高性能葉輪機(jī)全3維葉片技術(shù)趨勢(shì)展望

季路成

（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081）

高性能葉輪機(jī)全3維葉片技術(shù)趨勢(shì)展望

季路成

（北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081）

高性能葉輪機(jī)是驅(qū)動(dòng)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)/地面燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的核心技術(shù)，為明晰葉輪機(jī)技術(shù)發(fā)展問(wèn)題與趨勢(shì)，在相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上，從基元葉柵、展向積疊、端區(qū)處理、精細(xì)化設(shè)計(jì)以及全局觀念等方面出發(fā)，概要分析闡述了中國(guó)葉輪機(jī)全3維葉片技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的要點(diǎn)與突破口，指出全面綜合最大折轉(zhuǎn)亞聲速葉柵、允許分離超聲速葉柵、弱化激波葉柵、掠彎參數(shù)化積疊、葉身/端壁融合等基礎(chǔ)研究成果并結(jié)合伴隨方法進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)的負(fù)荷最大化技術(shù)，再輔以3維空間、非定常流動(dòng)、細(xì)節(jié)關(guān)聯(lián)等全局觀念下派生的技術(shù)是全3維葉片技術(shù)的重要發(fā)展方向。未來(lái)全3維葉片將注重全3維空間流線曲率的良好控制。

全3維葉片；葉輪機(jī)；伴隨方法；端區(qū)處理；葉身/端壁融合；緣線匹配

0 引言

面向不斷挑戰(zhàn)極限的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)/地面燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展需求，近百年來(lái)，在機(jī)理認(rèn)識(shí)持續(xù)深化、理論創(chuàng)新與設(shè)計(jì)方法不斷突破支持下，葉輪機(jī)技術(shù)穩(wěn)步提升。然而在中國(guó)，葉輪機(jī)技術(shù)仍然是航空發(fā)動(dòng)機(jī)/地面燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展滯后的若干瓶頸之一[1-3]，體現(xiàn)在全3維葉片的基元葉柵、展向積疊、端區(qū)處理、精細(xì)化設(shè)計(jì)以及全局觀念等方面仍然存在諸多問(wèn)題與局限。

本文試圖從上述基礎(chǔ)層面闡釋中國(guó)高性能葉輪機(jī)全3維葉片技術(shù)后續(xù)發(fā)展的要點(diǎn)和突破口。

1 基元葉柵

基元葉柵設(shè)計(jì)是形成葉輪機(jī)全3維葉片過(guò)程的第1步，盡管流動(dòng)3維性會(huì)導(dǎo)致基元葉柵應(yīng)用過(guò)程中的偏差，但其重要借鑒作用仍不可忽視。然而，目前設(shè)計(jì)中雖有關(guān)于流道面積比等參數(shù)的監(jiān)控，但總體而言，無(wú)論從具體造型方法還是從業(yè)已形成的思維定勢(shì)看，尤其在風(fēng)扇/壓氣機(jī)領(lǐng)域，基元葉柵設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)傾向?yàn)槿~型設(shè)計(jì)，例如雙(多)圓弧造型、任意多項(xiàng)式造型等，其主要由中弧線疊加厚度分布形成，遺留了從外流引入內(nèi)流的痕跡，未真正關(guān)注基元葉柵流動(dòng)與葉型流動(dòng)的本質(zhì)差別。葉型流場(chǎng)機(jī)制和葉柵流場(chǎng)機(jī)制分別如圖1（a）、（b）所示，其中葉型流動(dòng)體現(xiàn)為流線曲率控制平衡下的流動(dòng)，而葉柵流動(dòng)則是流線曲率和擴(kuò)張（收縮）通道擴(kuò)壓（降壓）流動(dòng)的共同作用結(jié)果。20世紀(jì)60～80年代，國(guó)外在探索提高風(fēng)扇/壓氣機(jī)負(fù)荷過(guò)程中注意到了這一點(diǎn)，開(kāi)展了有關(guān)擴(kuò)張通道的大量試驗(yàn)研究[4]，2維擴(kuò)壓器性能如圖2所示，并形成了壓氣機(jī)葉柵與擴(kuò)壓通道的等效方法和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，成為認(rèn)識(shí)、理解風(fēng)扇/壓氣機(jī)流動(dòng)乃至指導(dǎo)其設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)至今尚未自主開(kāi)展葉柵與擴(kuò)壓通道等效研究，雖然相關(guān)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系已通過(guò)國(guó)外公開(kāi)文獻(xiàn)及引進(jìn)的1維設(shè)計(jì)分析程序而有所了解，但關(guān)于其使用條件、適用范圍缺乏全面掌握，未見(jiàn)其應(yīng)用于葉柵成形方法，更未見(jiàn)在高性能葉輪機(jī)前瞻概念研究中使用。補(bǔ)習(xí)葉柵與擴(kuò)壓通道等效研究這一課，對(duì)啟動(dòng)風(fēng)扇/壓氣機(jī)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新或大有裨益。

圖1 葉型與葉柵的物理機(jī)制差異

圖2 2維擴(kuò)壓器性能[4]

基于葉柵與擴(kuò)壓通道等效研究結(jié)果，除應(yīng)用于風(fēng)扇/壓氣機(jī)概念設(shè)計(jì)和特性評(píng)估判據(jù)之外，國(guó)外已將相關(guān)成果引入到葉柵造型中。例如，在PW和西門(mén)子西屋公司，已經(jīng)形成沿中弧線3段式葉柵成形方法，成為非常有效的葉柵初始設(shè)計(jì)工具。該方法中，前、后段對(duì)應(yīng)葉片前部和后部半覆蓋區(qū)，中段對(duì)應(yīng)葉片完全覆蓋區(qū)，各等效為擴(kuò)張（收縮）通道，并以各段中弧線折轉(zhuǎn)角為控制參數(shù)，其選取經(jīng)驗(yàn)即結(jié)合了葉柵與擴(kuò)壓通道等效研究成果。在國(guó)內(nèi)邵衛(wèi)衛(wèi)[5]初步嘗試了亞聲大折轉(zhuǎn)葉柵3段式造型，實(shí)現(xiàn)了來(lái)流馬赫數(shù)MaI0.8、折轉(zhuǎn)角達(dá)60°的高性能葉柵設(shè)計(jì)，但該工作尚未基于擴(kuò)壓通道等效建立相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。如能深化此研究，預(yù)期將能支撐亞聲大折轉(zhuǎn)葉柵設(shè)計(jì)方面取得突破。

