常鴻雯，劉太秋

（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

多年來(lái)，風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)師們已經(jīng)有能力設(shè)計(jì)出氣動(dòng)性能優(yōu)異的多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)。同時(shí)，建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的各種設(shè)計(jì)工具、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)在設(shè)計(jì)中起到了決定性的作用。但目前還沒(méi)有1種方法可對(duì)流量、壓比、效率和喘振裕度等重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行精確地定量計(jì)算，從而確保1臺(tái)新風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的全部達(dá)到[1]，致使在設(shè)計(jì)中還必須依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)做許多主觀判斷，這必然對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)全過(guò)程產(chǎn)生不利的影響。多級(jí)軸流風(fēng)扇/壓氣機(jī)流場(chǎng)十分復(fù)雜，是非定常、3維、強(qiáng)粘性作用、帶有邊界層分離的流場(chǎng)，為了模擬這樣的流場(chǎng)特征，用于設(shè)計(jì)的模型工具不得不做出許多簡(jiǎn)化，這導(dǎo)致了設(shè)計(jì)用模型遺漏掉部分對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)性能有不可預(yù)見(jiàn)影響的技術(shù)元素，如旋轉(zhuǎn)葉片上附面層的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、非設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣流性能、跨音速流動(dòng)、非失速葉片顫振和旋轉(zhuǎn)失速等。

正是以上的這些現(xiàn)實(shí)情況，高效的組織相關(guān)性能試驗(yàn)并且充分利用試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化成為了設(shè)計(jì)氣動(dòng)性能優(yōu)異的多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)所必須面對(duì)的課題。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)迫切需要制定工作規(guī)范指導(dǎo)如何開(kāi)展風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)并利用試驗(yàn)結(jié)果與氣動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代，工作規(guī)范應(yīng)包括試驗(yàn)的項(xiàng)目、內(nèi)容、時(shí)機(jī)；測(cè)試的目標(biāo)和水平以及同氣動(dòng)設(shè)計(jì)迭代的過(guò)程的具體要求。

1 風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。從圖中可見(jiàn)，目前風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)一般分為1維方案設(shè)計(jì)、S2流場(chǎng)設(shè)計(jì)、葉片造型設(shè)計(jì)、全3維流場(chǎng)數(shù)值模擬校核等幾個(gè)階段，各階段多依賴于各個(gè)單位以數(shù)據(jù)庫(kù)形式存在的已有知識(shí)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在大量試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的支持下，風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)、分析軟件得到了校核和印證，其準(zhǔn)確性和有效性提升到了新的高度，特別是全3維數(shù)值模擬軟件得到了廣泛應(yīng)用，取得了巨大的進(jìn)展。

目前風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)性能主要參數(shù)預(yù)測(cè)的精度見(jiàn)表1，從表中可知，其主要指標(biāo)參數(shù)的預(yù)測(cè)精度以及影響因素。

表1 目前風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)性能主要參數(shù)預(yù)測(cè)的精度

1.1 S2流場(chǎng)設(shè)計(jì)

在1維初步設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，應(yīng)用2維（流向和徑向）S2通流程序，開(kāi)展針對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的S2流場(chǎng)設(shè)計(jì)。由于計(jì)算和預(yù)估全部流場(chǎng)特征的方法過(guò)于復(fù)雜，對(duì)流場(chǎng)中主要的和最重要的流動(dòng)特征保留，對(duì)其他流動(dòng)特征做些假設(shè)，引入經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)考慮。在S2流場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，目前很大程度上依賴于設(shè)計(jì)師的工程經(jīng)驗(yàn)，此階段已建立風(fēng)扇/壓氣機(jī)的徑向匹配關(guān)系，但對(duì)端壁區(qū)認(rèn)識(shí)還不夠準(zhǔn)確[2-8]。

