連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機氣動設(shè)計與低噪聲設(shè)計

龍炳祥，劉宗政，陳振華，陳吉明，雷鵬飛

中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所，綿陽 621000

0 引 言

空氣動力學(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)洞是開展空氣動力學(xué)試驗研究的基礎(chǔ)設(shè)施，風(fēng)洞試驗?zāi)芰κ呛饬恳粋€國家航空航天事業(yè)發(fā)展水平的核心標(biāo)志之一。風(fēng)洞試驗?zāi)M能力越強，風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，對先進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)洞為歐美先進航空航天飛行器研制奠定了堅實的空氣動力試驗基礎(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。此類風(fēng)洞的設(shè)計、建設(shè)屬于復(fù)雜系統(tǒng)工程，各系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)難度大，面臨諸多挑戰(zhàn)。驅(qū)動風(fēng)洞回路氣流克服阻力形成目標(biāo)流場的軸流壓縮機設(shè)計是連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計的核心挑戰(zhàn)。軸流壓縮機氣動性能和氣動聲學(xué)性能對風(fēng)洞運行工況范圍、風(fēng)洞試驗段流場品質(zhì)、風(fēng)洞運行經(jīng)濟性和安全性有直接、重要的影響，軸流壓縮機氣動設(shè)計和氣動聲學(xué)設(shè)計是連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計、建設(shè)需要首先關(guān)注和重點解決的技術(shù)難題。

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

壓縮機載荷特性是壓縮機設(shè)計輸入之一。連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機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源于激波損失，風(fēng)洞試驗段質(zhì)量流量隨試驗馬赫數(shù)增大而減小，壓縮機工況呈現(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），因此，常選取Ma=0.9工況點作為連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計點。由軸流壓縮機氣動性能基本特征可知，壓縮機組的最易失穩(wěn)工況為圖1中的A、C工況。為確保壓縮機系統(tǒng)穩(wěn)定運行，考慮風(fēng)洞載荷計算不確定性、風(fēng)洞試驗載荷多變性以及壓縮機設(shè)計的不確定性，軸流壓縮機設(shè)計時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位置，若不慎重設(shè)計壓縮機氣動方案，B工況極易落在壓縮機堵塞工況區(qū)，進而造成壓縮機組效率下降、氣動噪聲增大及疲勞壽命降低等問題。

試驗段流場品質(zhì)是影響風(fēng)洞試驗準(zhǔn)確性、試驗效率等的核心因素。軸流壓縮機進出口氣動噪聲是影響風(fēng)洞試驗段流場品質(zhì)的關(guān)鍵?？刂茐嚎s機進出口噪聲水平有助于提升風(fēng)洞試驗段流場品質(zhì)?；趥鹘y(tǒng)聲學(xué)里襯的被動降噪手段是抑制軸流壓縮機進出口氣動噪聲的有效方法之一?；趥鹘y(tǒng)設(shè)計的軸流壓氣機噪聲聲壓級最高可達155 dB，而先進風(fēng)洞試驗段流場品質(zhì)要求壓縮機進出口噪聲聲壓級低于140 dB。單純依靠聲學(xué)里襯實現(xiàn)15 dB的降噪量極具挑戰(zhàn)，因此，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機需采用氣動-聲學(xué)融合設(shè)計方法，即考慮機組氣動性能的同時協(xié)同考慮設(shè)計參數(shù)對壓縮機氣動噪聲的影響，進而從噪聲源控制壓縮機氣動噪聲。

載荷特性和風(fēng)洞試驗段流場品質(zhì)的高要求給連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。盡管軸流壓縮機設(shè)計本身是一個傳統(tǒng)課題，但是公開文獻中針對其開展的設(shè)計分析較少。本文從寬工況連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機氣動設(shè)計與氣動-聲學(xué)融合設(shè)計兩方面重點闡述連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機設(shè)計基本思想，著重闡述先進連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機調(diào)節(jié)方式及基本參數(shù)的選取原則和氣動-聲學(xué)融合設(shè)計基本思路，并給出了必要的設(shè)計結(jié)果和試驗測試結(jié)果。