高負(fù)荷風(fēng)扇/壓氣機(jī)中超聲速葉柵設(shè)計(jì)一直是難點(diǎn)，尤其其中激波問(wèn)題不可回避。對(duì)此，除通過(guò)掠葉片而降低激波引起的負(fù)面效應(yīng)外，更常見(jiàn)的是，研究者們通常不愿意超越Pearcy準(zhǔn)則，即波前法向馬赫數(shù)MaN<1.27～1.3，以免激波/附面層干擾后形成所謂附面層大尺度開(kāi)式分離而急速惡化性能。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師卻常突破此極限，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)來(lái)流馬赫數(shù)MaI達(dá)1.6～1.7的工程實(shí)踐。這意味著，之前一些學(xué)者認(rèn)為的開(kāi)式分離在超聲速葉柵中很難存在。容易理解，激波后，隨著分離尺度變大，主流流動(dòng)逐步加速，但終究存在聲速截面限制（有時(shí)以激波陣列方式），分離區(qū)不再會(huì)擴(kuò)大，而是迅速與主流區(qū)摻混至亞聲速。已有試驗(yàn)結(jié)果證明了這一點(diǎn)，例如NASA37轉(zhuǎn)葉90%展高、50%柵距處馬赫數(shù)流向分布[6]如圖3所示，激波后流動(dòng)加速至聲速附近然后擴(kuò)壓至亞聲速?；诖?，未來(lái)建立允許有限分離超聲葉柵設(shè)計(jì)方法是有前景的方向。最近的允許有限分離超聲葉柵流動(dòng)結(jié)構(gòu)初步建模研究[7]表明，一定來(lái)流馬赫數(shù)MaI下的允許有限分離超聲葉柵性能緊密依賴于波前附面層厚度、關(guān)鍵點(diǎn)通道面積比以及稠度。

圖3 NASA37轉(zhuǎn)葉葉尖Ma流向分布[6]

圖4 高壓渦輪技術(shù)發(fā)展與典型激波結(jié)構(gòu)演化

高負(fù)荷高壓渦輪單級(jí)化是渦輪部件發(fā)展趨勢(shì)之一。為提高渦輪級(jí)負(fù)荷，只有提高折合轉(zhuǎn)速和出口馬赫數(shù)2條途徑?？紤]到材料、工藝和壽命條件限定，不斷提高渦輪出口馬赫數(shù)可能是實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷渦輪級(jí)的惟一出路。高壓渦輪技術(shù)發(fā)展與典型激波結(jié)構(gòu)演化如圖4所示，事實(shí)上，高壓渦輪級(jí)已經(jīng)由早期的導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)葉全亞聲發(fā)展至現(xiàn)今高壓導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)葉單一葉排超/跨聲，并正向?qū)~、轉(zhuǎn)葉全部超/跨聲發(fā)展，超聲渦輪葉柵設(shè)計(jì)成為必備技術(shù)，隨之而來(lái)激波問(wèn)題便成了重要門(mén)檻。Denton[8]曾指出，渦輪中超跨聲速流動(dòng)帶來(lái)嚴(yán)重不良后果：尾緣復(fù)雜激波系、激波/附面層相互作用造成損失。而這在當(dāng)今渦輪出口速度更高、出口氣流角更大、軸向間距更短等情況下變得更具挑戰(zhàn)性：流向相鄰2個(gè)葉片通道內(nèi)可能同時(shí)存在2個(gè)喉道，加之運(yùn)行過(guò)程中葉排間還會(huì)形成臨時(shí)氣動(dòng)喉道，即沿流向會(huì)非定常地同時(shí)形成2～3個(gè)喉道，可能導(dǎo)致渦輪流動(dòng)不穩(wěn)定或劇烈損失，這是迄今仍未見(jiàn)諸公開(kāi)文獻(xiàn)研究的渦輪流動(dòng)新特征。另一方面，高壓渦輪熱負(fù)荷已處高位，多道激波及其運(yùn)動(dòng)成為主要的高頻階躍激振源，使高周疲勞風(fēng)險(xiǎn)加大，是高負(fù)荷超/跨聲渦輪工程應(yīng)用的掣肘因素?？偠灾げㄒ宰陨?yè)p失、激波/附面層干擾損失、多喉道非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)主導(dǎo)氣動(dòng)性能；以惡劣熱環(huán)境下激波/葉排干擾、多喉道非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)導(dǎo)致葉片承受高周應(yīng)力而主導(dǎo)渦輪結(jié)構(gòu)完整性，并最終反映到渦輪部件的壽命及可靠性，說(shuō)明“激波現(xiàn)象及弱化激波方法”已經(jīng)成為超聲渦輪葉柵繼而渦輪葉排負(fù)荷最大化過(guò)程繞不過(guò)去的“坎”。

除上述以外，在基元葉柵方面，葉柵詳細(xì)參數(shù)化與葉柵定制、前緣形狀、表面處理等也是值得深入研究的方向。

值得注意，基元葉柵研究成果僅在流道收縮不大、不采用大掠、彎設(shè)計(jì)時(shí)可以信賴，而尤其當(dāng)今，一旦處在高負(fù)荷全3維葉片造型下，其意義僅在于提供接近合理的初始設(shè)計(jì)以及布局基元流場(chǎng)的規(guī)律。