在流場(chǎng)設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)中，參數(shù)選擇是設(shè)計(jì)的核心，1個(gè)氣動(dòng)設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和水平主要體現(xiàn)在對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和調(diào)整能力，這些參數(shù)構(gòu)成了風(fēng)扇/壓氣機(jī)所要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這也是實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇/壓氣機(jī)內(nèi)的流動(dòng)的“框架”，程序只是實(shí)現(xiàn)這個(gè)框架的工具。例如，通過(guò)引入環(huán)壁堵塞和附加損失來(lái)考慮環(huán)壁附面層的影響，但由于其是半經(jīng)驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù)，在多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的后面級(jí)典型的環(huán)壁堵塞可達(dá)到10%的通道面積。如果該值不準(zhǔn)確，會(huì)使全臺(tái)風(fēng)扇/壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)工作時(shí)，某些級(jí)的工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工況，導(dǎo)致風(fēng)扇/壓氣機(jī)效率和喘振裕度的下降，多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的級(jí)間匹配如圖2所示。

但明確的是：在S2通流模型中，加入徑向的摻混模型對(duì)得到更精確的總溫和總壓沿程分布是十分重要的。1臺(tái)低速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子下游軸向速度和相對(duì)氣流角的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分別圖3、4所示[1]。從圖中可見(jiàn)，考慮各種實(shí)際影響因素后計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合的很好。這個(gè)例子表明：高精度模型可以有效提高氣動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，但模型的建立需要大量有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。

1.2 葉型設(shè)計(jì)

葉型設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)S2通流設(shè)計(jì)的流場(chǎng)。在2維葉型設(shè)計(jì)中，主要任務(wù)是完成各個(gè)基元葉型截面的攻角、落后角和葉型附面層參數(shù)的計(jì)算。同樣，本階段設(shè)計(jì)很大程度上還要依賴于設(shè)計(jì)師的工程經(jīng)驗(yàn)，造型設(shè)計(jì)結(jié)果直接影響各級(jí)間的匹配。

以落后角為例，作為造型設(shè)計(jì)的1個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，又稱脫軌角，即氣流流過(guò)葉片時(shí)，出口氣流方向偏離了葉片中弧線，使氣流轉(zhuǎn)折角減小。落后角形成主要是氣流的慣性、葉片表面的附面層、葉片壓力面和吸力面壓力分布、以及在葉片尾緣為滿足Kutta條件等原因引起的。葉型截面的落后角通常根據(jù)卡特公式計(jì)算得到，見(jiàn)式（1），也可以根據(jù)S1程序計(jì)算得到（由于二次流的原因，在端壁區(qū)實(shí)際的落后角和這里討論的落后角不一樣），根據(jù)各個(gè)公司經(jīng)驗(yàn)，給出不同基元葉型落后角是修正量。

落后角主要是葉型的彎折角、稠度、葉型等參數(shù)的函數(shù)，當(dāng)來(lái)流攻角變化時(shí)，只要葉片無(wú)分離，落后角變化不大。

式中：Δθ為葉型彎折角；m為安裝角的函數(shù)，m與安裝角的關(guān)系如圖5所示[2]。

隨著風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)負(fù)荷和葉片氣流折轉(zhuǎn)角的逐步提高，現(xiàn)有的落后角經(jīng)驗(yàn)公式（如：卡特爾公式等）已不能滿足高負(fù)荷、大彎角多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)需求。為此，必須開(kāi)發(fā)較為準(zhǔn)確的新經(jīng)驗(yàn)公式或修正關(guān)系，來(lái)替代現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式。所采取的技術(shù)措施為利用平面葉柵、環(huán)形葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)，甚至是低速或高速的單級(jí)試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)并建立葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，校核S1流面計(jì)算軟件并積累使用經(jīng)驗(yàn)。

1.3 全3維數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)性能的日益改進(jìn)，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中全3維CFD方法已普遍應(yīng)用，多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)全3維計(jì)算的難題已成為過(guò)去，新的挑戰(zhàn)是在考慮影響計(jì)算精度的各種因素條件下對(duì)全3維流場(chǎng)的準(zhǔn)確分析和評(píng)估。