1 風(fēng)洞壓縮機氣動設(shè)計

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

1.1 動、靜葉調(diào)節(jié)方式選擇

變幾何設(shè)計是流動控制的有效手段。在軸流壓縮機流動控制領(lǐng)域，采用變動葉安裝角技術(shù)（簡稱動葉調(diào)節(jié)技術(shù)）或變進口導(dǎo)葉、靜葉安裝角技術(shù)（簡稱靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)）均可有效拓寬壓縮機高效穩(wěn)定運行的范圍。美國阿諾德工程中心的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）和英國的8 ft高速風(fēng)洞（HSWT）等的壓縮機均采用靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)。動葉調(diào)節(jié)技術(shù)在煤礦、化工行業(yè)的大型通風(fēng)機以及渦槳發(fā)動機槳葉安裝角調(diào)節(jié)領(lǐng)域已成功應(yīng)用，但在風(fēng)洞軸流壓縮機中應(yīng)用較少，德國RAE風(fēng)洞軸流壓縮機采用了該技術(shù)。

動、靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)在軸流旋轉(zhuǎn)機械中已有廣泛應(yīng)用，但量化評估兩種調(diào)節(jié)方式優(yōu)劣的方法較少。本文過建立分析模型，從氣動設(shè)計角度量化評估兩種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)劣，為連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機動、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)壓縮機進口導(dǎo)葉、靜葉與動葉安裝角，拓寬壓縮機高效、穩(wěn)定運行工況范圍，主要通過改變壓縮機級間匹配實現(xiàn)。典型的以做功系數(shù)（）和流量系數(shù)（）表示的軸流壓縮機等轉(zhuǎn)速性能曲線如圖2所示。

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

做功系數(shù)反映壓縮機做功能力大小，流量系數(shù)間接反映氣流角。圖2中點A、B、C分別表示壓縮機最佳進氣角、負進氣角與正進氣角工況。壓縮機轉(zhuǎn)速保持不變，通過調(diào)節(jié)壓縮機進口導(dǎo)葉、靜葉或（和）動葉安裝角改變氣流角，實現(xiàn)不同的級間匹配策略，可有效拓寬壓縮機工況范圍。

采用速度三角形分析法對動、靜葉調(diào)節(jié)有效性進行分析，分析時假設(shè)調(diào)節(jié)過程中氣體物性、葉柵進出口氣流軸向速度和進出口徑向位置無變化。壓縮機做功系數(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表示相對速度，為動葉安裝角，相對氣流角。

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

式中：表 示進口絕對速度，m/s；表示出口絕對速度，m/s；v表 示進出口軸向速度，m/s；表示圓周速度，m/s；和分別表示進出口絕對氣流角，（°）；文中若無特別說明，下標(biāo)1和2分別表示進口和出口。

定義調(diào)節(jié)有效性（）以便量化評估動葉調(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)量對應(yīng)的動葉或進口導(dǎo)葉、靜葉安裝角調(diào)節(jié)量，反映了采用動葉調(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)有效性的計算表達式為：

式中： Δ表示安裝角調(diào)節(jié)量，（°）。

圖4 速度三角形Fig.4 Velocity triangle

軸流壓縮機設(shè)計通常保證進出口軸向速度相近，因此上面兩個計算公式中不考慮葉柵進出口軸向速度變化對調(diào)節(jié)有效性的影響。為了盡可能將分析結(jié)果全部用壓縮機的設(shè)計參數(shù)表示，需要消去。由反動度R（氣流經(jīng)過壓縮機轉(zhuǎn)子獲得的靜焓升與其經(jīng)過壓縮機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)變化時需要調(diào)節(jié)的靜葉安裝角度和動葉安裝角度：

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

1.1.2 小結(jié)

動、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)、反動度密切相關(guān)。在低反動度、小做功系數(shù)條件下，動葉調(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；而在高反動度、大做功系數(shù)條件下，動葉調(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。在低反動度、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；而在高反動度、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。反動度0.5是動、靜葉調(diào)節(jié)有效性優(yōu)劣發(fā)生根本轉(zhuǎn)變的臨界點。當(dāng)反動度小于0.5時，從氣動設(shè)計考慮，軸流壓縮機應(yīng)優(yōu)先采用靜葉調(diào)節(jié)；當(dāng)反動度大于0.5時，軸流壓縮機應(yīng)優(yōu)先采用動葉調(diào)節(jié)技術(shù)。