2 展向積疊

在完成基元葉柵初步設(shè)計(jì)后，接下來(lái)需要采用掠、彎2個(gè)空間自由度進(jìn)行展向積疊形成3維葉片。

20世紀(jì)40年代末，掠自由度最早由借鑒外流引入超跨聲風(fēng)扇/壓氣機(jī)，并于1963年由Smith[9]給出嚴(yán)格定義。然而，由于對(duì)機(jī)翼與葉輪機(jī)流動(dòng)內(nèi)在區(qū)別缺乏關(guān)注，導(dǎo)致掠葉片技術(shù)在經(jīng)歷概念探索、超跨聲后掠研究、超跨聲葉片前掠研究、亞聲葉片適度掠4個(gè)階段的漫長(zhǎng)發(fā)展歷程，直到2000年左右才發(fā)展成熟。這期間，關(guān)于掠葉片機(jī)理的闡述層出不窮。縱觀之下，幾乎是“激波強(qiáng)度降低”、“激波附面層干擾減弱”、“二次流動(dòng)改善”、“葉尖泄漏減弱”等定性解釋，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)卻意義不大。而國(guó)外公開(kāi)文獻(xiàn)僅公布掠葉片子午形狀和前緣掠角無(wú)量綱分布的處理方式，多使業(yè)界誤判這就是掠葉片技術(shù)的全部?jī)?nèi)涵。文獻(xiàn)[10]在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究后，給出“掠是展向各基元葉柵逆/順流向相對(duì)位錯(cuò)積疊的幾何自由度”的定義，并指出：“掠”依靠基元葉柵流向位錯(cuò)改變各“基元壓氣機(jī)”工況重新展向匹配而影響性能，如圖5所示，而積累適合自身設(shè)計(jì)工具和習(xí)慣的掠葉片參數(shù)化經(jīng)驗(yàn)，特別是前緣、尾緣、重心積疊線掠角分布等參數(shù)經(jīng)驗(yàn)，是掌握“掠”技術(shù)的根本途徑。在國(guó)內(nèi)，盡管少數(shù)研究者和設(shè)計(jì)師依靠豐富的工程經(jīng)驗(yàn)反復(fù)優(yōu)化也獲得了性能良好的掠葉片設(shè)計(jì)，但迄今仍未建立葉片掠參數(shù)化經(jīng)驗(yàn)，未形成可靠傳承的規(guī)程化的技術(shù)。因此，面向不同流量系數(shù)、負(fù)荷系數(shù)風(fēng)扇/壓氣機(jī)轉(zhuǎn)葉和靜葉設(shè)計(jì)開(kāi)展掠葉片參數(shù)化研究、獲得掠葉片參數(shù)經(jīng)驗(yàn)(分別針對(duì)最高效率、最大裕度、抗畸變等目標(biāo))等是未來(lái)展向匹配方面的一類研究重點(diǎn)。

圖5 裕度與基元壓氣機(jī)展向積疊的關(guān)系

Filippow和王仲奇[11]于1964年首次提出彎葉片技術(shù)，之后該技術(shù)相繼在渦輪、風(fēng)扇/壓氣機(jī)中獲得成功應(yīng)用。但是，一直以來(lái)存在困擾的是，如何彎？正彎還是反彎？彎的尺度多大？事實(shí)上，鑒于葉片展向各區(qū)域流動(dòng)特征的差異，采用彎自由度進(jìn)行統(tǒng)一描述并非合適。彎葉片流道橫截面尾緣軸向投影如圖6所示，從圖中可見(jiàn)，葉片流動(dòng)在展向分為端區(qū)和主流區(qū)。在端區(qū)，流動(dòng)以葉表附面層、端壁附面層交匯為主要特征，其可能引起的角區(qū)分離是關(guān)注點(diǎn)；而在主流區(qū)，流動(dòng)以葉表附面層及其匯集的尾跡為特征，從尾緣看，尾緣越短(最短為徑向線)損失越小。因此，未區(qū)分端區(qū)和主流區(qū)流動(dòng)特征和流動(dòng)主控機(jī)理的不同是彎葉片概念復(fù)雜化的主要原因。

圖6 彎葉片流道橫截面尾緣軸向投影

實(shí)際上，針對(duì)端區(qū)彎，Smith[9]早在1963年定義的二面角 (同時(shí)定義了掠)具有重要指導(dǎo)意義，只是自提出之日起，相關(guān)文獻(xiàn)并未透露二面角的使用方法和調(diào)控經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[12]從角區(qū)等效附面層推導(dǎo)出發(fā)，得到控制二面角的規(guī)律，并提出葉身/端壁融合技術(shù)，對(duì)端區(qū)彎給出了更好的補(bǔ)充，可能是未來(lái)控制端區(qū)流動(dòng)的基本出發(fā)點(diǎn)，這將在下節(jié)進(jìn)行深入討論。

至于主流區(qū)彎，傾葉片的研究更能說(shuō)明問(wèn)題[13]。超聲傾斜葉柵典型展高靜壓弦向分布、傾葉片中展吸力面/壓力面流線子午投影分別如圖7、8所示，圖中分別展示了取自文獻(xiàn)[14]的超聲葉柵傾斜下不同展高靜壓分布和亞聲速大折轉(zhuǎn)葉柵傾斜的中展流線走向?？梢钥闯鰪膱D中可見(jiàn)，在主流區(qū)，傾斜通過(guò)葉片徑向力影響流線曲率、流片形狀等，從而使葉柵流場(chǎng)在展向發(fā)生變化，形成不同截面等效對(duì)應(yīng)不同“工況”的局面。因此，“彎”是展向各基元葉柵垂直于流向相對(duì)位錯(cuò)積疊的幾何自由度，通過(guò)施加徑向葉片力導(dǎo)致流面翹曲繼而改變各“基元壓氣機(jī)”工況重新展向匹配而影響性能，在這個(gè)意義上看，掠、彎內(nèi)涵是基本相同的，有異曲同工之妙。

圖7 超聲傾斜葉柵典型展高靜壓弦向分布

圖8 傾葉片中展吸力面/壓力面流線子午投影

綜上所述，掠、彎積疊通過(guò)改變各“基元壓氣機(jī)”對(duì)應(yīng)工況的展向匹配而改變性能。要用好這2個(gè)空間自由度就必須建立掠彎參數(shù)化經(jīng)驗(yàn)，尤其要掌握掠彎改變“工況”的量化準(zhǔn)則。同時(shí)表明，在3維葉片環(huán)境下，基元葉柵設(shè)計(jì)結(jié)果僅是參考，需謹(jǐn)慎使用。

