程超，吳寶海,*，鄭海，高麗敏

1. 西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072 2. 西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072

壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其性能對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)有著至關(guān)重要的影響。葉片是構(gòu)成壓氣機(jī)的基本單元，相鄰葉片構(gòu)成的通道內(nèi)流動(dòng)情況決定了壓氣機(jī)的性能，現(xiàn)代多采用幾何構(gòu)型復(fù)雜的三維葉片來(lái)提升壓氣機(jī)性能，這類葉片型面復(fù)雜且屬于薄壁件，在多軸數(shù)控加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生加工變形[1]，使得葉片實(shí)際型線偏離原始設(shè)計(jì)，影響壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。

一般而言，葉片的加工誤差會(huì)增加壓氣機(jī)的性能變異性，影響壓氣機(jī)的平均性能，為量化葉片的加工誤差對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界開展了一些研究，NASA LEWIS中心的Roelke等[2-4]試驗(yàn)研究了葉型輪廓誤差、型面厚度變化、粗糙度、弦長(zhǎng)誤差對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響，并分析了誤差位置對(duì)氣動(dòng)性能的敏感性。Goodhand和Miller[5-6]通過(guò)數(shù)值及試驗(yàn)研究了由于加工導(dǎo)致的壓縮機(jī)靜葉前緣幾何、粗糙度、圓角等微小結(jié)構(gòu)變化對(duì)氣流分離和性能的影響。Daria等[7]通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了不同類型的透平葉片表面極限加工誤差，如葉片弦長(zhǎng)、葉型彎角、葉片高度等對(duì)于氣動(dòng)性能的影響，獲取了極限加工誤差下的參數(shù)對(duì)葉型性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[8-10]基于蒙特卡洛采樣方法，對(duì)大量具有加工誤差的葉片樣本進(jìn)行數(shù)值分析以找出葉片加工誤差對(duì)氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果較準(zhǔn)確，但計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、研究成本較高。Goodhand等[11]開展了壓縮機(jī)葉片前緣加工誤差與氣動(dòng)沖角范圍的敏感性研究，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)魯棒優(yōu)化得到的不對(duì)稱前緣能增加5%穩(wěn)定運(yùn)行沖角范圍。高麗敏等[12-13]通過(guò)數(shù)值及試驗(yàn)研究手段分析了不同類型的葉片表面加工誤差對(duì)于平面葉柵氣動(dòng)性能的影響。張偉昊等[14]采用非定常數(shù)值方法研究了3種渦輪安裝角偏差對(duì)性能的影響，鄭似玉[15]等研究了壓氣機(jī)葉片位置度、輪廓度及扭轉(zhuǎn)度偏差影響性能的敏感性，顏勇等[16]基于非平穩(wěn)高斯過(guò)程的加工誤差模型，研究了加工誤差對(duì)低壓渦輪葉柵氣動(dòng)性能的影響，羅佳奇等[17]基于伴隨方法研究了二維渦輪葉片加工偏差對(duì)性能的影響。上述研究大多為針對(duì)平面葉柵或三維葉片的若干個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)由于加工、安裝誤差而開展的單因素流動(dòng)分析，對(duì)于三維復(fù)雜轉(zhuǎn)子葉片受加工誤差影響，多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)同時(shí)改變后作用于壓氣機(jī)的性能研究很少涉及，因此所得結(jié)論不能完全用于指導(dǎo)實(shí)際壓氣機(jī)三維復(fù)雜轉(zhuǎn)子葉片在多因素加工偏差影響下的設(shè)計(jì)加工。

