龍炳祥，劉宗政，陳振華，陳吉明，雷鵬飛

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所，綿陽(yáng) 621000

0 引 言

空氣動(dòng)力學(xué)是航空航天飛行器研制、發(fā)展的基礎(chǔ)支撐學(xué)科。風(fēng)洞是開(kāi)展空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)設(shè)施，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰κ呛饬恳粋€(gè)國(guó)家航空航天事業(yè)發(fā)展水平的核心標(biāo)志之一。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M能力越強(qiáng)，風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，對(duì)先進(jìn)航空航天飛行器自主研發(fā)的支撐作用就越大。20世紀(jì)50年代，歐美國(guó)家先后建成了功能齊全、領(lǐng)先世界的風(fēng)洞群，這些風(fēng)洞為歐美先進(jìn)航空航天飛行器研制奠定了堅(jiān)實(shí)的空氣動(dòng)力試驗(yàn)基礎(chǔ)。

連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞建設(shè)是風(fēng)洞建設(shè)的核心內(nèi)容之一。此類(lèi)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)、建設(shè)屬于復(fù)雜系統(tǒng)工程，各系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)難度大，面臨諸多挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞回路氣流克服阻力形成目標(biāo)流場(chǎng)的軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)是連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)。軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)性能和氣動(dòng)聲學(xué)性能對(duì)風(fēng)洞運(yùn)行工況范圍、風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)、風(fēng)洞運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性有直接、重要的影響，軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)聲學(xué)設(shè)計(jì)是連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)、建設(shè)需要首先關(guān)注和重點(diǎn)解決的技術(shù)難題。

具備先進(jìn)地面空氣動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)M能力的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞有工況運(yùn)行范圍寬、流場(chǎng)品質(zhì)高、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定等典型特征。先進(jìn)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的基本特征要求驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞回路氣流的軸流壓縮機(jī)能夠在寬工況范圍高效、穩(wěn)定、安靜地運(yùn)行。高效意味著壓縮機(jī)組等熵效率（或多變效率）高，穩(wěn)定表示壓縮機(jī)組在全工況范圍有合適的喘振/失速裕度，安靜則要求壓縮機(jī)進(jìn)出口氣動(dòng)噪聲小。

壓縮機(jī)載荷特性是壓縮機(jī)設(shè)計(jì)輸入之一。連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)典型的工作特性如圖1所示。亞聲速區(qū)間內(nèi)，風(fēng)洞回路阻力損失主要來(lái)源于摩擦損失，風(fēng)洞回路質(zhì)量流量隨著馬赫數(shù)增大而增大，壓縮機(jī)工況呈現(xiàn)出寬流量、窄總壓比的特征（圖1中AB段）。超聲速區(qū)間內(nèi)，風(fēng)洞回路阻力損失主要來(lái)源于激波損失，風(fēng)洞試驗(yàn)段質(zhì)量流量隨試驗(yàn)馬赫數(shù)增大而減小，壓縮機(jī)工況呈現(xiàn)出窄流量、寬總壓變化的特征（圖1中BC段）。

圖1 連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)典型工作特性曲線Fig.1 Operating curve of continuous transonic wind-tunnel

常規(guī)跨聲速飛行器飛行馬赫數(shù)在0.9附近（圖1中B點(diǎn)），因此，常選取Ma=0.9工況點(diǎn)作為連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)點(diǎn)。由軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)性能基本特征可知，壓縮機(jī)組的最易失穩(wěn)工況為圖1中的A、C工況。為確保壓縮機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，考慮風(fēng)洞載荷計(jì)算不確定性、風(fēng)洞試驗(yàn)載荷多變性以及壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的不確定性，軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)A工況和C工況至少需要預(yù)留10%的失穩(wěn)裕度。由于B工況處于載荷特性線的拐點(diǎn)位置，若不慎重設(shè)計(jì)壓縮機(jī)氣動(dòng)方案，B工況極易落在壓縮機(jī)堵塞工況區(qū)，進(jìn)而造成壓縮機(jī)組效率下降、氣動(dòng)噪聲增大及疲勞壽命降低等問(wèn)題。