3 端壁處理

葉輪機(jī)流動(dòng)受端壁區(qū)附面層影響而復(fù)雜化，并嚴(yán)重影響性能。因此，多年來(lái)關(guān)于其流動(dòng)機(jī)理和調(diào)控措施層出不窮、演繹不斷。其中不乏出現(xiàn)了處理機(jī)匣、非軸對(duì)稱端壁等發(fā)揮過(guò)作用的技術(shù)。然而，這些技術(shù)是否具有端區(qū)處理的全局性呢？首先，如果設(shè)計(jì)中正確使用了掠、彎技術(shù)以改善展向匹配、改善葉尖區(qū)流向負(fù)荷分配，以及采取合理的流向負(fù)荷分布，那么，風(fēng)扇/壓氣機(jī)裕度可能在不采取復(fù)雜的處理機(jī)匣技術(shù)情況下而得到保證；其次，非軸對(duì)稱端壁著重控制端壁橫向二次流，并未從原理上抑制更為有害的角區(qū)附面層交匯和堆積，如果能有效控制角區(qū)附面層交匯和堆積，則可能不需要非軸對(duì)稱端壁技術(shù)。

針對(duì)這方面，外流領(lǐng)域給予了很好啟示：翼/身融合以及潛望塔/船身融合技術(shù)以類似倒圓的方式成功地降低了飛行器和潛艇的阻力。究其實(shí)質(zhì)是很好地處理了2個(gè)固壁附面層交匯問(wèn)題。葉片/端壁交匯角區(qū)也是固有存在，且由于吸力面附面層的主導(dǎo)地位，吸力面角區(qū)通常會(huì)發(fā)生分離，形成氣動(dòng)堵塞，造成氣動(dòng)損失。那么，能否類似外流所做實(shí)施葉身/端壁融合設(shè)計(jì)？在此設(shè)想下，基于角區(qū)附面層為葉表、端壁附面層交匯的物理認(rèn)識(shí)和二面角定義，文獻(xiàn)[12]建立了角區(qū)等效附面層模型，如圖9所示，并由此得出：（1）二面角越小，等效2維附面層越易分離，角區(qū)越易分離；（2）二面角沿流向遞減才有可能發(fā)生角區(qū)分離；二面角變化梯度絕對(duì)值越大，角區(qū)越容易分離；二面角較小區(qū)域，可承受的二面角流向變化梯度較??；（3）控制二面角的空間范圍以附面層厚度尺度為基準(zhǔn)等結(jié)論。繼而指出二面角原理的3種應(yīng)用方式如圖10所示。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[15]進(jìn)一步提出葉輪機(jī)葉身/端壁融合設(shè)計(jì)技術(shù)（簡(jiǎn)寫(xiě)為BBEW技術(shù)），并以業(yè)界公知具有根部角區(qū)分離的NASA67轉(zhuǎn)葉為例，初步數(shù)值驗(yàn)證了該技術(shù)在全工況范圍內(nèi)的有效性[16]。實(shí)施該技術(shù)的端區(qū)葉片外貌、等熵效率特性對(duì)比和尾緣近輪轂處的極限流線比對(duì)分別如圖11～13所示。而從國(guó)外葉輪機(jī)CFD軟件功能及部分葉輪機(jī)實(shí)體照片如圖14所示，或許國(guó)外已將此作為秘而不宣的技術(shù)，唯獨(dú)尚不清楚是否理論上將倒圓和BBEW區(qū)分開(kāi)來(lái)。

圖9 角區(qū)附面層等效模型

圖10 二面角原理的3種應(yīng)用方式

圖11 原型與BBEW改型端區(qū)葉片外貌

圖12 等熵效率特性對(duì)比（地面）

圖13 NASA67尾緣近輪轂處的極限流線對(duì)比

圖14 EJ200第1級(jí)壓氣機(jī)根部（葉片與端壁連接曲面曲率存在流向變化）

值得說(shuō)明的是：葉身/端壁融合（BBEW）技術(shù)與彎葉片、倒圓（fillet）2類技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別。首先，彎葉片技術(shù)強(qiáng)調(diào)靠葉片力控制壓力梯度繼而控制二次流，而B(niǎo)BEW基于二面角原理，主要控制附面層交匯導(dǎo)致分離的趨向；彎葉片通過(guò)周向位移葉片基元來(lái)實(shí)現(xiàn)，BBEW則是沿交匯區(qū)以不同曲率半徑曲面銜接葉片與端壁，可協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)二面角流向分布；BBEW強(qiáng)調(diào)區(qū)分端區(qū)和主流區(qū)間流動(dòng)控制機(jī)理的差異，具有明確的實(shí)施尺度范圍準(zhǔn)則，即最小曲率半徑在當(dāng)?shù)馗矫鎸雍穸瘸叨取?duì)比倒圓，BBEW沿流向最小曲率半徑變化，出發(fā)點(diǎn)是調(diào)控流動(dòng)，而倒圓一般沿葉片周長(zhǎng)曲率半徑不變且出發(fā)點(diǎn)是避免應(yīng)力集中、增強(qiáng)強(qiáng)度。盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)外正在關(guān)注倒圓影響，并已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其于氣動(dòng)性能的損益[17-18]，但尚未形成具有理論指引的主動(dòng)應(yīng)用。尤其是前緣倒圓、彎葉片、非軸對(duì)稱端壁的綜合利用技術(shù)[19-20]以及BBEW所帶來(lái)的根區(qū)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)讓研究者們更加堅(jiān)信：BBEW可廣泛應(yīng)用各類型葉輪機(jī)，是高負(fù)荷葉輪機(jī)葉片3維造型的1個(gè)必然方面。對(duì)此，下一步的問(wèn)題是，如何實(shí)現(xiàn)端區(qū)全3維曲面造型與現(xiàn)有設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)合，形成完美構(gòu)造端區(qū)流動(dòng)曲率的全3維端區(qū)處理技術(shù)。

4 精細(xì)化設(shè)計(jì)

當(dāng)今高性能葉輪機(jī)研制面臨下述局面：工況指標(biāo)和學(xué)科性能指標(biāo)漸多、設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)目日漸龐雜，這內(nèi)在地要求高性能葉輪機(jī)設(shè)計(jì)必須走向精細(xì)化設(shè)計(jì)之路。