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

1.2 設(shè)計參數(shù)選取

軸流壓縮機氣動設(shè)計流程包括軸流壓縮機一維設(shè)計、二維設(shè)計、三維造型設(shè)計和壓縮機優(yōu)化設(shè)計。一維設(shè)計的主要目的是確定軸流壓縮機的子午流道參數(shù)以及各級葉片加工量、葉片環(huán)量、葉片數(shù)、弦長和稠度等參數(shù)。二維設(shè)計主要通過求解完全徑向平衡方程完成軸流壓縮機S2流面的計算。通過二維設(shè)計可以初步確定軸流壓縮機葉片展向各個位置進出口氣流角、安裝角等參數(shù)。在一維和二維設(shè)計的基礎(chǔ)上，可完成壓縮機葉片造型設(shè)計，即壓縮機的三維設(shè)計。最后，通過三維CFD數(shù)值計算方法和（或）試驗測試結(jié)果驗證壓縮機氣動性能是否滿足用戶設(shè)計要求。若不滿足，則對壓縮機進行優(yōu)化設(shè)計，確保所設(shè)計壓縮機最終能夠達到設(shè)計指標(biāo)。設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 軸流壓縮機氣動設(shè)計流程Fig.5 Axial-flow compressor design process

一維設(shè)計是軸流壓縮機設(shè)計的基礎(chǔ)，決定了設(shè)計方案可達到的最優(yōu)氣動性能，完成合理的一維設(shè)計意味著基本完成了整個設(shè)計工作量的60%～70%。選擇合適的設(shè)計點、做功系數(shù)、流量系數(shù)、子午流道，葉型基本參數(shù)是開展基于軸流壓縮機基本理論、熱力學(xué)理論和經(jīng)驗公式（損失、進氣角、落后角等）的一維設(shè)計的前提，也是決定一維設(shè)計方案優(yōu)劣的關(guān)鍵要素。

1.2.1 設(shè)計點選取

開展具有寬工況運行特征的軸流壓縮機設(shè)計首先需要確定軸流壓縮機氣動設(shè)計點。設(shè)計點的選取決定了設(shè)計方案可實現(xiàn)的最優(yōu)氣動性能，決定了設(shè)計滿足連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞運行需求的軸流壓縮機氣動方案的難易程度。

連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞高性能軸流壓縮機設(shè)計要求壓縮機在風(fēng)洞設(shè)計點（圖1中B點）具有較高熱效率。根據(jù)軸流壓縮機氣動性能基本特性可知，全工況范圍內(nèi)，喘振裕度最低的工況點一定出現(xiàn)在最低馬赫數(shù)工況點和最高馬赫數(shù)工況點（圖1中A點和C點）。對于運行馬赫數(shù)范圍為0.2～1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，粗糙地將其壓縮機的氣動設(shè)計點選擇在B點（對應(yīng)Ma=0.9工況點）或者C點（對應(yīng)Ma=1.6工況點）將無法獲得滿意方案。

1）方案一 ：Ma=0.9設(shè)計點

若選取Ma0.9工況點作為設(shè)計點，壓縮機動葉進氣角隨著壓縮機運行工況點逐漸遠離設(shè)計點而逐漸增大，在Ma=1.6和Ma=0.2時達到最大正進氣角，意味著壓縮機在工況點A和工況點C運行時，壓縮機機組的喘振裕度小。為此需要將壓縮機的靜葉安裝角度調(diào)小，使壓縮機在風(fēng)洞運行工況兩端運轉(zhuǎn)時的進氣角盡可能朝合理的負進氣角移動。

選取Ma=0.9工況作為設(shè)計點開展設(shè)計獲得的設(shè)計方案表明：壓縮機在Ma=0.2～0.3、Ma=1.3～1.4和Ma=1.5～1.6工況運行時，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性能。

