小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，葉片型線的優(yōu)化可能面臨一個(gè)問(wèn)題。不同葉片高度的不同進(jìn)水條件導(dǎo)致葉片型線優(yōu)化結(jié)果差異過(guò)大，難以對(duì)葉片型線進(jìn)行過(guò)度優(yōu)化。為此，本文提出了多截面輪廓協(xié)同優(yōu)化的方法，建立了輪廓幾何與輪廓目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，使得到的輪廓滿足三維實(shí)際要求。在優(yōu)化過(guò)程中，增加了葉片型線的幾何分析和設(shè)計(jì)點(diǎn)氣流角的調(diào)整模塊，以保證獲得的葉片型線能達(dá)到與原型相同的氣流轉(zhuǎn)向能力。同時(shí)，小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣動(dòng)性能滿足一定要求，否則，可以以罰函數(shù)的形式盡快完成葉型的氣動(dòng)分析，提高優(yōu)化過(guò)程的快速性。在確定優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，綜合考慮了設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能和非設(shè)計(jì)條件，小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)對(duì)有效范圍內(nèi)的剖面性能進(jìn)行了研究。目標(biāo)函數(shù)括號(hào)中的項(xiàng)為設(shè)計(jì)點(diǎn)損失，第二項(xiàng)為有效流入流角范圍，邊界為設(shè)計(jì)點(diǎn)損失的1.5倍，第三項(xiàng)為失速裕度，第四項(xiàng)為有效流入流角范圍內(nèi)的平均損失，第五項(xiàng)為平均損失差的方差。有效流入角范圍內(nèi)的分布。分子是分析葉片外形的氣動(dòng)性能，分母是原型參考值。小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)利用加權(quán)因子w對(duì)截面之間的關(guān)系進(jìn)行加權(quán)，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)，得到損失小、失速裕度高的多截面S1剖面。各參數(shù)的權(quán)重和各截面的權(quán)重系數(shù)決定了優(yōu)化目標(biāo)是集中于中間截面的性能，以及中間截面的損失和末端截面的失速裕度。通過(guò)在小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉尖壓力面附近擴(kuò)展合適的葉尖平臺(tái)，可以有效地減小葉尖泄漏和氣動(dòng)損失。

根據(jù)以往對(duì)小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)亞音速定子葉片的研究，前緣彎曲用于匹配迎角[20]，根部彎曲高度為20%，端部彎曲角度為20，頂部彎曲高度為30%，端部彎曲角度為40，如圖18左側(cè)所示。彎曲高度和彎曲角度的選擇是基于流入流的流動(dòng)角度條件：如圖5中藍(lán)色箭頭所示，定子葉片的流入角度受上游動(dòng)葉片的影響，靠近端壁有兩個(gè)不符合主流分布趨勢(shì)的區(qū)域，而彎曲高度末端彎板的T應(yīng)覆蓋與流動(dòng)角度匹配的區(qū)域；以高效率、高負(fù)荷為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)合理選擇總體參數(shù)，優(yōu)化了小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)流面葉片的初步設(shè)計(jì)和三維疊加，實(shí)現(xiàn)了軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。末端彎板角度的選擇基于區(qū)域和主流流動(dòng)角度之間的差異。

根據(jù)前面的研究，小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)前緣彎曲的定子葉片可以有效地消除流入攻角，但葉片的局部端部彎曲會(huì)導(dǎo)致葉片局部反向彎曲的形狀效應(yīng)。在保證端部攻角減小的同時(shí)，定子葉片端部的阻塞量增大，損失增大。在端部彎曲建模的基礎(chǔ)上，適當(dāng)疊加葉片正彎曲建模，可以減小端部攻角，保證定子葉片和級(jí)間的有效流動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，得到了合適的前彎參數(shù)：小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)彎曲高度60%，輪轂彎曲角度40，翼緣彎曲角度20，基本符合以往研究得出的彎曲葉片設(shè)計(jì)參數(shù)選擇規(guī)則。不同葉柵的吸力面徑向壓力梯度和出口段邊界層邊界的徑向壓力梯度可以很好地進(jìn)行比較。在帶端彎和正彎葉片的三維復(fù)合葉片表面，存在兩個(gè)明顯的徑向壓力梯度增大區(qū)域，形成從端彎到流道中徑的徑向力，引導(dǎo)小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉片表面邊界層的徑向重排。從出口段附面層的邊界形狀可以看出，復(fù)合三維葉片試圖使葉片的徑向附面層均勻化，消除了葉片角部區(qū)域的低能流體積聚，對(duì)提高葉片邊緣起到了明顯的作用。錐形間隙改變了間隙內(nèi)渦量場(chǎng)的分布，減少了葉尖泄漏損失，增強(qiáng)了小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉片上、中部的功能力。