基于反問(wèn)題方法開(kāi)展設(shè)計(jì)一直是嘗試精細(xì)化設(shè)計(jì)的重要努力。在通流設(shè)計(jì)取得成功之后，研究者陸續(xù)開(kāi)展了葉柵反設(shè)計(jì)、3維葉片反設(shè)計(jì)研究，其中Drela[21]的葉柵反設(shè)計(jì)方法、Dang[22]的滲透壁面3維反方法取得了較大進(jìn)展，能夠?qū)崿F(xiàn)以給定壓強(qiáng)分布為目標(biāo)的葉柵、葉片設(shè)計(jì)。然而，應(yīng)用這類反問(wèn)題方法又面臨如何給出合理流向、展向壓強(qiáng)分布的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。對(duì)此，一些研究者試圖對(duì)壓強(qiáng)分布進(jìn)行參數(shù)化，通過(guò)遍歷各種壓強(qiáng)分布而篩選工程可用的設(shè)計(jì)方案。這無(wú)異于把幾何參數(shù)優(yōu)化（正問(wèn)題優(yōu)化）問(wèn)題替代為氣動(dòng)參數(shù)優(yōu)化（反問(wèn)題優(yōu)化）問(wèn)題。這個(gè)意義上看，給定性能目標(biāo)而直接快速求出3維葉片幾何這類純粹反問(wèn)題或許永遠(yuǎn)無(wú)解，而反問(wèn)題優(yōu)化則與正問(wèn)題優(yōu)化殊途同歸了，顯現(xiàn)不出任何反問(wèn)題方法的優(yōu)勢(shì)。3維反問(wèn)題方法因而呈現(xiàn)停滯不前的局面。

另一方面，回顧迄今為止的設(shè)計(jì)過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整進(jìn)出口構(gòu)造角（或攻角和落后角）、厚度分布、展向積疊等參數(shù)形成3維葉片并經(jīng)CFD分析驗(yàn)算的人工優(yōu)化模式依然是主流，并且一直為有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師所依賴。然而，在尋求更優(yōu)結(jié)果的精細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，這種方法越來(lái)越顯現(xiàn)局限：設(shè)計(jì)參數(shù)偏少，人為選擇難以遍歷設(shè)計(jì)參數(shù)空間，工作量大、周期長(zhǎng)。因此，針對(duì)高性能葉輪機(jī)，依靠計(jì)算機(jī)優(yōu)化進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)是必然趨勢(shì)。但是，常規(guī)優(yōu)化方法，如遺傳算法、響應(yīng)面法、模擬退火法及古典梯度法等，其優(yōu)化工作量隨參數(shù)數(shù)目呈幾何級(jí)數(shù)或指數(shù)型增長(zhǎng)，與精細(xì)化設(shè)計(jì)需要參數(shù)眾多的特點(diǎn)具有內(nèi)在矛盾性。計(jì)算量不隨參數(shù)數(shù)目變化的優(yōu)化方法因而成為精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的重要突破口。

伴隨（Adjoint）方法[23-24]正是這樣的方法：針對(duì)微分方程控制的優(yōu)化問(wèn)題，伴隨方法只需求解1套控制方程及1套規(guī)模相同的伴隨方程就能求出目標(biāo)函數(shù)對(duì)任意參數(shù)的導(dǎo)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算量與設(shè)計(jì)變量數(shù)目近乎無(wú)關(guān)。與此同時(shí)，如果把給定壓強(qiáng)分布作為目標(biāo)函數(shù)，使用伴隨方法也可以獲得通常所說(shuō)的反問(wèn)題解，能夠?qū)崿F(xiàn)正問(wèn)題優(yōu)化與反問(wèn)題解的完美統(tǒng)一。

伴隨方法的上述優(yōu)勢(shì)使其一經(jīng)提出便備受重視，直到今天仍是發(fā)展重點(diǎn)。例如，歐盟第7框架計(jì)劃已經(jīng)安排aboutFLOW項(xiàng)目，到2016年底前，學(xué)術(shù)、工程化、企業(yè)齊頭并進(jìn)、互相支撐，系統(tǒng)開(kāi)展Adjoint方法的前瞻研究與工程開(kāi)發(fā)、應(yīng)用。在內(nèi)流領(lǐng)域，歷經(jīng)1990年代以后Ioll[25]、Liu[26]、He[27]的發(fā)展，終于實(shí)現(xiàn)了多排葉輪機(jī)伴隨優(yōu)化，并正向多學(xué)科優(yōu)化方向努力[28]，取得了較好效果。在國(guó)內(nèi)，西交大、北航、北理工均開(kāi)展了葉輪機(jī)伴隨優(yōu)化研究工作，其中北理工已初步實(shí)現(xiàn)多排葉輪機(jī)氣動(dòng)優(yōu)化[29-30]。在最近針對(duì)5級(jí)壓氣機(jī)的優(yōu)化工作中，通過(guò)多級(jí)環(huán)境下僅優(yōu)化修改第1級(jí)靜葉，在已完成人工優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)0.5個(gè)百分點(diǎn)的效率收益，5級(jí)壓氣機(jī)優(yōu)化前后結(jié)果其流場(chǎng)對(duì)比如圖15所示。

圖15 5級(jí)壓氣機(jī)優(yōu)化前后結(jié)果

針對(duì)精細(xì)化設(shè)計(jì)，伴隨方法具有如此優(yōu)勢(shì)，那么后續(xù)發(fā)展方向是什么？（1）鑒于參數(shù)化方法直接決定優(yōu)化結(jié)果，應(yīng)深入開(kāi)展葉輪機(jī)3維葉片參數(shù)化方法研究；（2）伴隨方法本質(zhì)上是梯度方法，因而其優(yōu)化結(jié)果具有局域性，通過(guò)初值和參數(shù)域界定或結(jié)合其它優(yōu)化方法確保解的全局性是重要工作；（3）面向?qū)嵤┓嵌ǔＴO(shè)計(jì)以綜合解決氣動(dòng)/氣彈/噪聲問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)非定常伴隨方法；（4）目前伴隨方法僅針對(duì)幾何參數(shù)，面向更廣泛的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，需要至少以氣動(dòng)參數(shù)約束方式實(shí)現(xiàn)包含放氣、吹吸氣、排間靜壓分布、環(huán)量分布等在內(nèi)的氣動(dòng)參數(shù)優(yōu)化；最后，隨著應(yīng)用漸多，會(huì)積累諸如“假解”等新問(wèn)題，需要不斷完善并積累使用經(jīng)驗(yàn)。