試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)是影響風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)確性、試驗(yàn)效率等的核心因素。軸流壓縮機(jī)進(jìn)出口氣動(dòng)噪聲是影響風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)的關(guān)鍵?？刂茐嚎s機(jī)進(jìn)出口噪聲水平有助于提升風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)。基于傳統(tǒng)聲學(xué)里襯的被動(dòng)降噪手段是抑制軸流壓縮機(jī)進(jìn)出口氣動(dòng)噪聲的有效方法之一。基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的軸流壓氣機(jī)噪聲聲壓級(jí)最高可達(dá)155 dB，而先進(jìn)風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)要求壓縮機(jī)進(jìn)出口噪聲聲壓級(jí)低于140 dB。單純依靠聲學(xué)里襯實(shí)現(xiàn)15 dB的降噪量極具挑戰(zhàn)，因此，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)需采用氣動(dòng)-聲學(xué)融合設(shè)計(jì)方法，即考慮機(jī)組氣動(dòng)性能的同時(shí)協(xié)同考慮設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲的影響，進(jìn)而從噪聲源控制壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲。

載荷特性和風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)的高要求給連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。盡管軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)本身是一個(gè)傳統(tǒng)課題，但是公開(kāi)文獻(xiàn)中針對(duì)其開(kāi)展的設(shè)計(jì)分析較少。本文從寬工況連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)與氣動(dòng)-聲學(xué)融合設(shè)計(jì)兩方面重點(diǎn)闡述連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)基本思想，著重闡述先進(jìn)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式及基本參數(shù)的選取原則和氣動(dòng)-聲學(xué)融合設(shè)計(jì)基本思路，并給出了必要的設(shè)計(jì)結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

1 風(fēng)洞壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

合理選擇壓縮機(jī)的變幾何調(diào)節(jié)方式（動(dòng)葉調(diào)節(jié)、靜葉調(diào)節(jié)）以及基本設(shè)計(jì)參數(shù)是使軸流壓縮機(jī)高效、穩(wěn)定地滿足連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞全工況運(yùn)行需求的兩個(gè)重要途徑。

1.1 動(dòng)、靜葉調(diào)節(jié)方式選擇

變幾何設(shè)計(jì)是流動(dòng)控制的有效手段。在軸流壓縮機(jī)流動(dòng)控制領(lǐng)域，采用變動(dòng)葉安裝角技術(shù)（簡(jiǎn)稱動(dòng)葉調(diào)節(jié)技術(shù)）或變進(jìn)口導(dǎo)葉、靜葉安裝角技術(shù)（簡(jiǎn)稱靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)）均可有效拓寬壓縮機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行的范圍。美國(guó)阿諾德工程中心的16 ft（英尺）連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞（AEDC 16T）、歐洲跨聲速低溫風(fēng)洞（ETW）、NASA跨聲速風(fēng)洞設(shè)施（NTF）和英國(guó)的8 ft高速風(fēng)洞（HSWT）等的壓縮機(jī)均采用靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)。動(dòng)葉調(diào)節(jié)技術(shù)在煤礦、化工行業(yè)的大型通風(fēng)機(jī)以及渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉安裝角調(diào)節(jié)領(lǐng)域已成功應(yīng)用，但在風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)中應(yīng)用較少，德國(guó)RAE風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)采用了該技術(shù)。

動(dòng)、靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)在軸流旋轉(zhuǎn)機(jī)械中已有廣泛應(yīng)用，但量化評(píng)估兩種調(diào)節(jié)方式優(yōu)劣的方法較少。本文過(guò)建立分析模型，從氣動(dòng)設(shè)計(jì)角度量化評(píng)估兩種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)劣，為連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)動(dòng)、靜葉調(diào)節(jié)方式的選擇提供參考。

1.1.1 分析模型

調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉、靜葉與動(dòng)葉安裝角，拓寬壓縮機(jī)高效、穩(wěn)定運(yùn)行工況范圍，主要通過(guò)改變壓縮機(jī)級(jí)間匹配實(shí)現(xiàn)。典型的以做功系數(shù)（）和流量系數(shù)（）表示的軸流壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)速性能曲線如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)速性能曲線Fig.2 Constant rotational performance curve

做功系數(shù)反映壓縮機(jī)做功能力大小，流量系數(shù)間接反映氣流角。圖2中點(diǎn)A、B、C分別表示壓縮機(jī)最佳進(jìn)氣角、負(fù)進(jìn)氣角與正進(jìn)氣角工況。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉、靜葉或（和）動(dòng)葉安裝角改變氣流角，實(shí)現(xiàn)不同的級(jí)間匹配策略，可有效拓寬壓縮機(jī)工況范圍。

采用速度三角形分析法對(duì)動(dòng)、靜葉調(diào)節(jié)有效性進(jìn)行分析，分析時(shí)假設(shè)調(diào)節(jié)過(guò)程中氣體物性、葉柵進(jìn)出口氣流軸向速度和進(jìn)出口徑向位置無(wú)變化。壓縮機(jī)做功系數(shù)（）與流量系數(shù)（）的定義如式（1）所示。葉柵幾何參數(shù)與速度三角形的定義如圖3所示，圖中W表示相對(duì)速度，為動(dòng)葉安裝角，相對(duì)氣流角。