2）方案二： Ma=1.6設(shè)計點

若將設(shè)計點選擇在Ma=1.6對應(yīng)的工況，如果不調(diào)節(jié)靜葉，壓縮機在低馬赫數(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)范圍以及壓縮機轉(zhuǎn)速，低馬赫數(shù)工況區(qū)（尤其是風(fēng)洞運行工況點）的效率可能無法達到令人滿意的結(jié)果。將設(shè)計點選取為Ma=1.6而獲得的設(shè)計方案，風(fēng)洞設(shè)計點等熵效率比方案一低5%，且為滿足全工況范圍運行，需要采用靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)。

3）設(shè)計點準(zhǔn)則

優(yōu)化設(shè)計是開展設(shè)計點選擇的合適途徑，但耗時較長?；谒俣热切畏治瞿Ｐ?，可快速篩選合理的壓縮機設(shè)計點。設(shè)計點選取的原則是Ma=1.6工況對應(yīng)等轉(zhuǎn)速線上的失穩(wěn)工況點進氣角的絕對值不小于Ma=0.9工況點對應(yīng)進氣角的絕對值。

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

式中：C表示等壓比熱容；表示壓縮機組熱效率；T表示總溫，K；p表示總壓比；v、v分別表示絕對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)洞壓縮機載荷特性，假定BC線上的流量保持不變，并將設(shè)計點流量系數(shù)取0.6。其余輸入的計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算輸入?yún)?shù)表Table 1 Design inputs

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

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

1.2.2 做功系數(shù)、流量系數(shù)

軸流壓縮機級數(shù)和尺寸是開展壓縮機設(shè)計需要首先確定的兩項關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。軸流壓縮機級數(shù)的多少取決于全工況范圍內(nèi)壓縮機的總壓比大小和做功系數(shù)。壓縮機尺寸則決定了壓縮機的流量系數(shù)。圖7為反動度為0.7的軸流壓縮機對應(yīng)的Lewis圖，該類圖的相關(guān)介紹見文獻[10]，根據(jù)圖7可對做功系數(shù)和流量系數(shù)進行合理選擇。

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

1）做功系數(shù)

高載荷設(shè)計是軸流壓縮機設(shè)計的趨勢。基于公式（12），通過增加葉型彎角（ Δv），提升壓縮機周向線速度（U）是增大壓縮機級載荷的有效途徑。

考慮到逆壓梯度下邊界層易分離，壓縮機葉型彎角無法隨意增大，因此增大周向線速度是提升級載荷的重要途徑。為避免激波誘導(dǎo)產(chǎn)生的高氣動損失、應(yīng)對壓縮機系統(tǒng)面臨的超低雷諾數(shù)運行工況問題并考慮長壽命設(shè)計要求，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機仍宜采用常規(guī)軸流壓縮機設(shè)計思路。鑒于常規(guī)軸流壓縮機葉型的臨界馬赫數(shù)約為0.75，因此連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機最高周向線速度應(yīng)小于250 m/s，軸流壓縮機單級做功系數(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壓縮機熱效率和穩(wěn)定裕度（Dehaller Number，哈勒數(shù)）的關(guān)系。常規(guī)軸流壓縮機設(shè)計中，哈勒數(shù)小于等于0.72是軸流壓縮機失穩(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，流量系數(shù)越大，壓縮機效率越低。因此，為盡可能地提升壓縮機熱效率，壓縮機流量系數(shù)不可太大。壓縮機流量系數(shù)的選擇還需綜合考慮可用加工能力對最大輪轂直徑的限制、交通運輸對機組整體尺寸的限制，以及增大流量系數(shù)造成的壓縮機一次性成本降低與增大流量系數(shù)帶來運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)洞軸流壓縮機設(shè)計點對應(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)計配合采用重復(fù)級設(shè)計思路，使得碳纖維葉片制造只需采用一套模具即可，可以降低模具開發(fā)成本，從而降低壓縮機組制造成本，并縮短葉型開發(fā)的時間。在通流能力相同的前提下，壓縮機葉片的輪轂比較高，便于降低二次流損失，提升壓縮機運行的經(jīng)濟性。一方面，等外徑設(shè)計可充分利用葉尖的做功能力，另一方面，通過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，提升壓縮機的穩(wěn)定裕度。等內(nèi)徑設(shè)計中，由于葉尖環(huán)切而損失的加功能力通常需要通過增大葉片的折轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)。