綜上所述，面對(duì)伴隨方法計(jì)算量與設(shè)計(jì)變量數(shù)目幾乎無(wú)關(guān)的性質(zhì)以及葉輪機(jī)日益復(fù)雜精細(xì)導(dǎo)致常規(guī)優(yōu)化方法很難滿足需求的現(xiàn)狀，需要國(guó)家拿出國(guó)外長(zhǎng)期支持CFD發(fā)展的決心支持伴隨方法研究。果能如此，我國(guó)葉輪機(jī)技術(shù)將能實(shí)現(xiàn)重要進(jìn)步。

5 全局觀念

鑒于流動(dòng)的復(fù)雜性，在葉輪機(jī)發(fā)展史上，曾不得已歷經(jīng)各種簡(jiǎn)化、分解研究，積累了關(guān)于流向/展向負(fù)荷分配和間隙泄漏、二次流動(dòng)、角區(qū)分離等現(xiàn)象的豐富認(rèn)識(shí)與調(diào)控經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了葉輪機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展。但也因此落入割裂全局聯(lián)系的思維慣式，缺乏3維空間、非定常流動(dòng)以及細(xì)節(jié)關(guān)聯(lián)等全局觀念，成為繼續(xù)提升葉輪機(jī)技術(shù)水平的重要障礙。

5.1 3維空間觀念

葉輪機(jī)發(fā)展史上，無(wú)論是將其復(fù)雜3維流動(dòng)分解成S1、S2流面族，還是將3維葉片成型分解為系列基元葉柵展向積疊，均支撐取得了巨大成功。然而，久而久之，以2維觀念割裂地看待葉輪機(jī)3維空間成為思維慣式，體現(xiàn)為常常忽視S1與S2流線曲率關(guān)聯(lián)、忽視基元葉柵流管厚度流向變化。

實(shí)際上，葉輪機(jī)流動(dòng)表現(xiàn)為全3維流線曲率控制，葉輪機(jī)設(shè)計(jì)即是3維流線曲率的設(shè)計(jì)。而鑒于直接3維曲率設(shè)計(jì)的困難，以往是在S2通流設(shè)計(jì)和基元葉柵設(shè)計(jì)中分別進(jìn)行的。其中，S2通流設(shè)計(jì)中如實(shí)體現(xiàn)了流線曲率控制；在基元葉柵方面，則仿效外流翼型并或許結(jié)合流通面積監(jiān)控，流線曲率影響卻時(shí)常得不到主動(dòng)考慮。更嚴(yán)重的是：很少主動(dòng)以基元葉柵與子午流動(dòng)關(guān)聯(lián)為出發(fā)點(diǎn)尋求更優(yōu)性能。以超跨聲轉(zhuǎn)葉尖部為例，子午流線曲率如圖16所示，通常，我們仿照國(guó)外先例采取斜壁機(jī)匣，并且理解為這樣的進(jìn)出口密流比會(huì)降低損失。不錯(cuò)，但許多情況下這僅是原因之一，僅掌握這一點(diǎn)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)斜壁機(jī)匣的完美效果：近尾緣附近如果再存在恰當(dāng)?shù)牧骶€大曲率折轉(zhuǎn)，則尖區(qū)可能等效于通過(guò)流線曲率所產(chǎn)生的離心力場(chǎng)被“拖”在低背壓工況，從而達(dá)到類似前掠的裕度拓寬效果。因此，緊密關(guān)聯(lián)S1與S2流線曲率才能更好掌控全3維流動(dòng)。前面述及的葉身/端壁融合技術(shù)雖是關(guān)注角區(qū)附面層的產(chǎn)物，卻可能是葉片3維流線曲率設(shè)計(jì)的新開(kāi)端。

圖16 子午流線曲率

忽視基元葉柵流管厚度流向變化是缺乏3維空間觀念的另一表現(xiàn)?；~柵設(shè)計(jì)在2維空間進(jìn)行，使人們?nèi)菀钻P(guān)注柵向?qū)挾攘飨蜃兓鲆暬~柵流管厚度流向變化的影響。這導(dǎo)致對(duì)輪轂修型等技術(shù)的誤解以及延誤了初始葉柵（葉片）的恰當(dāng)設(shè)計(jì)篩選。

對(duì)比輪轂修型技術(shù)效果如圖17所示。對(duì)于該技術(shù)，曾經(jīng)被認(rèn)為直接來(lái)源于外流中“跨聲面積律”，但卻根本不同。實(shí)際上，它多見(jiàn)用于轉(zhuǎn)葉根部，而這一區(qū)域常是為滿足強(qiáng)度要求而使用大厚度葉型的區(qū)域，但大厚度葉型的使用導(dǎo)致葉柵柵距沿流向經(jīng)歷先收后擴(kuò)，這對(duì)于根區(qū)亞聲擴(kuò)壓過(guò)程極為不利，結(jié)合流線曲率變化、徑向平衡會(huì)導(dǎo)致其它區(qū)域流動(dòng)分離，如圖17 （b）所示錐形輪轂情形。既然由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求而產(chǎn)生的收擴(kuò)通道問(wèn)題在回轉(zhuǎn)面內(nèi)無(wú)法解決，那么仍可以向展向(基元流管厚度方向)要空間：只要就根部流管而言，其流通面積（近似為當(dāng)?shù)貣啪唷廉?dāng)?shù)亓鞴芎穸龋┭亓飨騿握{(diào)擴(kuò)張即可。以此為出發(fā)點(diǎn)，輪轂下凹位置與深度就有了基本參考。

圖17 輪轂修型技術(shù)

當(dāng)前渦輪葉片設(shè)計(jì)也存在忽視基元流管厚度變化的現(xiàn)象：在系列圓柱回轉(zhuǎn)面上生成葉型繼而插值形成3維葉片。子午流道擴(kuò)張小情況下，這種作法有足夠的精度，而一旦存在較大子午流道擴(kuò)張，這種方法將導(dǎo)致葉型關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)選取存在較大偏差，尤其對(duì)于給定設(shè)計(jì)流量的超跨聲渦輪，從而會(huì)延誤初始葉柵（葉片）的恰當(dāng)設(shè)計(jì)篩選。

關(guān)注S1與S2流線曲率關(guān)聯(lián)、關(guān)注基元葉柵流管厚度流向變化，真正建立全3維觀念是鞏固和發(fā)展葉輪機(jī)技術(shù)的基本要求。