圖3 葉柵與速度三角形Fig.3 Cascade and velocity triangle

式中：表 示進(jìn)口絕對(duì)速度，m/s；表示出口絕對(duì)速度，m/s；v表 示進(jìn)出口軸向速度，m/s；表示圓周速度，m/s；和分別表示進(jìn)出口絕對(duì)氣流角，（°）；文中若無(wú)特別說(shuō)明，下標(biāo)1和2分別表示進(jìn)口和出口。

定義調(diào)節(jié)有效性（）以便量化評(píng)估動(dòng)葉調(diào)節(jié)與靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)的優(yōu)劣。調(diào)節(jié)有效性是指單位做功系數(shù)調(diào)節(jié)量對(duì)應(yīng)的動(dòng)葉或進(jìn)口導(dǎo)葉、靜葉安裝角調(diào)節(jié)量，反映了采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)技術(shù)、靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)改變單位做功系數(shù)的難易程度。調(diào)節(jié)有效性的計(jì)算表達(dá)式為：

式中： Δ表示安裝角調(diào)節(jié)量，（°）。

圖4 速度三角形Fig.4 Velocity triangle

軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)通常保證進(jìn)出口軸向速度相近，因此上面兩個(gè)計(jì)算公式中不考慮葉柵進(jìn)出口軸向速度變化對(duì)調(diào)節(jié)有效性的影響。為了盡可能將分析結(jié)果全部用壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)表示，需要消去。由反動(dòng)度R（氣流經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子獲得的靜焓升與其經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)靜子獲得的靜焓升之比）的定義以及速度三角形關(guān)系，可用下面的關(guān)系式消去：

根據(jù)式（5）可得:

將式（6）代入式（3）和（4）可得：

根據(jù)三角形余弦定理可以得到，做功系數(shù)變化時(shí)需要調(diào)節(jié)的靜葉安裝角度和動(dòng)葉安裝角度：

根據(jù)式（2）和式（7）～（10）可將動(dòng)葉調(diào)節(jié)與靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)有效性解析表達(dá)出來(lái)。

1.1.2 小結(jié)

動(dòng)、靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)有效性與流量系數(shù)、做功系數(shù)、反動(dòng)度密切相關(guān)。在低反動(dòng)度、小做功系數(shù)條件下，動(dòng)葉調(diào)節(jié)在大流量系數(shù)工況下比其在小流量系數(shù)工況下具有更高的優(yōu)勢(shì)；而在高反動(dòng)度、大做功系數(shù)條件下，動(dòng)葉調(diào)節(jié)在小流量系數(shù)工況下比其在大流量系數(shù)工況下更具優(yōu)勢(shì)。在低反動(dòng)度、小做功系數(shù)條件下，靜葉調(diào)節(jié)在小流量系數(shù)工況比其在大流量系數(shù)工況具有更高的優(yōu)勢(shì)；而在高反動(dòng)度、大做功系數(shù)條件下，靜葉調(diào)節(jié)在大流量系數(shù)工況比其在小流量系數(shù)工況更具優(yōu)勢(shì)。反動(dòng)度0.5是動(dòng)、靜葉調(diào)節(jié)有效性優(yōu)劣發(fā)生根本轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)。當(dāng)反動(dòng)度小于0.5時(shí)，從氣動(dòng)設(shè)計(jì)考慮，軸流壓縮機(jī)應(yīng)優(yōu)先采用靜葉調(diào)節(jié)；當(dāng)反動(dòng)度大于0.5時(shí)，軸流壓縮機(jī)應(yīng)優(yōu)先采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)技術(shù)。

連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)是多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)際設(shè)計(jì)中選取何種調(diào)節(jié)方式還需綜合考慮結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)性、穩(wěn)定性、安全性等因素。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程包括軸流壓縮機(jī)一維設(shè)計(jì)、二維設(shè)計(jì)、三維造型設(shè)計(jì)和壓縮機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。一維設(shè)計(jì)的主要目的是確定軸流壓縮機(jī)的子午流道參數(shù)以及各級(jí)葉片加工量、葉片環(huán)量、葉片數(shù)、弦長(zhǎng)和稠度等參數(shù)。二維設(shè)計(jì)主要通過(guò)求解完全徑向平衡方程完成軸流壓縮機(jī)S2流面的計(jì)算。通過(guò)二維設(shè)計(jì)可以初步確定軸流壓縮機(jī)葉片展向各個(gè)位置進(jìn)出口氣流角、安裝角等參數(shù)。在一維和二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可完成壓縮機(jī)葉片造型設(shè)計(jì)，即壓縮機(jī)的三維設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)三維CFD數(shù)值計(jì)算方法和（或）試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證壓縮機(jī)氣動(dòng)性能是否滿足用戶設(shè)計(jì)要求。若不滿足，則對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保所設(shè)計(jì)壓縮機(jī)最終能夠達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程Fig.5 Axial-flow compressor design process