在設(shè)計(jì)中引入3維CFD計(jì)算帶來(lái)了2方面的益處：（1）3維CFD可以考慮真實(shí)幾何對(duì)流場(chǎng)的影響，如葉尖徑向間隙、小圓半徑、引氣、內(nèi)環(huán)泄漏、軸向間距以及其他的由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起的泄漏流的影響，并可顯現(xiàn)局部流動(dòng)細(xì)節(jié)；（2）為3維葉片設(shè)計(jì)提供了可能。

目前使用經(jīng)驗(yàn)表明：受網(wǎng)格劃分質(zhì)量、紊流模型及摻混面模型選取的影響，多級(jí)軸流風(fēng)扇/壓氣機(jī)的全3維數(shù)值模擬結(jié)果仍然處于設(shè)計(jì)變化方向可信而對(duì)預(yù)估的量值不可信的狀態(tài)，特別是多級(jí)壓氣機(jī)失穩(wěn)邊界的預(yù)估和多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的級(jí)間匹配。當(dāng)然，3維CFD技術(shù)的應(yīng)用，成功降低了設(shè)計(jì)成本和縮短了設(shè)計(jì)周期，設(shè)計(jì)方案也更趨于合理。

2 試驗(yàn)在風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件設(shè)計(jì)中的作用

2.1 風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件試驗(yàn)的目的

為降低燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)研制風(fēng)險(xiǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配之前，對(duì)各個(gè)部件需要分別進(jìn)行試驗(yàn)，使之滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求達(dá)到的性能指標(biāo)和可靠性。多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件或模型試驗(yàn)件作為其中之一，在裝機(jī)前就要進(jìn)行錄取特性、確定穩(wěn)定工作邊界、流動(dòng)損失、可靠性等一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，以確定風(fēng)扇/壓氣機(jī)特性與發(fā)動(dòng)機(jī)要求的符合性及檢驗(yàn)為提高特性所采用措施的有效性。

多級(jí)軸流風(fēng)扇/壓氣機(jī)是由一系列形狀相似的擴(kuò)壓葉柵組成，風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉身的橫截面隨半徑的變化是與速度三角形的徑向變化相適應(yīng)的，通常認(rèn)為這種葉片的任意1個(gè)指定基元截面的特性是與具有相同幾何形狀的靜止的2維葉柵性能相同。根據(jù)這個(gè)相似原理，通過(guò)在成本很低的靜子葉柵上進(jìn)行試驗(yàn)，已成功設(shè)計(jì)了多款性能優(yōu)異的風(fēng)扇和壓氣機(jī)。但隨著氣動(dòng)性能需求的不斷提高，多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)內(nèi)的3維流動(dòng)日趨復(fù)雜，使得旋轉(zhuǎn)葉片排的基元性能很大程度上取決于葉片排的3維性質(zhì)，特別是葉片排的端區(qū)流動(dòng)。

當(dāng)前，風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)通常是按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的，由于工程實(shí)踐中不同復(fù)雜程度的模型適用范圍不同，導(dǎo)致存在能否達(dá)到氣動(dòng)性能的風(fēng)險(xiǎn)。例如上面介紹的準(zhǔn)3維設(shè)計(jì)方法，所采用的各種模型的適用性對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的達(dá)到程度有著直接的影響，例如葉身附面層的分離是估算性能的最小值時(shí)，其擴(kuò)散程度就達(dá)到最大，而絕大部分的隱患都與這種最大的擴(kuò)散程度有關(guān)，這意味著風(fēng)扇/壓氣機(jī)所達(dá)到的最大穩(wěn)定壓比需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

綜上所述，進(jìn)行與多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)研究相關(guān)的各種試驗(yàn)和測(cè)試，無(wú)論在擴(kuò)大設(shè)計(jì)軟件實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)范圍、設(shè)計(jì)軟件模型改進(jìn)、指導(dǎo)研究和設(shè)計(jì)工作方面，還是在鑒定風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的有效性、獲得風(fēng)扇/壓氣機(jī)中需要改進(jìn)部分的信息和風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到方面都是必要的。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能調(diào)試的作用