5.2 非定常流動(dòng)觀念

隨葉輪機(jī)負(fù)荷、結(jié)構(gòu)、壽命、噪聲等綜合性能要求日漸苛刻，定常流動(dòng)理論和設(shè)計(jì)方法愈加顯現(xiàn)局限。這種背景下，遵循學(xué)科內(nèi)在發(fā)展規(guī)律，回歸非定常流動(dòng)觀念，實(shí)施非定常設(shè)計(jì)成為葉輪機(jī)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，并主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：（1）基元葉柵非定常設(shè)計(jì)；（2）全3維葉片非定常設(shè)計(jì)。

針對(duì)前者，首先最受關(guān)注的是排間間距影響，其中，關(guān)于氣動(dòng)性能影響的研究存在截然相反的結(jié)論：以Tan[31]等為代表的“縮短間距降低損失”，以Dawes[32]等代表的“縮短軸向間距使流動(dòng)非定常性增強(qiáng)而增加損失”，這意味著氣動(dòng)上存在最佳排間間距，而綜合振動(dòng)、噪聲、流動(dòng)穩(wěn)定（多喉道問(wèn)題）因素建立間距選擇經(jīng)驗(yàn)關(guān)系更顯重要，盡管未見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)述及，但現(xiàn)實(shí)的工程實(shí)踐表明，國(guó)外已經(jīng)建立了這樣的經(jīng)驗(yàn)。1990年代中期后，葉柵非定常設(shè)計(jì)又出現(xiàn)2個(gè)重要新進(jìn)展，即先后發(fā)現(xiàn)的“沉寂效應(yīng)”（Calming Effects）[33-34]和“時(shí)序效應(yīng)”（Clocking Effects）[35-36]，已經(jīng)獲得證實(shí)均能帶來(lái)氣動(dòng)效率收益。進(jìn)入21世紀(jì)初，研究者更關(guān)注如何利用葉輪機(jī)流動(dòng)固有非定常屬性提高葉輪機(jī)性能[37]，提出了非定常自然流型、耦合流型概念[38]?；谏鲜鲞M(jìn)步，文獻(xiàn)[39]將這些反映和利用非定常流動(dòng)環(huán)境的基元葉柵設(shè)計(jì)技術(shù)總稱為非定常流型技術(shù)。

圖18 緣線匹配概念

圖19 LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)葉

針對(duì)全3維葉片非定常設(shè)計(jì)，2003年，文獻(xiàn)[40]提出了緣線匹配技術(shù)，如圖18所示。該技術(shù)以先前定常設(shè)計(jì)體系忽略了非定常流動(dòng)相位展向匹配這一缺陷為突破口，以協(xié)調(diào)葉輪機(jī)相鄰葉片前、尾緣線空間相對(duì)位置為手段，尋求氣動(dòng)、氣彈/振動(dòng)性能、氣動(dòng)噪聲及渦輪熱環(huán)境管理多目標(biāo)優(yōu)化。初步的數(shù)值研究[41-42]表明：盡管由于轉(zhuǎn)捩、湍流模型等不確定性因素而未見(jiàn)氣動(dòng)性能收益，但不同緣線匹配確實(shí)導(dǎo)致葉片所受激振力、氣流脈動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生很大差別，對(duì)應(yīng)能夠帶來(lái)強(qiáng)迫振動(dòng)和噪聲抑制收益。值得關(guān)注，最近發(fā)布的CFM公司LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)新聞和宣傳片中宣布，其高壓渦輪采用了新型抑振技術(shù)，結(jié)合公布的高壓渦輪轉(zhuǎn)葉（如圖19所示），無(wú)論從前面還是側(cè)面看，其葉片均呈現(xiàn)S型，具有緣線匹配的典型外在特征。由此可以推斷，其高壓渦輪級(jí)已采用了緣線匹配技術(shù)。實(shí)際上，非定常流型技術(shù)是2維層面的，必須經(jīng)過(guò)展向積疊而成為高效葉片技術(shù)，這等同于“非定常流型必須通過(guò)緣線匹配而對(duì)實(shí)際葉片設(shè)計(jì)產(chǎn)生作用”。不僅如此，緣線匹配還能調(diào)節(jié)各展向非定常流型所獲效益達(dá)到最佳。例如，3維時(shí)序效益最大化研究[43]表明：緣線匹配指導(dǎo)下，一直以來(lái)3維比2維時(shí)序效益低的局面得到根本改變，3維時(shí)序效益大大提高。

非定常流型、緣線匹配是葉輪機(jī)非定常設(shè)計(jì)的標(biāo)志性技術(shù)，其中緣線匹配處主導(dǎo)地位：非定常流型最終總要通過(guò)緣線匹配實(shí)踐應(yīng)用，并由緣線匹配保障其實(shí)施效果。因此，深入研究、善用非定常設(shè)計(jì)，秉持非定常流動(dòng)觀念，實(shí)現(xiàn)向非定常流動(dòng)要綜合“效益”而非單獨(dú)氣動(dòng)“效率”,可能帶來(lái)新的突破。

5.3 細(xì)節(jié)關(guān)聯(lián)觀念

工程實(shí)際中，全3維葉片還存在諸如葉尖間隙、排間間隙等不可忽視的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，它們對(duì)于葉片性能影響是全方位的，因此，全3維葉片設(shè)計(jì)中必須全局地緊密關(guān)聯(lián)這些細(xì)節(jié)因素。