三維復(fù)雜轉(zhuǎn)子葉片的加工誤差對(duì)葉型的前緣角、后緣角、前后緣形狀、弦長(zhǎng)、厚度均產(chǎn)生影響，同時(shí)不同葉高位置的加工偏差也不一致，這些典型結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合作用與單個(gè)參數(shù)影響壓氣機(jī)性能的效果不同，F(xiàn)athi和Alizadeh[18]對(duì)渦輪葉片的6種單變量，即扭轉(zhuǎn)角、葉片偏移、前緣和后緣厚度、兩類傾斜和三維弓形變化影響渦輪單級(jí)的性能進(jìn)行了分析，同時(shí)考察了單變量的一些簡(jiǎn)單組合對(duì)渦輪單級(jí)的性能影響，結(jié)果顯示單變量的簡(jiǎn)單組合可使級(jí)質(zhì)量流量和效率變化14.62%和1.8%，大大超過(guò)各單變量對(duì)級(jí)性能的影響，該研究指出了典型結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合作用的重要影響，但是由于樣本數(shù)少，沒(méi)有考慮到整個(gè)偏差范圍內(nèi)研究樣本的完整性，所得的結(jié)論并不全面。

由于三維葉片的端壁影響、頂部泄露，以及沿葉展的流動(dòng)摻混使流動(dòng)變得復(fù)雜，會(huì)對(duì)某些參數(shù)加工偏差影響二維葉型性能的機(jī)理產(chǎn)生抑制或增強(qiáng)作用，同時(shí)三維葉片多個(gè)參數(shù)加工偏差的綜合作用會(huì)超過(guò)各單獨(dú)參數(shù)加工偏差對(duì)級(jí)性能的影響，因此本文針對(duì)壓氣機(jī)三維復(fù)雜動(dòng)葉片加工過(guò)程中的前緣角、后緣角、弦長(zhǎng)、厚度、前后緣形狀的偏離，以及不同葉高處的截面位置這6個(gè)典型結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合開展加工誤差研究，采用正交實(shí)驗(yàn)法在整個(gè)偏差范圍內(nèi)全面完整的研究這些參數(shù)的加工誤差對(duì)壓氣機(jī)性能的綜合影響，所得結(jié)論能夠?yàn)檫M(jìn)一步提升壓氣機(jī)三維葉片設(shè)計(jì)和加工的匹配性提供相關(guān)指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象

盡管壓氣機(jī)葉片三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其本質(zhì)上是由多個(gè)葉型截面按照一定的規(guī)律積疊而成，葉型截面中主要幾何參數(shù)如圖1所示，葉型前緣角X1、后緣角X2、弦長(zhǎng)b、厚度c(其中最大厚度cmax)，誤差采用Δ表示，葉型前后緣形狀常用的有3種，分別為圓形、橢圓形、鈍邊(目前前后緣的加工大部分需要手工拋光，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，葉型前緣和后緣形狀可以不一致，此處為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和分析，將前緣、后緣兩個(gè)形狀變量簡(jiǎn)化為一個(gè)形狀變量，假設(shè)每次加工的葉型前后緣形狀保持一致)，三維結(jié)構(gòu)的展向截面位置分別取葉頂(100%葉高)、葉中(50%葉高)、葉根(0%葉高)3個(gè)典型位置。

對(duì)某跨聲速壓氣機(jī)葉片型線進(jìn)行了三坐標(biāo)精密測(cè)量，每個(gè)葉片有11個(gè)截面，共計(jì)47個(gè)葉片517個(gè)截面，與設(shè)計(jì)葉片相比，統(tǒng)計(jì)的517個(gè)截面中葉型前緣角偏差ΔX1=±1°，后緣角偏差ΔX2=±1°，弦長(zhǎng)偏差Δb=±2%，厚度偏差Δc=±5%。

圖1 葉型主要幾何參數(shù)