通常情況下，壓力、溫度等參數(shù)的測(cè)量精度要求一般按HB 7115-1994壓氣機(jī)氣動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，例如大氣壓力±0.05%；進(jìn)口溫度±0.5 K；其他穩(wěn)態(tài)壓力±0.2%；氣流方向角±1°等。風(fēng)扇/壓氣機(jī)的氣動(dòng)指標(biāo)包括流量、壓比、不同轉(zhuǎn)速的喘振裕度、效率、抗進(jìn)口畸變能力等方面。

其中位于風(fēng)扇/壓氣機(jī)進(jìn)出口平面上的測(cè)量?jī)x表可以確定這些指標(biāo)，但其對(duì)了解風(fēng)扇/壓氣機(jī)如何達(dá)到或者沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)這一問(wèn)題幫助很少，在機(jī)匣環(huán)形通道的外壁測(cè)量各級(jí)葉片排進(jìn)、出口平面上的靜壓就可以有效回答這個(gè)問(wèn)題。與風(fēng)扇/壓氣機(jī)進(jìn)出口平面上的測(cè)量參數(shù)相結(jié)合，這些靜壓值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可以繪制每個(gè)葉片排的壓比與流量的特性曲線，并確定這些特性線上的工作點(diǎn)。在多數(shù)情況下，這些信息能夠迅速表明哪排葉片工作不好，并確定在多大范圍內(nèi)調(diào)整葉片排來(lái)提高其總性能。這樣就能很大程度上改善多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的軸向不匹配，而不必追究產(chǎn)生這些問(wèn)題的基本原因。參考文獻(xiàn)[3]給出了1臺(tái)3級(jí)風(fēng)扇調(diào)試的實(shí)例。靜子葉片角度優(yōu)化前設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速總性能特性如圖6所示，隨著反壓提高，在流量尚未拐頭、效率尚無(wú)下降趨勢(shì)時(shí)即進(jìn)入喘振。這表明級(jí)匹配出現(xiàn)問(wèn)題，即某1級(jí)在其他級(jí)尚處在較好狀態(tài)時(shí)提早偏離設(shè)計(jì)工況進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài),導(dǎo)致喘振提前發(fā)生[5-7]。

第1階段試驗(yàn)各級(jí)壁面靜壓比分布如圖7所示。在橫坐標(biāo)中流量由高到低的過(guò)程為試驗(yàn)狀態(tài)從堵點(diǎn)到喘點(diǎn)的過(guò)程。3排轉(zhuǎn)子級(jí)特性表明：1、2級(jí)轉(zhuǎn)子負(fù)荷幾乎相近，明顯高于3級(jí)轉(zhuǎn)子，但2級(jí)負(fù)荷偏重；從各級(jí)轉(zhuǎn)子近喘點(diǎn)壓比變化可見(jiàn)，1級(jí)轉(zhuǎn)子近喘點(diǎn)時(shí)壓比依然上升，3級(jí)轉(zhuǎn)子持平，唯有2級(jí)轉(zhuǎn)子壓比在近喘點(diǎn)前突然下降。初步判定2級(jí)轉(zhuǎn)子因負(fù)荷太重增壓能力已達(dá)極限，喘振的誘因就在這級(jí)，而4個(gè)靜子葉片排的性能未見(jiàn)異常。

根據(jù)級(jí)間流場(chǎng)診斷結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)件第1、2級(jí)靜子進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，將第1級(jí)靜子安裝角在原基礎(chǔ)上減小6°，第2級(jí)靜子安裝角在原基礎(chǔ)上減小3°，在增加第1級(jí)轉(zhuǎn)子負(fù)荷、降低2、3級(jí)轉(zhuǎn)子負(fù)荷的條件下進(jìn)行了氣動(dòng)性能優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，第1級(jí)負(fù)荷明顯增大，在進(jìn)喘前靜壓比有下降趨勢(shì)，也表明該級(jí)增壓潛力得到了充分挖掘。第2、3級(jí)負(fù)荷減小，進(jìn)喘前靜壓比無(wú)下降現(xiàn)象，達(dá)到了優(yōu)化性能的目的，優(yōu)化后氣動(dòng)性能參如圖8所示，優(yōu)化后各級(jí)壁面靜壓比分布如圖9所示。