一維設(shè)計(jì)是軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，決定了設(shè)計(jì)方案可達(dá)到的最優(yōu)氣動(dòng)性能，完成合理的一維設(shè)計(jì)意味著基本完成了整個(gè)設(shè)計(jì)工作量的60%～70%。選擇合適的設(shè)計(jì)點(diǎn)、做功系數(shù)、流量系數(shù)、子午流道，葉型基本參數(shù)是開(kāi)展基于軸流壓縮機(jī)基本理論、熱力學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)公式（損失、進(jìn)氣角、落后角等）的一維設(shè)計(jì)的前提，也是決定一維設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的關(guān)鍵要素。

1.2.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)選取

開(kāi)展具有寬工況運(yùn)行特征的軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)首先需要確定軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)。設(shè)計(jì)點(diǎn)的選取決定了設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)氣動(dòng)性能，決定了設(shè)計(jì)滿足連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞運(yùn)行需求的軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)方案的難易程度。

連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞高性能軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)要求壓縮機(jī)在風(fēng)洞設(shè)計(jì)點(diǎn)（圖1中B點(diǎn)）具有較高熱效率。根據(jù)軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)性能基本特性可知，全工況范圍內(nèi)，喘振裕度最低的工況點(diǎn)一定出現(xiàn)在最低馬赫數(shù)工況點(diǎn)和最高馬赫數(shù)工況點(diǎn)（圖1中A點(diǎn)和C點(diǎn)）。對(duì)于運(yùn)行馬赫數(shù)范圍為0.2～1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，粗糙地將其壓縮機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇在B點(diǎn)（對(duì)應(yīng)Ma=0.9工況點(diǎn)）或者C點(diǎn)（對(duì)應(yīng)Ma=1.6工況點(diǎn)）將無(wú)法獲得滿意方案。

1）方案一 ：Ma=0.9設(shè)計(jì)點(diǎn)

若選取Ma0.9工況點(diǎn)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，壓縮機(jī)動(dòng)葉進(jìn)氣角隨著壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)而逐漸增大，在Ma=1.6和Ma=0.2時(shí)達(dá)到最大正進(jìn)氣角，意味著壓縮機(jī)在工況點(diǎn)A和工況點(diǎn)C運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)機(jī)組的喘振裕度小。為此需要將壓縮機(jī)的靜葉安裝角度調(diào)小，使壓縮機(jī)在風(fēng)洞運(yùn)行工況兩端運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣角盡可能朝合理的負(fù)進(jìn)氣角移動(dòng)。

選取Ma=0.9工況作為設(shè)計(jì)點(diǎn)開(kāi)展設(shè)計(jì)獲得的設(shè)計(jì)方案表明：壓縮機(jī)在Ma=0.2～0.3、Ma=1.3～1.4和Ma=1.5～1.6工況運(yùn)行時(shí)，靜葉安裝角需要分別調(diào)小6.9°、5.7°和12°才可獲得滿意的氣動(dòng)性能。

2）方案二： Ma=1.6設(shè)計(jì)點(diǎn)

若將設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇在Ma=1.6對(duì)應(yīng)的工況，如果不調(diào)節(jié)靜葉，壓縮機(jī)在低馬赫數(shù)工況區(qū)等熵效率低，因此需要將靜葉安裝角調(diào)大。但受限于靜葉的可用調(diào)節(jié)范圍以及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，低馬赫數(shù)工況區(qū)（尤其是風(fēng)洞運(yùn)行工況點(diǎn)）的效率可能無(wú)法達(dá)到令人滿意的結(jié)果。將設(shè)計(jì)點(diǎn)選取為Ma=1.6而獲得的設(shè)計(jì)方案，風(fēng)洞設(shè)計(jì)點(diǎn)等熵效率比方案一低5%，且為滿足全工況范圍運(yùn)行，需要采用靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)。