由于葉型前緣角偏差、后緣角偏差、前后緣形狀、弦長(zhǎng)偏差、厚度偏差以及不同葉高處的截面位置這6個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間不相關(guān)，按照上述每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)得到的誤差范圍給出3個(gè)水平，其中水平2中的數(shù)值0表示設(shè)計(jì)值，水平1、水平3中的數(shù)值分別表示極限偏差，6個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的各水平見表1所示，上述6個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)性能的綜合影響如果進(jìn)行析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)(即各種參數(shù)、水平的組合實(shí)驗(yàn)都要做)，共計(jì)需要36=729次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多，為減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、降低實(shí)驗(yàn)誤差，又要保證樣本的全面性，最終采用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)了27個(gè)正交實(shí)驗(yàn)樣本，各實(shí)驗(yàn)樣本參數(shù)詳見表2。

表1 幾何參數(shù)的水平分布

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2 數(shù)值計(jì)算

使用商用軟件Numeca對(duì)該跨聲速壓氣機(jī)動(dòng)葉片加工偏差開展流場(chǎng)計(jì)算分析，首先對(duì)原型壓氣機(jī)性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，然后對(duì)產(chǎn)生上述加工偏差的27個(gè)正交實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以量化其氣動(dòng)性能與加工偏差的關(guān)系。

2.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

采用目前國(guó)內(nèi)最高加工精度的方法加工出與設(shè)計(jì)葉型最大偏差±0.05 mm的壓氣機(jī)三維轉(zhuǎn)子葉片，進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)該轉(zhuǎn)子葉片性能進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算域進(jìn)口從葉片進(jìn)口位置延伸至3倍弦長(zhǎng)處，出口從葉片出口位置延伸至2倍弦長(zhǎng)處，計(jì)算域如圖2所示。

圖2 計(jì)算域示意圖

數(shù)值計(jì)算采用Spalart-Allmaras湍流模型，采用單通道數(shù)值模擬，網(wǎng)格數(shù)量為81萬(wàn)，近壁面y+小于1。圖3為該跨聲速壓氣機(jī)在50%葉高截面的Ma分布，從圖3可看出在吸力面的前半部分出現(xiàn)激波。圖4為數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，從圖4可以看出兩者的趨勢(shì)一致，總壓比、效率和流量的整體偏差小于2%，表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果能較好地預(yù)測(cè)實(shí)際性能。

圖3 50%葉展位置馬赫數(shù)分布

圖4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比

其他參數(shù)不變，網(wǎng)格數(shù)量分別調(diào)整為31萬(wàn)、60萬(wàn)、122萬(wàn)、165萬(wàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量從81萬(wàn)開始后數(shù)值計(jì)算的偏差小于0.3%，網(wǎng)格數(shù)量為31萬(wàn)、60萬(wàn)時(shí)計(jì)算偏差分別為3.1%、1.2%，因此為保證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，后續(xù)數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)均選取為81萬(wàn)左右。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

27個(gè)正交實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。ΔQ、ΔP、Δη分別表示每個(gè)正交實(shí)驗(yàn)最高效率點(diǎn)的流量、總壓比、效率偏離設(shè)計(jì)葉片的大小，即

(1)

式中：Q、P、η分別為流量、壓比、效率的計(jì)算值，下標(biāo)SM代表正交實(shí)驗(yàn)，下標(biāo)D代表設(shè)計(jì)葉片。

從圖5能看出，葉片的加工誤差改變了壓氣機(jī)最高效率點(diǎn)的性能，壓氣機(jī)的性能并不總是比設(shè)計(jì)值減少，也有部分增加。

圖5 正交實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分布圖

表3為所有正交實(shí)驗(yàn)下壓氣機(jī)的總壓比、效率、流量的極值。從表3可以看出加工偏差對(duì)性能影響較大，總壓比、效率、流量增加的最大量分別為2.02%、1.47%、1.87%，減少的最大量分別為-0.87%、-1.42%、-0.88%。