多年的風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)調(diào)試表明，這是1種快速有效的氣動(dòng)性能改進(jìn)的試驗(yàn)測(cè)試方法。但通常情況下，壁面靜壓只能指出多級(jí)軸流風(fēng)扇/壓氣機(jī)某一葉片排平均氣動(dòng)性能不好，或者葉片排的有效工作范圍太窄等問(wèn)題。對(duì)于診斷由某葉片排哪個(gè)具體徑向高度上葉型設(shè)計(jì)的誤差而導(dǎo)致的特定葉片的性能惡化就無(wú)能為力了。鑒別這些問(wèn)題則需要特定葉片排所有半徑上的基元級(jí)性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以由移動(dòng)式測(cè)量頭測(cè)得，也可以是由布置在幾個(gè)半徑位置上的固定式儀表測(cè)出的幾個(gè)輪廓點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。二者的各自優(yōu)點(diǎn)是：固定式（靜子葉片前緣滯止室）測(cè)量耗時(shí)少，數(shù)據(jù)整理分析簡(jiǎn)單；移動(dòng)式測(cè)量對(duì)流場(chǎng)造成擾動(dòng)的持續(xù)時(shí)間短。

依據(jù)壁面靜壓測(cè)量結(jié)果，3級(jí)風(fēng)扇氣動(dòng)性能優(yōu)化后的測(cè)量結(jié)果分析如圖10、11所示。

從圖中可見(jiàn)，第2級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖和中上位置在接近喘點(diǎn)時(shí)壓比明顯下降，結(jié)合靜壓比變化，判斷第2級(jí)轉(zhuǎn)子中上部位在大攻角狀態(tài)下流動(dòng)惡化，葉片吸力面很可能發(fā)生較大分離，最終導(dǎo)致整體流動(dòng)失穩(wěn)。由此確定優(yōu)化的方向應(yīng)為減小第2級(jí)轉(zhuǎn)子的負(fù)荷，特別是中上位置，即通過(guò)調(diào)整第1級(jí)靜子的安裝角，以減小第2級(jí)轉(zhuǎn)子的攻角，實(shí)現(xiàn)了近喘點(diǎn)時(shí)的流動(dòng)分離現(xiàn)象的抑制。級(jí)間總壓比還表明，第3級(jí)轉(zhuǎn)子中下部壓比在近喘點(diǎn)時(shí)也發(fā)生顯著下降的現(xiàn)象，這可能是受上游失穩(wěn)氣流影響所致，但更可能是負(fù)荷偏重的表現(xiàn)，故采取同樣調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)第2級(jí)靜子，適當(dāng)減小該級(jí)負(fù)荷[10-12]。

從以上實(shí)例分析可以看出，多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)研究大致分為3個(gè)層次：（1）驗(yàn)證總的氣動(dòng)性能，確定總性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的情況；（2）分析壁面靜壓數(shù)據(jù)，確定導(dǎo)致總性能未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的葉片排；（3）對(duì)上一級(jí)中的葉片排進(jìn)行詳細(xì)考察和診斷，確定需要改進(jìn)的局部調(diào)整或者改進(jìn)設(shè)計(jì)方向。

2.3 風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能試驗(yàn)流程和測(cè)試的目標(biāo)

1臺(tái)氣動(dòng)性能良好的多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)是設(shè)計(jì)出來(lái)的，是在試驗(yàn)和測(cè)試基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的，試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)在多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中具有不可缺少的地位和作用。

