第3～4級(jí)）相對(duì)增大，出口級(jí)攻角略有減小。上述對(duì)比的目的是驗(yàn)證中間級(jí)和出口級(jí)攻角變化對(duì)氣動(dòng)性能的影響。

圖15 級(jí)間參數(shù)匹配分析

各方案對(duì)比計(jì)算結(jié)果如圖15（f）～（h）所示，無(wú)量綱化的性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表5。分析發(fā)現(xiàn)后面級(jí)攻角減小（case2），方案對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速近喘點(diǎn)最高壓比提升最大，但低轉(zhuǎn)速流量、效率、最高壓比均有顯著降低；case3將中間級(jí)和出口級(jí)的攻角調(diào)整幅度適當(dāng)減小，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速效率和裕度（最高壓比）均有顯著提高，雖然低轉(zhuǎn)速流量相比case1的仍有一定降低，但比較適用于解決第2.4節(jié)中1維優(yōu)化后設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速性能損失過(guò)大的問(wèn)題，對(duì)于高低轉(zhuǎn)速的性能能夠較好兼顧。

表5 設(shè)計(jì)方案性能參數(shù)對(duì)比

多級(jí)壓氣機(jī)匹配攻角決定了各級(jí)匹配的工作狀態(tài)，case2后面級(jí)設(shè)計(jì)攻角顯著減小（圖15（a）），意味著后面級(jí)匹配相對(duì)靠近堵點(diǎn)，在工作點(diǎn)總壓比一定的條件下，相比case1后面級(jí)壓比降低、前面級(jí)壓比提高。1.0/0.748近喘點(diǎn)馬赫數(shù)分布如圖16所示。從圖中可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)失速由后面級(jí)引發(fā)，降低后面級(jí)匹配的工作狀態(tài)有利于提高增壓能力（近喘點(diǎn)最大壓比）。同時(shí)從圖15（c）中可見(jiàn)，case2后面級(jí)由于堵塞狀態(tài)的影響，效率明顯降低；case3匹配調(diào)整相對(duì)合適，適當(dāng)降低后面級(jí)匹配壓比提高增壓能力的同時(shí)，比case2有效減小了后面級(jí)的效率損失，并使前面級(jí)同樣匹配在較高的效率水平。以上為匹配攻角對(duì)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速性能的影響機(jī)理。

圖16 1.0n/0.748n近喘點(diǎn)馬赫數(shù)分布

在低轉(zhuǎn)速（0.748）條件下后面級(jí)匹配攻角進(jìn)一步減小，前面級(jí)攻角增大，case2第7～8級(jí)流動(dòng)趨于堵塞、匹配壓比和效率明顯降低，而進(jìn)口級(jí)由于近喘點(diǎn)附近的正攻角分離，壓比和效率相對(duì)降低；case3相比case1在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速前面級(jí)匹配的壓比較高，在低轉(zhuǎn)速較大正攻角條件下前面級(jí)同樣出現(xiàn)壓比和效率降低，中間級(jí)與后面級(jí)匹配狀態(tài)則與case1保持相對(duì)接近，在低轉(zhuǎn)速下后面級(jí)效率明顯高于case2效率。多級(jí)壓氣機(jī)級(jí)間匹配特性在高低不同轉(zhuǎn)速下的影響規(guī)律相反，攻角的設(shè)計(jì)選取時(shí)要綜合兼顧全轉(zhuǎn)速性能。

3.3 葉片調(diào)節(jié)角度影響

本文多級(jí)壓氣機(jī)有VIGV、S1、S2、S3共4排葉片可調(diào)，而靜子葉片調(diào)節(jié)角度會(huì)影響低轉(zhuǎn)速下各級(jí)的匹配關(guān)系。通過(guò)1維程序?qū)嵌日{(diào)整方案進(jìn)行快速分析，初步確定4排靜子之間角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖17所示。

圖17 4排靜子角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)葉片聯(lián)調(diào)關(guān)系，選取了2種葉片角度調(diào)節(jié)方案（方案A和方案B）進(jìn)行級(jí)間特性分析，見(jiàn)表6，上述2種方案均能達(dá)到低轉(zhuǎn)速流量指標(biāo)要求。角度調(diào)節(jié)前后分級(jí)特性對(duì)比如圖18所示。從圖中可見(jiàn)，方案B進(jìn)口級(jí)從工作點(diǎn)到近喘點(diǎn)壓比呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說(shuō)明該進(jìn)口級(jí)匹配的攻角過(guò)大，在接近喘點(diǎn)時(shí)增壓能力持續(xù)降低；而方案A進(jìn)口級(jí)壓比變化則相對(duì)平緩，第2、3級(jí)壓比也有明顯提高。在效率方面，方案A相比方案B，VIGV關(guān)小（正值表示關(guān)角度，數(shù)值越大關(guān)角越大）進(jìn)口級(jí)流動(dòng)改善，效率會(huì)有所提高；而第1級(jí)靜子角度相對(duì)打開(kāi)后，效率則會(huì)有一定降低。