由于連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞總壓比不高（運行馬赫數(shù)為1.6，總壓比約為1.6），采用2～3級軸流壓縮機即可滿足連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞運行需求。因此，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機宜采用等外徑設(shè)計思想。以下為設(shè)計方案的對比分析。

分別以等內(nèi)徑子午流道和等外徑子午流道思路設(shè)計了某運行馬赫數(shù)范圍為0.2～1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機方案。采用等內(nèi)徑和等外徑方案設(shè)計得到的軸流壓縮機第一級轉(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，葉根和葉尖折轉(zhuǎn)角大幅減小，可以有效拓寬壓縮機穩(wěn)定工況范圍，同時降低壓縮機轉(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)計方案35%葉高以上轉(zhuǎn)子的稠度小于等內(nèi)徑設(shè)計方案，35%葉高以下轉(zhuǎn)子的稠度大于等內(nèi)徑設(shè)計方案。由此可進一步降低35%葉高以上的氣動損失并有效增加葉根失穩(wěn)的裕度。

圖8 第一級轉(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)計方案的壓縮機喘振裕度分布更加合理，等熵效率更高，無需采用靜葉調(diào)節(jié)即可在全工況范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。因此，運行范圍為Ma=0.2～1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機采用等外徑子午流道更為合適。

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

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

2 壓縮機低噪聲設(shè)計

2.1 基本原理

軸流壓縮機氣動噪聲由單音噪聲（Tonal noise）與寬頻噪聲（Broadband noise）組成。軸流壓縮機內(nèi)部轉(zhuǎn)子與靜子之間強烈的流動干涉是軸流壓縮機單音噪聲的主要誘因之一，對軸流壓縮機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內(nèi)部轉(zhuǎn)子與靜子之間的流動干涉。

NASA 通過大量試驗得出的軸流壓縮機級間距因子（RSS，計算方式見式14）對單音噪聲和寬頻噪聲聲壓級的影響如圖12所示。若軸流壓縮機進口流場不存在畸變，壓縮機噪聲隨著級間距因子的增大呈逐漸減小的趨勢，但是當(dāng)級間距因子達到100時，噪聲不再隨著級間距因子的增大而降低。

圖12 級間距因子對單音、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，m；C為動、靜葉排軸向間距（級間距），m；如圖13所示。

圖13 級間距Fig.13 Rotor-stator spacing

優(yōu)化動靜葉級間距因子RSS可有效降低軸流壓縮機由動、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、靜葉轉(zhuǎn)靜干涉關(guān)系，合理選擇動葉葉片數(shù)和靜葉葉片數(shù)能有效抑制壓縮機葉片通過頻率（BPF）及其倍頻對應(yīng)的單音噪聲向壓縮機上、下游的傳播（聲截斷狀態(tài)），進而降低壓縮機噪聲。聲截斷的初步判斷條件如式（15）所示：

式中：B為動葉數(shù)；V為靜葉數(shù)；m為動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)。

盡管氣動噪聲是連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機的核心指標(biāo)之一，但不是唯一指標(biāo)。開展連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機低噪聲設(shè)計時需要綜合考慮其他有關(guān)方面的影響：

1）級間距因子

增大級間距將增加壓縮機系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的軸向尺寸，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子重量增加，從而增加壓縮機制造成本，同時可能給壓縮機轉(zhuǎn)子的動力學(xué)設(shè)計帶來困難。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、整體造價增加。因此，連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機級間距因子一般取值不超過100。

2）動、靜葉數(shù)目

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

2.2 設(shè)計結(jié)果及試驗測試方案

某運行馬赫數(shù)范圍為0.2～1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的壓縮機為一臺三級軸流壓縮機。為有效控制壓縮機氣動噪聲，壓縮機級間距因子選擇為100，壓縮機動、靜葉片數(shù)目分別為28和54。為有效驗證低噪聲設(shè)計效果，對該壓縮機氣動噪聲進行了測試分析。