在試驗(yàn)方面，目前已經(jīng)開(kāi)展了諸如葉片展弦比變化特性研究；輪轂區(qū)間隙流動(dòng)特性研究；葉尖區(qū)間隙流動(dòng)特性及機(jī)匣處理技術(shù)研究；軸向間隙變化影響研究；轉(zhuǎn)子葉尖徑向間隙變化影響研究；Re數(shù)變化影響研究等眾多方面。

在測(cè)試方面，目前已經(jīng)開(kāi)展了穩(wěn)態(tài)測(cè)試技術(shù)研究，如截面沿周向進(jìn)行壁面靜壓測(cè)量；沿試驗(yàn)件軸向進(jìn)行壁面靜壓測(cè)量，特別是在靜子、轉(zhuǎn)子葉尖通道區(qū)要進(jìn)行詳細(xì)、多點(diǎn)壁面靜壓測(cè)量，以確定轉(zhuǎn)子、靜子通道中超音速激波流場(chǎng)；在軸向測(cè)量截面采用3孔或5孔探針進(jìn)行流場(chǎng)方向測(cè)量；在風(fēng)扇/壓氣機(jī)進(jìn)出口采用移動(dòng)探針測(cè)量壓力和溫度場(chǎng)等。在非穩(wěn)態(tài)測(cè)試技術(shù)方面，例如在靜子葉片上和轉(zhuǎn)子葉片上方（葉尖機(jī)匣處）安裝半導(dǎo)體壓力傳感器，以測(cè)量動(dòng)態(tài)流場(chǎng)；在試驗(yàn)件軸向間隙中采用熱絲、熱膜風(fēng)速儀或動(dòng)態(tài)壓力傳感器，測(cè)量間隙內(nèi)壓力、方向等動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)；采用電容或其他傳感器，進(jìn)行轉(zhuǎn)子葉尖徑向間隙測(cè)量；在轉(zhuǎn)子葉片上進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)量；在軸向間隙中和轉(zhuǎn)子葉片間間隙3維光學(xué)測(cè)量等等。

綜上所述，多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)和優(yōu)化的主要流程如圖12所示。試驗(yàn)測(cè)試的需求目標(biāo)可總結(jié)為：（1）觀察風(fēng)扇/壓氣機(jī)的特性，確認(rèn)能安全地用在發(fā)動(dòng)機(jī)上；（2）觀察葉片排的特性，找出問(wèn)題所在，逐步調(diào)試實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)性能提高；（3）觀察有問(wèn)題葉片排的基元特性?？梢酝ㄟ^(guò)專門(mén)的低速或高速試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)分析，測(cè)量分析越具體，對(duì)基本原理的理解越透徹。

3 結(jié)論和展望

從設(shè)計(jì)工具來(lái)說(shuō)，目前已經(jīng)具備了多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的3維設(shè)計(jì)能力，但目前國(guó)際上多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)仍然為2維思想和方法所主宰的準(zhǔn)3維設(shè)計(jì)方法，3維設(shè)計(jì)沒(méi)有廣泛應(yīng)用的原因主要是缺乏對(duì)全3維黏性流場(chǎng)的準(zhǔn)確分析和認(rèn)識(shí)。

由于數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)的快速發(fā)展，為迅速有效地采集和處理大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了技術(shù)手段，也為試驗(yàn)和測(cè)試分析技術(shù)的進(jìn)一步提高提供了可能性，更為多級(jí)高性能風(fēng)扇/壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)成功提供了技術(shù)支撐。通過(guò)大量詳細(xì)、準(zhǔn)確的試驗(yàn)和測(cè)試研究，可以幫助風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)工程師們獲得復(fù)雜流場(chǎng)的有用數(shù)據(jù)和正確的分析結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)與多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算技術(shù)和方法校核、完善。由此可以預(yù)計(jì)，多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)發(fā)展方向?yàn)闊o(wú)常規(guī)設(shè)計(jì)參數(shù)的全3維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)提高氣動(dòng)性能水平同時(shí)，也提高其可靠性，但這一切都要基于試驗(yàn)和測(cè)試所獲得的大量經(jīng)驗(yàn)的累積。

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