表3 正交實(shí)驗(yàn)的極值

3 結(jié)果分析

3.1 極差分析

對(duì)圖5的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。27個(gè)實(shí)驗(yàn)分為3組，分組是按照每個(gè)參數(shù)的3個(gè)水平值來(lái)分的，對(duì)每個(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)，分組方式是不一樣的，正交實(shí)驗(yàn)法的設(shè)計(jì)能保證每個(gè)參數(shù)的每個(gè)水平值下，其他參數(shù)的綜合影響都能全面考慮，因此結(jié)論具有較高的可信度，每組9個(gè)實(shí)驗(yàn)，求出每組的ΔQ、ΔP、Δη之和，極差即為每組ΔQ、ΔP、Δη之和的最大值與最小值之差，各參數(shù)的極差值對(duì)比詳見表4。

表4 各參數(shù)的極差值對(duì)比

對(duì)于流量極差，ΔX1、S較大，其他值較小，表明前緣角偏差、前后緣形狀對(duì)流量的影響較大，而后緣角偏差、弦長(zhǎng)偏差、截面位置、厚度偏差對(duì)流量的影響相對(duì)較小。對(duì)于總壓比極差，S、Δc、P較大，其他值較小，表明前后緣形狀、厚度偏差、截面位置對(duì)總壓比的影響較大，而后緣角偏差、弦長(zhǎng)偏差、前緣角偏差對(duì)總壓比的影響相對(duì)較小。對(duì)于效率極差，ΔX1最大，表明前緣角偏差對(duì)效率的影響最大，Δc其次，表明厚度偏差對(duì)效率的影響次之，其他值較小，表明后緣角偏差、截面位置、弦長(zhǎng)偏差、前后緣形狀對(duì)效率的影響較小。

圖6～圖11分別為各分組的前緣角偏差、后緣角偏差、前后緣形狀、截面位置、弦長(zhǎng)偏差、厚度偏差的趨勢(shì)圖，縱坐標(biāo)值為各分組的ΔQ、ΔP、Δη之和。從圖6可以看出，前緣角偏差為負(fù)時(shí)，流量明顯升高，效率略有提高，總壓比略有降低，前緣角偏差為正時(shí)，流量、效率明顯降低，總壓比略有降低，因此建議加工時(shí)前緣角盡量為負(fù)偏差。從圖7可以看出，后緣角偏差為負(fù)時(shí)，效率、總壓比、流量略有降低，后緣角偏差為正時(shí)，效率、總壓比略有降低，流量略有提高，總體來(lái)看該參數(shù)對(duì)性能的影響很小。

圖6 前緣角偏差趨勢(shì)

圖7 后緣角偏差趨勢(shì)

圖8 前后緣形狀趨勢(shì)

圖9 截面位置趨勢(shì)

從圖8可看出，前后緣形狀為圓、橢圓、鈍邊時(shí)，效率變化不明顯，但是前后緣形狀為鈍邊時(shí)，相比前后緣形狀為圓形時(shí)，流量減少約10%，總壓比增大約7%，表明最高效率點(diǎn)往小流量、高壓比移動(dòng)，改變了運(yùn)行工況，因此建議加工時(shí)盡量避免前后緣形狀由圓或橢圓變?yōu)殁g邊。

圖10 弦長(zhǎng)偏差趨勢(shì)

圖11 厚度偏差趨勢(shì)

從圖9可看出，以葉中的截面改變?yōu)榛鶞?zhǔn)，當(dāng)葉頂處的截面改變時(shí)，總壓比、效率有所增大，流量減少，葉根處的截面改變時(shí)，總壓比、效率、流量變化不明顯，表明葉頂位置相比葉中、葉根位置，對(duì)性能的影響更敏感，因此建議加工時(shí)，需嚴(yán)格控制葉頂位置的公差。從圖10可看出，弦長(zhǎng)偏差為負(fù)時(shí)，效率、流量沒(méi)有明顯變化，總壓比略有提高，弦長(zhǎng)偏差為正時(shí)，效率變化不明顯，流量有所提高，總壓比略有降低，總體來(lái)看該參數(shù)對(duì)性能的影響較小。從圖11可看出，厚度偏差為負(fù)時(shí)，總壓比、效率明顯提升，流量略有提高，厚度偏差為正時(shí)，總壓比、效率、流量變化不明顯，因此建議加工時(shí)厚度盡量為負(fù)偏差。