3）設(shè)計(jì)點(diǎn)準(zhǔn)則

優(yōu)化設(shè)計(jì)是開(kāi)展設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇的合適途徑，但耗時(shí)較長(zhǎng)?；谒俣热切畏治瞿Ｐ?，可快速篩選合理的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)。設(shè)計(jì)點(diǎn)選取的原則是Ma=1.6工況對(duì)應(yīng)等轉(zhuǎn)速線上的失穩(wěn)工況點(diǎn)進(jìn)氣角的絕對(duì)值不小于Ma=0.9工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)進(jìn)氣角的絕對(duì)值。

基于葉輪機(jī)械基本理論和圖3所示的速度三角形，假定進(jìn)口無(wú)預(yù)旋，可得式（11）：

式中：C表示等壓比熱容；表示壓縮機(jī)組熱效率；T表示總溫，K；p表示總壓比；v、v分別表示絕對(duì)速度軸向和周向分量，m/s。

基于圖1所示連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)載荷特性，假定BC線上的流量保持不變，并將設(shè)計(jì)點(diǎn)流量系數(shù)取0.6。其余輸入的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算輸入?yún)?shù)表Table 1 Design inputs

基于設(shè)計(jì)點(diǎn)選取原則，將表1中的計(jì)算參數(shù)代入式（11）中，得到設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比約為1.39。連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞回路損失計(jì)算結(jié)果表明：壓比1.39對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)為Ma=1.4工況點(diǎn)。綜上，設(shè)計(jì)Ma=0.2～1.6運(yùn)行范圍的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)時(shí)，宜將設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇在Ma=1.4工況點(diǎn)附近。圖6展示了某風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)性能曲線（設(shè)計(jì)點(diǎn)選取為Ma=1.4），從圖中可以看出，此風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)在全工況范圍內(nèi)具有較優(yōu)的綜合性能。

圖6 某風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)性能曲線Fig.6 Performance map of wind-tunnel compressor

1.2.2 做功系數(shù)、流量系數(shù)

軸流壓縮機(jī)級(jí)數(shù)和尺寸是開(kāi)展壓縮機(jī)設(shè)計(jì)需要首先確定的兩項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。軸流壓縮機(jī)級(jí)數(shù)的多少取決于全工況范圍內(nèi)壓縮機(jī)的總壓比大小和做功系數(shù)。壓縮機(jī)尺寸則決定了壓縮機(jī)的流量系數(shù)。圖7為反動(dòng)度為0.7的軸流壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)的Lewis圖，該類(lèi)圖的相關(guān)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，根據(jù)圖7可對(duì)做功系數(shù)和流量系數(shù)進(jìn)行合理選擇。

圖7 Lewis圖（反動(dòng)度0.7）Fig.7 Lewis chart（R=0.7）

1）做功系數(shù)

高載荷設(shè)計(jì)是軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)?；诠剑?2），通過(guò)增加葉型彎角（ Δv），提升壓縮機(jī)周向線速度（U）是增大壓縮機(jī)級(jí)載荷的有效途徑。

考慮到逆壓梯度下邊界層易分離，壓縮機(jī)葉型彎角無(wú)法隨意增大，因此增大周向線速度是提升級(jí)載荷的重要途徑。為避免激波誘導(dǎo)產(chǎn)生的高氣動(dòng)損失、應(yīng)對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)面臨的超低雷諾數(shù)運(yùn)行工況問(wèn)題并考慮長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)要求，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)仍宜采用常規(guī)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)思路。鑒于常規(guī)軸流壓縮機(jī)葉型的臨界馬赫數(shù)約為0.75，因此連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)最高周向線速度應(yīng)小于250 m/s，軸流壓縮機(jī)單級(jí)做功系數(shù)選擇范圍為0.15～0.30。

2）流量系數(shù)

圖7中展示了不同工況點(diǎn)壓縮機(jī)熱效率和穩(wěn)定裕度（Dehaller Number，哈勒數(shù)）的關(guān)系。常規(guī)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中，哈勒數(shù)小于等于0.72是軸流壓縮機(jī)失穩(wěn)的判定準(zhǔn)則之一。哈勒數(shù)的定義如式（13）所示：

基于上述分析，壓縮機(jī)全工況范圍內(nèi)的流量系數(shù)均應(yīng)該大于0.4。從圖7還可以看出，做功系數(shù)一定時(shí)，流量系數(shù)越大，壓縮機(jī)效率越低。因此，為盡可能地提升壓縮機(jī)熱效率，壓縮機(jī)流量系數(shù)不可太大。壓縮機(jī)流量系數(shù)的選擇還需綜合考慮可用加工能力對(duì)最大輪轂直徑的限制、交通運(yùn)輸對(duì)機(jī)組整體尺寸的限制，以及增大流量系數(shù)造成的壓縮機(jī)一次性成本降低與增大流量系數(shù)帶來(lái)運(yùn)行成本增加之間的平衡。連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)流量系數(shù)宜選擇在0.5～0.7范圍內(nèi)。為保證在全工況范圍內(nèi)壓縮機(jī)流量系數(shù)大致處于上述范圍，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)宜選擇為0.6左右。