噪聲測試中采用庫里特（KULITE）脈動壓力傳感器和恩德?？耍‥NDEVCO）脈動壓力傳感器進行聲學(xué)信號收集。庫里特脈動壓力傳感器型號為CTL-190SM-±15D，恩德?？嗣}動壓力傳感器型號為8510C-15。數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)采用NI PXI-1042Q數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)。信號采樣頻率為50 kHz，單次采樣點數(shù)為32 768，單次采樣重復(fù)30次。受試驗條件限制，此次試驗僅在壓縮機進出口各布置一個脈動壓力傳感器測試點。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 總聲壓級

表2和圖14展示了Ma=0.2～1.6運行工況范圍內(nèi)（對應(yīng)不同總壓比和流量）某連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機進、出口氣動噪聲聲壓級變化。

表2 模型機進出口噪聲Table 2 Sound pressure level at compressor inlet and outlet

圖14 壓縮機進、出口聲壓級Fig.14 Sound pressure level at compressor inlet and outlet

從圖14和表2可以看出，壓縮機進、出口氣動噪聲聲壓級隨試驗段馬赫數(shù)的增大而逐漸增大。壓縮機進、出口氣動噪聲聲壓級最低值分別為129.186 dB和131.503 dB；壓縮機進出、口氣動噪聲聲壓級最高分別為143.367 dB和152.481 dB。

2.3.2 頻譜分析

圖15、16展示了Ma=0.9運行工況下壓縮機進出口氣動噪聲的頻譜特性。從圖15可以看出，壓縮機進口前五階BPF對應(yīng)的單音噪聲中，壓縮機進口的三階BPF對應(yīng)的單音噪聲的能量最高。一階和二階BPF對應(yīng)的單音噪聲能量均小于三階BPF對應(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對應(yīng)的單音噪聲。

圖15 進口噪聲頻譜（ 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，在壓縮機噪聲頻譜中存在一個占主導(dǎo)地位的單音噪聲，其頻率與BPF及其諧頻均不對應(yīng)，即“異常單音噪聲”。進口噪聲中的異常單音噪聲對應(yīng)的頻率約為500 Hz，出口噪聲中異常單音噪聲對應(yīng)的頻率為1 400 Hz。從圖15可以看出，壓縮機進口存在頻率為500 Hz的異常單音噪聲以及與之對應(yīng)的二階、三階諧頻噪聲。壓縮機出口異常噪聲亦存在與主頻對應(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轉(zhuǎn)動部件相關(guān)。

圖17、18展示了壓縮機在Ma=1.6工況運行時壓縮機進出口氣動噪聲的頻譜特性，與Ma=0.9工況類似，除異常單音噪聲外，壓縮機主導(dǎo)單音噪聲并非一階BPF對應(yīng)的單音噪聲。

圖17 進口噪聲頻譜（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，合理地選擇壓縮機動、靜葉片數(shù)比可有效抑制壓縮機異常單音噪聲。

3 結(jié) 論

1）從氣動設(shè)計角度出發(fā)，高反動度軸流壓縮機應(yīng)盡可能采用動葉調(diào)節(jié)，而低反動度軸流壓縮機則宜采用靜葉調(diào)節(jié)。反動度0.5是動、靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)劣的臨界點。軸流壓縮機工程研制是一個跨學(xué)科的系統(tǒng)工程問題，采用何種調(diào)節(jié)手段需綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠與安全性、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)洞軸流壓縮機設(shè)計點應(yīng)選擇在Ma=1.4附近，壓縮機各級的流量系數(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)計點，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)計思路可有效提升壓縮機熱效率，拓寬壓縮機穩(wěn)定運行的工況范圍；最高運行馬赫數(shù)不超過1.6的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞軸流壓縮機氣動設(shè)計宜采用等外徑子午流道設(shè)計思路。

4）通過合理選擇壓縮機動靜葉數(shù)目比實現(xiàn)聲截斷，可有效抑制壓縮機氣動噪聲，截斷效應(yīng)對出口氣動噪聲的抑制作用更加明顯。

5）本文基于傳統(tǒng)軸流壓縮機設(shè)計思想開展分析，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)計思想，存在一定的局限。