3.2 回歸線性分析

文獻(xiàn)[19-20]有提到，對(duì)于較小加工偏差引起的性能變化，可認(rèn)為是線性變化，考慮到截面位置的變化不會(huì)直接影響性能，因此本文對(duì)三維葉片的葉型前緣角偏差、后緣角偏差、前后緣形狀、弦長(zhǎng)偏差、厚度偏差這5個(gè)典型參數(shù)偏差綜合作用進(jìn)行了回歸線性檢驗(yàn)，在不同葉高處分別建立多元線性回歸模型。以葉中位置為例，表5～表7為其回歸方程的顯著性檢驗(yàn)表，其他位置處的多元線性回歸模型構(gòu)建與葉中位置類似，此處不再贅述。

表5 因變量為流量時(shí)的回歸方程分析

表6 因變量為總壓比時(shí)的回歸方程分析

從表5可看出，因變量為流量時(shí)的回歸方程的顯著性系數(shù)小于0.01，表明回歸方程高度顯著，即加工偏差引起的流量變化可以用線性方程表示。從表6可看出，因變量為總壓比時(shí)的回歸方程的顯著性系數(shù)大于0.1，表明回歸方程不顯著，即總壓比變化與加工偏差之間不是線性關(guān)系。從表7可看出，因變量為效率時(shí)的回歸方程的顯著性系數(shù)小于0.05，表明回歸方程是顯著的，即加工偏差引起的效率變化可以用線性方程表示。因此在葉中位置處，對(duì)于本文提到的三維葉片的上述典型參數(shù)偏差綜合作用引起的效率、流量變化，可認(rèn)為是線性變化，但是引起的總壓比變化，不能認(rèn)為是線性變化。

表7 因變量為效率時(shí)的回歸方程分析

采用逐步回歸法對(duì)葉型前緣角偏差、后緣角偏差、前后緣形狀、弦長(zhǎng)偏差、厚度偏差這5個(gè)典型參數(shù)偏差引起效率、流量變化的重要性進(jìn)行分析，表8、表9為最終結(jié)果。

表8 因變量為效率時(shí)的回歸系數(shù)

表9 因變量為流量時(shí)的回歸系數(shù)

表8中前緣角偏差的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)最大，顯著性小于0.01，表明前緣角偏差是影響效率的最重要因素，厚度偏差的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)次之，顯著性小于0.05，表明厚度偏差也是影響效率的重要因素，其他因素對(duì)效率的影響都不顯著。表9中前緣角偏差、前后緣形狀的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)較大，顯著性均小于0.01，表明前緣角偏差、前后緣形狀是影響流量的重要因素，其他因素對(duì)流量的影響都不顯著。最終得出所構(gòu)建的多元線性回歸方程如式(2)和式(3)所示，這些分析結(jié)論與3.1節(jié)中極差分析的結(jié)果完全一致。

(2)

(3)

3.3 極值分析

對(duì)于跨聲速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，葉片加工偏差的綜合作用對(duì)壓氣機(jī)性能的影響較大，下面對(duì)壓氣機(jī)總壓比、效率、流量這些性能參數(shù)的極值點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，以揭示出葉片加工偏差的綜合作用影響壓氣機(jī)性能的機(jī)理。