1.2.3 子午流道

典型的軸流壓縮機(jī)子午流道形式包括等外徑子午流道、等內(nèi)徑子午流道和等中徑子午流道。等內(nèi)徑設(shè)計(jì)配合采用重復(fù)級(jí)設(shè)計(jì)思路，使得碳纖維葉片制造只需采用一套模具即可，可以降低模具開(kāi)發(fā)成本，從而降低壓縮機(jī)組制造成本，并縮短葉型開(kāi)發(fā)的時(shí)間。在通流能力相同的前提下，壓縮機(jī)葉片的輪轂比較高，便于降低二次流損失，提升壓縮機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。一方面，等外徑設(shè)計(jì)可充分利用葉尖的做功能力，另一方面，通過(guò)抬升輪轂可有效加速葉根附近氣流，降低葉根失速的風(fēng)險(xiǎn)，提升壓縮機(jī)的穩(wěn)定裕度。等內(nèi)徑設(shè)計(jì)中，由于葉尖環(huán)切而損失的加功能力通常需要通過(guò)增大葉片的折轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞總壓比不高（運(yùn)行馬赫數(shù)為1.6，總壓比約為1.6），采用2～3級(jí)軸流壓縮機(jī)即可滿足連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞運(yùn)行需求。因此，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)宜采用等外徑設(shè)計(jì)思想。以下為設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析。

分別以等內(nèi)徑子午流道和等外徑子午流道思路設(shè)計(jì)了某運(yùn)行馬赫數(shù)范圍為0.2～1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)方案。采用等內(nèi)徑和等外徑方案設(shè)計(jì)得到的軸流壓縮機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子的折轉(zhuǎn)角如圖8所示。從圖8可以看出，采用等外徑方案時(shí)，葉根和葉尖折轉(zhuǎn)角大幅減小，可以有效拓寬壓縮機(jī)穩(wěn)定工況范圍，同時(shí)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的葉型損失和端壁損失。圖9展示了轉(zhuǎn)子稠度沿葉高的分布規(guī)律，從圖中可以看出，等外徑子午流道設(shè)計(jì)方案35%葉高以上轉(zhuǎn)子的稠度小于等內(nèi)徑設(shè)計(jì)方案，35%葉高以下轉(zhuǎn)子的稠度大于等內(nèi)徑設(shè)計(jì)方案。由此可進(jìn)一步降低35%葉高以上的氣動(dòng)損失并有效增加葉根失穩(wěn)的裕度。

圖8 第一級(jí)轉(zhuǎn)子折轉(zhuǎn)角沿葉高分布Fig.8 Turning angle of the first rotor blade

圖9 第一級(jí)轉(zhuǎn)子稠度沿葉高分布Fig.9 Solidity of the first rotor blade

圖10和圖11分別展示了壓縮機(jī)等熵效率提升（等外徑減等內(nèi)徑）和喘振裕度分布規(guī)律，從圖可以看出，采用等外徑設(shè)計(jì)方案的壓縮機(jī)喘振裕度分布更加合理，等熵效率更高，無(wú)需采用靜葉調(diào)節(jié)即可在全工況范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，運(yùn)行范圍為Ma=0.2～1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)采用等外徑子午流道更為合適。

圖10 壓縮機(jī)等熵效率提升Fig.10 Adiabatic efficiency improvement of compressor

圖11 喘振裕度分布Fig.11 Surge margin distribution

2 壓縮機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)

2.1 基本原理

軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲由單音噪聲（Tonal noise）與寬頻噪聲（Broadband noise）組成。軸流壓縮機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子與靜子之間強(qiáng)烈的流動(dòng)干涉是軸流壓縮機(jī)單音噪聲的主要誘因之一，對(duì)軸流壓縮機(jī)寬頻噪聲也有直接的重要影響。增大轉(zhuǎn)子與靜子之間的軸向距離，可有效抑制軸流壓縮機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子與靜子之間的流動(dòng)干涉。