表6 葉片角度調(diào)節(jié)方案

圖18 角度調(diào)節(jié)前后分級(jí)特性對(duì)比

在低轉(zhuǎn)速下導(dǎo)靜葉安裝角調(diào)節(jié)本質(zhì)上也反映為導(dǎo)靜葉開(kāi)關(guān)對(duì)級(jí)間匹配的影響。以方案A為例，VIGV關(guān)小相當(dāng)于減小了第1級(jí)轉(zhuǎn)子的來(lái)流攻角，上述調(diào)整均有利于降低第1級(jí)工作狀態(tài)，緩解“前喘”現(xiàn)象發(fā)生，分級(jí)特性中方案A進(jìn)口級(jí)效率明顯提高；同樣第1、2級(jí)靜子安轉(zhuǎn)角增大，造成后排第2、3級(jí)轉(zhuǎn)子攻角增大，分級(jí)特性中第2、3級(jí)匹配壓比也相應(yīng)提高。低轉(zhuǎn)速葉片調(diào)節(jié)角度優(yōu)化主要通過(guò)靜葉調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子匹配狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)總壓比的合理分擔(dān)，盡量保證各級(jí)工作在高效、穩(wěn)定的工作區(qū)間。

3.4 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程如圖19所示。從圖中可見(jiàn)，通過(guò)采用DOE分析對(duì)8級(jí)壓氣機(jī)氣動(dòng)布局進(jìn)行優(yōu)化重構(gòu)；將1維方案轉(zhuǎn)入S2通流反問(wèn)題設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化方案的可行性進(jìn)行初步驗(yàn)證，確定基本流路和S2流場(chǎng)徑向分布；通過(guò)葉型優(yōu)化、攻角設(shè)計(jì)、可轉(zhuǎn)葉片角度調(diào)節(jié)等措施對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)對(duì)高低轉(zhuǎn)速氣動(dòng)性能的綜合兼顧，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

圖19 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

優(yōu)化過(guò)程不同階段3維計(jì)算特性對(duì)比如圖20所示。1維優(yōu)化方案有效提高了低轉(zhuǎn)速（=3.2工況）效率和喘振裕度，但設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速效率降低1.3%（表3）；而最終方案設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速效率損失為降低0.4%，并且低轉(zhuǎn)速喘振裕度和工作點(diǎn)效率分別提高了17.4%和0.7%（見(jiàn)表7），滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高低轉(zhuǎn)速性能的較好兼顧。

表7 最終優(yōu)化后性能參數(shù)變化

圖20 優(yōu)化過(guò)程不同階段3維計(jì)算特性對(duì)比

最終方案級(jí)間參數(shù)分布如圖21、22所示。最終方案基本保持了1維布局調(diào)整階段減小前面級(jí)負(fù)荷、提高流量系數(shù)的思路。轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)馬赫數(shù)對(duì)比（90%葉高）如圖23所示。從圖中可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下優(yōu)化方案前面級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖槽道內(nèi)的激波位置更加靠近尾緣，說(shuō)明前面級(jí)的匹配狀態(tài)相對(duì)偏堵，在低轉(zhuǎn)速下進(jìn)口級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖尾緣分離則有明顯改善。

圖21 級(jí)間負(fù)荷系數(shù)參數(shù)對(duì)比

圖22 級(jí)間流量系數(shù)參數(shù)對(duì)比

圖23 轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)馬赫數(shù)對(duì)比（90%葉高）

4 結(jié)論

（1）針對(duì)高馬赫數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速（=3.2工況對(duì)應(yīng)0.748相對(duì)換算轉(zhuǎn)速）性能需求，開(kāi)展部件方案優(yōu)化。在1維設(shè)計(jì)中主要以減小前面級(jí)氣動(dòng)負(fù)荷為方向完成了氣動(dòng)布局的重構(gòu)。

（2）針對(duì)跨聲速轉(zhuǎn)子葉型采用多段圓弧中線優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低轉(zhuǎn)速效率的提升；同時(shí)對(duì)后面級(jí)轉(zhuǎn)子葉型進(jìn)行調(diào)整，有效提高了葉型的流通能力。

（3）前后級(jí)設(shè)計(jì)攻角選取需要兼顧高低轉(zhuǎn)速氣動(dòng)性能，在1維方案設(shè)計(jì)攻角的基礎(chǔ)上，在匹配優(yōu)化中適當(dāng)增大了中間級(jí)的設(shè)計(jì)攻角，減小出口級(jí)設(shè)計(jì)攻角，在保證低轉(zhuǎn)速優(yōu)化效果的同時(shí)，提升了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速效率。

（4）完成了某高馬赫數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)8級(jí)壓氣機(jī)的方案優(yōu)化，在高馬赫數(shù)巡航工況（3.2）下，效率提高0.7%，喘振裕度提高17.4%，高低轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)性能滿足指標(biāo)要求。