表3中總壓比的最小、最大值分別出現(xiàn)在序號(hào)為2和24的實(shí)驗(yàn)中，簡(jiǎn)寫為Test2與Test24，圖12為葉片出口1/2弦長(zhǎng)處葉高的總壓比分布圖，從圖12中可看出，Test2的總壓比在整個(gè)葉高范圍內(nèi)都有所減少，在葉頂與葉中范圍內(nèi)減少較明顯，Test24的總壓比在整個(gè)葉高范圍內(nèi)都有所增加，在葉頂與葉中范圍內(nèi)增加較明顯，表明葉片加工偏差引起的壓力擾動(dòng)能影響主流和頂部間隙流。圖13為葉片99%葉高處的靜壓分布，從圖13可看出在99%葉高處，Test24的壓力面、吸力面壓差較大，Test2的壓差較小，受斜激波影響，吸力面在40%左右弦長(zhǎng)處壓力迅速升高，此時(shí)Test2的激波位置更靠近尾緣。

圖12 總壓比沿葉片展向分布

圖13 99%葉高處壓力分布

跨聲速壓氣機(jī)葉片在葉尖處產(chǎn)生的激波與間隙泄漏、邊界層等相互作用后對(duì)性能影響很大。圖14、圖15分別為Test2、Test24與設(shè)計(jì)葉片在葉尖泄漏流線、葉尖端壁壓力分布圖的對(duì)比。從圖14可看出，黑線為泄漏流線，對(duì)于設(shè)計(jì)葉片，葉尖前緣的泄漏具有一定的周向速度，且受壓力面、吸力面壓差影響，在相鄰葉片通道內(nèi)向壓力面流動(dòng)，在尾緣處幾乎貼近壓力面，對(duì)于Test2，葉尖前緣的泄漏有少部分跨過(guò)相鄰葉片葉頂間隙，流入相鄰的第2個(gè)葉片通道，泄漏影響進(jìn)一步增大，對(duì)于Test24的葉尖泄漏，受壓力面、吸力面更大的壓差影響，泄漏流動(dòng)貼近壓力面的程度減弱，泄漏影響受到抑制。從圖15可看出，相比設(shè)計(jì)葉片，Test2的葉尖端壁壓力有所減小，而Test24的葉尖端壁壓力明顯升高，也證實(shí)了Test24的泄漏影響最小，壓比最高。圖16～圖18分別為Test2、Test24與設(shè)計(jì)葉片在99%葉高處的馬赫數(shù)、熵分布圖以及50%葉高處的馬赫數(shù)分布圖。從圖16可以看出，在99%葉高處的流動(dòng)較復(fù)雜，馬赫數(shù)大于1.3的區(qū)域有兩處，其中最大馬赫數(shù)出現(xiàn)在吸力面弦長(zhǎng)40%激波位置前，激波使吸力面邊界層分離，和破裂的葉頂泄漏渦一起在吸力面后半弦長(zhǎng)的通道范圍內(nèi)形成較大的低速區(qū)，阻塞了通道，減少通道流通能力，相比設(shè)計(jì)葉片，Test2在葉頂處流量較大，通道內(nèi)馬赫數(shù)增加，且最大馬赫數(shù)影響區(qū)域較大，激波強(qiáng)度較高，與較大的泄漏渦混合后低速區(qū)的速度最低，壓力損失較大，Test24在葉頂處流量較小，激波強(qiáng)度較小，影響區(qū)域小，壓力損失較小。從圖17可以看出，在99%葉高處Test2的熵增最明顯，設(shè)計(jì)葉片次之，Test24的熵增最小，進(jìn)一步證實(shí)了Test24的壓力損失最小。從圖18可以看出與圖16中類似的結(jié)果，在50%葉高處，此處為主流區(qū)，Test2中激波較強(qiáng)，且其影響區(qū)域較大，Test24中最大馬赫數(shù)影響區(qū)域較小，激波強(qiáng)度較低，因此在整個(gè)三維葉片中Test24的壓力損失最小，效率最高。