NASA 通過(guò)大量試驗(yàn)得出的軸流壓縮機(jī)級(jí)間距因子（RSS，計(jì)算方式見(jiàn)式14）對(duì)單音噪聲和寬頻噪聲聲壓級(jí)的影響如圖12所示。若軸流壓縮機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)不存在畸變，壓縮機(jī)噪聲隨著級(jí)間距因子的增大呈逐漸減小的趨勢(shì)，但是當(dāng)級(jí)間距因子達(dá)到100時(shí)，噪聲不再隨著級(jí)間距因子的增大而降低。

圖12 級(jí)間距因子對(duì)單音、寬頻噪聲的影響[13]Fig.12 The influence of RSS on tonal and broadband noise[13]

式中：C為軸向弦長(zhǎng)，m；C為動(dòng)、靜葉排軸向間距（級(jí)間距），m；如圖13所示。

圖13 級(jí)間距Fig.13 Rotor-stator spacing

優(yōu)化動(dòng)靜葉級(jí)間距因子RSS可有效降低軸流壓縮機(jī)由動(dòng)、靜葉之間相互干涉產(chǎn)生的噪聲。NASA的研究同樣表明：利用動(dòng)、靜葉轉(zhuǎn)靜干涉關(guān)系，合理選擇動(dòng)葉葉片數(shù)和靜葉葉片數(shù)能有效抑制壓縮機(jī)葉片通過(guò)頻率（BPF）及其倍頻對(duì)應(yīng)的單音噪聲向壓縮機(jī)上、下游的傳播（聲截?cái)酄顟B(tài)），進(jìn)而降低壓縮機(jī)噪聲。聲截?cái)嗟某醪脚袛鄺l件如式（15）所示：

式中：B為動(dòng)葉數(shù)；V為靜葉數(shù)；m為動(dòng)葉造成的空間畸變形態(tài)的周期數(shù)；n為靜葉造成的空間畸變形態(tài)的周期數(shù)。

盡管氣動(dòng)噪聲是連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)的核心指標(biāo)之一，但不是唯一指標(biāo)。開(kāi)展連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮其他有關(guān)方面的影響：

1）級(jí)間距因子

增大級(jí)間距將增加壓縮機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的軸向尺寸，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子重量增加，從而增加壓縮機(jī)制造成本，同時(shí)可能給壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。且增大間距因子將導(dǎo)致風(fēng)洞整體尺寸增加，從而導(dǎo)致風(fēng)洞占地面積、整體造價(jià)增加。因此，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)級(jí)間距因子一般取值不超過(guò)100。

2）動(dòng)、靜葉數(shù)目

一般情況，軸流壓縮機(jī)單音噪聲中一階BPF對(duì)應(yīng)的能量最強(qiáng)。因此，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)中一般只要求m和n都等于1時(shí)，式（15）成立。

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)果及試驗(yàn)測(cè)試方案

某運(yùn)行馬赫數(shù)范圍為0.2～1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的壓縮機(jī)為一臺(tái)三級(jí)軸流壓縮機(jī)。為有效控制壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲，壓縮機(jī)級(jí)間距因子選擇為100，壓縮機(jī)動(dòng)、靜葉片數(shù)目分別為28和54。為有效驗(yàn)證低噪聲設(shè)計(jì)效果，對(duì)該壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了測(cè)試分析。

噪聲測(cè)試中采用庫(kù)里特（KULITE）脈動(dòng)壓力傳感器和恩德?？耍‥NDEVCO）脈動(dòng)壓力傳感器進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)收集。庫(kù)里特脈動(dòng)壓力傳感器型號(hào)為CTL-190SM-±15D，恩德?？嗣}動(dòng)壓力傳感器型號(hào)為8510C-15。數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)采用NI PXI-1042Q數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)。信號(hào)采樣頻率為50 kHz，單次采樣點(diǎn)數(shù)為32 768，單次采樣重復(fù)30次。受試驗(yàn)條件限制，此次試驗(yàn)僅在壓縮機(jī)進(jìn)出口各布置一個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器測(cè)試點(diǎn)。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 總聲壓級(jí)

表2和圖14展示了Ma=0.2～1.6運(yùn)行工況范圍內(nèi)（對(duì)應(yīng)不同總壓比和流量）某連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)進(jìn)、出口氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)變化。

表2 模型機(jī)進(jìn)出口噪聲Table 2 Sound pressure level at compressor inlet and outlet

圖14 壓縮機(jī)進(jìn)、出口聲壓級(jí)Fig.14 Sound pressure level at compressor inlet and outlet