葉尖間隙聯(lián)通葉片壓力面和吸力面，壓差直接驅(qū)動(dòng)葉尖泄漏流動(dòng)，分析和利用其對(duì)全3維流動(dòng)影響需要關(guān)聯(lián)如下幾個(gè)因素：（1）主流負(fù)荷分布對(duì)泄漏影響；（2）泄漏流動(dòng)改變主流流動(dòng)路徑繼而改變尖區(qū)做功能力；（3）泄漏流動(dòng)與主流的摻混損失；（4）泄漏流動(dòng)對(duì)于角區(qū)附面層的吹除作用，等等。文獻(xiàn)[5]借鑒Denton泄漏模型詳細(xì)分析了葉尖負(fù)荷分布對(duì)泄漏量、泄漏損失影響，指出尖區(qū)后加載能降低葉尖泄漏?？紤]近失速工況，如能使負(fù)荷仍然偏向下游，則失速將被推遲，葉尖泄漏影響能得到約束。尖部前掠改善性能主要源于此機(jī)制，改善葉尖泄漏的尖區(qū)壓強(qiáng)分布如圖20所示，接近原型失速工況背壓時(shí)，原型尖區(qū)最大壓差處在前緣，而前掠改型的最大壓差點(diǎn)仍在40%弦長(zhǎng)左右，這大大改善了尖區(qū)性能。尖部片削是關(guān)聯(lián)上述（1）～（3）因素全面改善葉尖性能的尖區(qū)處理技術(shù)（如圖21所示），片削使跨葉尖壓差降低而減少泄漏，減小摻混損失；尖區(qū)加功量降低，使整個(gè)葉尖損失所占份額降低；尖區(qū)葉片變薄使間隙內(nèi)損失降低；泄漏流動(dòng)吹除角區(qū)附面層使激波附面層干擾減弱—轉(zhuǎn)葉帶箍的弱點(diǎn)在于：沒(méi)了葉尖間隙流動(dòng)，激波、附面層干擾主導(dǎo)惡化了整個(gè)性能。

圖20 改善葉尖泄漏的尖區(qū)壓強(qiáng)分布(90%展高)

圖21 尖區(qū)流動(dòng)控制及葉片抑振的尖削技術(shù)

排間泄漏是另一個(gè)廣泛存在于轉(zhuǎn)、靜間卻常被忽視的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。葉輪機(jī)設(shè)計(jì)中，通常會(huì)要求通流幾何光滑，然而由于排間泄漏的存在，采取間斷端壁或是更好的選擇，如圖22所示，在光滑端壁情形中，排間泄漏導(dǎo)致主流受到排擠，根區(qū)氣流參數(shù)發(fā)生不利于下排葉片的變化；而在間斷端壁情形，排間泄漏引入的氣動(dòng)堵塞由下壓下游端壁得以考慮，主流則以幾乎不受排間泄漏干擾方式流經(jīng)下游葉排。建立排間泄漏流量、對(duì)下游葉片攻角修正等的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是合理確定間斷尺寸、恰當(dāng)關(guān)聯(lián)全3維葉片造型的關(guān)鍵。

圖22 排間泄漏

總而言之，葉輪機(jī)發(fā)展至今，新理論、新方法、新技術(shù)已經(jīng)愈來(lái)愈有限，而緊密的細(xì)節(jié)關(guān)聯(lián)、全局的綜合與折衷卻愈來(lái)愈重要，由此形成的設(shè)計(jì)結(jié)果也愈來(lái)愈顯現(xiàn)出跨越性、變革性。近年來(lái)CFM公司研發(fā)的LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)就是這樣的典型案例，其轉(zhuǎn)葉外形如圖23所示，在全面綜合基元葉柵、掠彎積疊、端區(qū)處理等方面成果后，其葉片所顯現(xiàn)的全3維性前所未有。

圖23 LEAP-X高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)葉外形

6 結(jié)束語(yǔ)

歷經(jīng)近百年努力，葉輪機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展并日臻成熟，業(yè)內(nèi)研究者和從業(yè)者的疑慮卻愈來(lái)愈重：葉輪機(jī)技術(shù)未來(lái)路在何方？

作為拋磚引玉，針對(duì)葉輪機(jī)全3維葉片技術(shù)，本文從關(guān)于葉輪機(jī)流動(dòng)的物理直感出發(fā)，逐一分解梳理出基元葉柵、展向積疊、端區(qū)處理、精細(xì)化設(shè)計(jì)等方面所面臨的基本問(wèn)題，指出全3維葉片技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重要方向之一：全面綜合最大折轉(zhuǎn)亞聲葉柵、允許分離超聲速葉柵、弱化激波葉柵、掠彎參數(shù)化積疊、葉身/端壁融合等基礎(chǔ)研究成果并結(jié)合伴隨方法進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)的負(fù)荷最大化技術(shù)，再輔以3維空間、非定常流動(dòng)、細(xì)節(jié)關(guān)聯(lián)等全局觀念下派生的技術(shù)。未來(lái)全3維葉片將是高效、光滑控制3維空間流線曲率的形狀。

梳理文中不難發(fā)現(xiàn)，關(guān)于高性能葉輪機(jī)技術(shù)，從來(lái)不缺乏問(wèn)題牽引，也不乏創(chuàng)新思想，該做的不是簡(jiǎn)單跟蹤國(guó)外的各種先進(jìn)概念，而是以實(shí)際問(wèn)題為牽引夯實(shí)體現(xiàn)為機(jī)理認(rèn)識(shí)、數(shù)據(jù)庫(kù)、工具和規(guī)程的工作基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究，一定會(huì)有扎實(shí)的自主創(chuàng)新。期盼這些能成為促進(jìn)業(yè)界發(fā)展的新動(dòng)力。

致謝

本文是多年從事葉輪機(jī)工作的心得，但凡事總有來(lái)處，很多學(xué)術(shù)思想來(lái)自于師長(zhǎng)的傳授、同行朋友的傾心交流，不敢貪得，在此向他們表示誠(chéng)摯感謝。同時(shí)，盼望能夠發(fā)揮個(gè)體及團(tuán)隊(duì)智慧，共同促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)/地面燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展。

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Trend of Full Three-dimensional Blading Techniques for High Performance Turbomachinery

JI Lu-cheng
（School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

High performance turbomachinery is essential to advance the development of aeroengine and industry gas turbine.In order to clarify its problems and trends,some main aspects of full three-dimensional blading techniques were presented,including cascade elements,spanwise stacking,endwall treatment,detail design and global view point,etc. An important research direction was pointed out,which integrates the research results in subsonic cascade with high turning angle, supersonic cascade with limited separation,reduced shock cascade,spanwise stacking with sweep and bow,blended blade and endwall, and detailed design with adjoint optimization,and again combined with techniques derived from global viewpoint about unsteady threedimensional turbomachinery flow.In order to seek good control,full three-dimensional streamline curvature would be the focus of blade design in the future.

full three-dimensional blade;turbomachinery;adjoint method;endwall treatment;blended blade and endwall;edge matching

季路成（1970），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)能源動(dòng)力和流體力學(xué)。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51176012、51006100）資助

2013-04-10