效率的最小、最大值分別為Test10與Test24，圖19為葉片出口1/2弦長(zhǎng)處葉高的效率分布圖，從圖中可看出，Test10的效率在整個(gè)葉高范圍內(nèi)都有所減少，在葉頂與葉中范圍內(nèi)減少最明顯，Test24的效率在整個(gè)葉高范圍內(nèi)都有所增加，在葉頂與葉中范圍內(nèi)增加最明顯，表明葉片加工偏差引起的擾動(dòng)能影響主流和頂部間隙流，進(jìn)而影響葉片效率。前面已經(jīng)對(duì)Test24進(jìn)行了分析，下面僅對(duì)Test10進(jìn)行分析。從圖13可看出，Test10的壓力面、吸力面壓差小于設(shè)計(jì)葉片，吸力面上的激波位置相比設(shè)計(jì)葉片更靠近尾緣，抑制泄漏流動(dòng)的能力有限。圖20為Test10在99%葉高和50%葉高處的馬赫數(shù)分布圖，和圖16、圖18中的設(shè)計(jì)葉片馬赫數(shù)分布相比，Test10在99%葉高和50%葉高處的馬赫數(shù)較高，在吸力面激波前的最高馬赫數(shù)達(dá)1.63，激波強(qiáng)度較高，激波與間隙泄漏、邊界層等相互作用后對(duì)性能影響更大，在50%葉高處的高M(jìn)a流動(dòng)導(dǎo)致較大的流動(dòng)損失，同時(shí)吸力面激波較強(qiáng)，影響區(qū)域較大，因此效率最低。

圖14 葉尖泄露流線

圖15 葉尖端壁壓力

圖16 99%葉高處馬赫數(shù)分布

圖17 99%葉高處?kù)胤植?/p>

圖18 50%葉高處馬赫數(shù)分布

圖19 效率沿葉片展向分布

流量的最小、最大值分別為Test5與Test19， 圖21為葉片進(jìn)口和葉片出口1/2弦長(zhǎng)處葉高的軸向速度分布圖，從圖中可看出，葉片進(jìn)口軸向速度為均勻分布，其中Test5在葉頂處前緣角增加會(huì)減少流量，由于前后緣為鈍邊，為了減少附面層對(duì)性能的不利影響，在最高效率點(diǎn)的流量有所減少，和設(shè)計(jì)葉型相比，Test5中葉片進(jìn)口、出口軸向速度在整個(gè)葉高范圍內(nèi)都有所減少導(dǎo)致流量最小，Test19在葉根處前緣角減少會(huì)增大流量，由于前后緣為圓，在最高效率點(diǎn)的流量有所增加，和設(shè)計(jì)葉型相比，Test19中葉片進(jìn)口、出口軸向速度在整個(gè)葉高范圍內(nèi)都有所增加導(dǎo)致流量最大。

圖20 Test10的Ma分布

圖21 軸向速度沿葉片展向分布

4 結(jié) 論

1) 三維葉片的上述6個(gè)典型參數(shù)偏差綜合作用對(duì)壓氣機(jī)的總壓比、效率、流量影響較大，其最大提升量分別可達(dá)2.02%、1.47%、1.87%，最大減少量分別可達(dá)-0.87%、-1.42%、-0.88%。

2) 三維葉片的上述6個(gè)典型參數(shù)偏差綜合作用中，前緣角偏差、厚度偏差對(duì)壓氣機(jī)效率變化的影響較大，加工時(shí)前緣角、厚度盡量為負(fù)偏差；前后緣形狀、厚度偏差、截面位置對(duì)總壓比變化的影響較大，加工時(shí)盡量避免前后緣形狀由圓或橢圓變?yōu)殁g邊，同時(shí)葉頂位置相比葉中、葉根位置對(duì)性能的影響更敏感，加工時(shí)需嚴(yán)格控制葉頂位置的公差；前緣角偏差、前后緣形狀對(duì)流量變化的影響較大，其他參數(shù)如葉型后緣角偏差、弦長(zhǎng)偏差對(duì)性能變化的影響較小。

3) 采用回歸線性分析方法證實(shí)了三維葉片的上述典型參數(shù)偏差綜合作用對(duì)效率、流量的影響是線性變化，對(duì)總壓比的影響不是線性變化。