從圖14和表2可以看出，壓縮機(jī)進(jìn)、出口氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)隨試驗(yàn)段馬赫數(shù)的增大而逐漸增大。壓縮機(jī)進(jìn)、出口氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)最低值分別為129.186 dB和131.503 dB；壓縮機(jī)進(jìn)出、口氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)最高分別為143.367 dB和152.481 dB。

2.3.2 頻譜分析

圖15、16展示了Ma=0.9運(yùn)行工況下壓縮機(jī)進(jìn)出口氣動(dòng)噪聲的頻譜特性。從圖15可以看出，壓縮機(jī)進(jìn)口前五階BPF對(duì)應(yīng)的單音噪聲中，壓縮機(jī)進(jìn)口的三階BPF對(duì)應(yīng)的單音噪聲的能量最高。一階和二階BPF對(duì)應(yīng)的單音噪聲能量均小于三階BPF對(duì)應(yīng)的噪聲能量。從圖16可以看出，出口噪聲中能量最高的單音噪聲為二階BPF對(duì)應(yīng)的單音噪聲。

圖15 進(jìn)口噪聲頻譜（ Ma=0.9）Fig.15 Noise spectrum at compressor inlet (Ma=0.9)

圖16 出口噪聲頻譜（Ma=0.9）Fig.16 Noise spectrum at compressor outlet (Ma=0.9)

從圖15、16可以看出，在壓縮機(jī)噪聲頻譜中存在一個(gè)占主導(dǎo)地位的單音噪聲，其頻率與BPF及其諧頻均不對(duì)應(yīng)，即“異常單音噪聲”。進(jìn)口噪聲中的異常單音噪聲對(duì)應(yīng)的頻率約為500 Hz，出口噪聲中異常單音噪聲對(duì)應(yīng)的頻率為1 400 Hz。從圖15可以看出，壓縮機(jī)進(jìn)口存在頻率為500 Hz的異常單音噪聲以及與之對(duì)應(yīng)的二階、三階諧頻噪聲。壓縮機(jī)出口異常噪聲亦存在與主頻對(duì)應(yīng)的二階、三階諧頻異常單音噪聲。據(jù)此，初步分析此異常單音噪聲與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件相關(guān)。

圖17、18展示了壓縮機(jī)在Ma=1.6工況運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)進(jìn)出口氣動(dòng)噪聲的頻譜特性，與Ma=0.9工況類(lèi)似，除異常單音噪聲外，壓縮機(jī)主導(dǎo)單音噪聲并非一階BPF對(duì)應(yīng)的單音噪聲。

圖17 進(jìn)口噪聲頻譜（Ma=1.6）Fig.17 Noise spectrum at compressor inlet (Ma=1.6)

圖18 出口噪聲頻譜（Ma=1.6）Fig.18 Noise spectrum at compressor outlet (Ma=1.6)

綜上，合理地選擇壓縮機(jī)動(dòng)、靜葉片數(shù)比可有效抑制壓縮機(jī)異常單音噪聲。

3 結(jié) 論

1）從氣動(dòng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，高反動(dòng)度軸流壓縮機(jī)應(yīng)盡可能采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)，而低反動(dòng)度軸流壓縮機(jī)則宜采用靜葉調(diào)節(jié)。反動(dòng)度0.5是動(dòng)、靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)劣的臨界點(diǎn)。軸流壓縮機(jī)工程研制是一個(gè)跨學(xué)科的系統(tǒng)工程問(wèn)題，采用何種調(diào)節(jié)手段需綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠與安全性、加工制造能力等方面的因素。

2）Ma=0.2～1.6范圍連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)應(yīng)選擇在Ma=1.4附近，壓縮機(jī)各級(jí)的流量系數(shù)處于0.5～0.7之間，做功系數(shù)處于0.15～0.3之間較為合適；在設(shè)計(jì)點(diǎn)，流量系數(shù)和做功系數(shù)宜分別選取在0.6和0.25附近。

3）采用等外徑子午流道設(shè)計(jì)思路可有效提升壓縮機(jī)熱效率，拓寬壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的工況范圍；最高運(yùn)行馬赫數(shù)不超過(guò)1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)宜采用等外徑子午流道設(shè)計(jì)思路。

4）通過(guò)合理選擇壓縮機(jī)動(dòng)靜葉數(shù)目比實(shí)現(xiàn)聲截?cái)?，可有效抑制壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲，截?cái)嘈?yīng)對(duì)出口氣動(dòng)噪聲的抑制作用更加明顯。

5）本文基于傳統(tǒng)軸流壓縮機(jī)設(shè)計(jì)思想開(kāi)展分析，未考慮成熟的CDA葉型技術(shù)以及廣泛應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，存在一定的局限。