通過(guò)在小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉尖壓力面附近擴(kuò)展合適的葉尖平臺(tái)，可以有效地減小葉尖泄漏和氣動(dòng)損失。模擬了三種小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)不同長(zhǎng)度和初始位置的吸力面小翼葉柵的內(nèi)部流場(chǎng)。結(jié)果表明，三段小翼可以改善葉柵頂部的流動(dòng)狀況，并在不同程度上削弱泄漏渦的強(qiáng)度。周志華等[10]計(jì)算了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪一級(jí)的三維流場(chǎng)。結(jié)果表明，錐形間隙能有效地控制間隙內(nèi)的泄漏流速，減少間隙內(nèi)的堵塞，從而提高其整體性能。在套管處理方面，Yang等人[11]發(fā)現(xiàn)自循環(huán)殼體處理后壓縮機(jī)的穩(wěn)定流量范圍明顯增大，這是由于葉片負(fù)荷降低、低能流體吸附能力降低和周向流量畸變能力降低所致。小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)的不同分區(qū)數(shù)的非軸對(duì)稱套管處理。實(shí)驗(yàn)表明，合理的非軸對(duì)稱殼體處理結(jié)構(gòu)可以使壓縮機(jī)的穩(wěn)定裕度提高13%，峰值效率提高0.8%。提率的原因是加工槽對(duì)壓氣機(jī)葉頂流場(chǎng)產(chǎn)生低頻非定常影響信號(hào)。小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)在低速壓縮機(jī)上測(cè)試了不同結(jié)構(gòu)的斜槽殼體處理。實(shí)驗(yàn)表明，合理的配置可以提高壓縮機(jī)效率1%~2%，而不會(huì)對(duì)失速裕度產(chǎn)生不利影響。根據(jù)前面的研究，小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)前緣彎曲的定子葉片可以有效地消除流入攻角，但葉片的局部端部彎曲會(huì)導(dǎo)致葉片局部反向彎曲的形狀效應(yīng)。

小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)在0.05<r<0.4的范圍內(nèi)，a的變化很小。當(dāng)0.4<r<0.85時(shí)，_a逐漸增大，在85%葉高時(shí)達(dá)到較大值，說(shuō)明該區(qū)域具有更大的機(jī)械能和更強(qiáng)的循環(huán)能力。與均勻間隙相比，方案2和方案6的葉尖間隙形狀在0<r<0.5時(shí)基本保持不變，說(shuō)明葉尖間隙形狀的變化對(duì)葉片底部到中部沒(méi)有影響，但在方案2下，小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉尖間隙高于均勻間隙，而葉片TiP間隙小于均勻間隙。這是由于葉尖渦度強(qiáng)度增大，泄漏流減弱，葉片前緣渦度明顯增大和減小。減輕了主流與泄漏流的相互作用，削弱了泄漏渦的強(qiáng)度，增強(qiáng)了葉片中上部的流動(dòng)能力，增加了獲得的能量。在方案6中，在0.5<r<0.85的范圍內(nèi)，均勻間隙也略有增大，但接近較大的速度明顯減小。這是由于葉尖渦度強(qiáng)度隨間隙的均勻變化而略有變化，對(duì)泄漏流影響不大，而葉尖前緣渦度強(qiáng)度顯著增大，導(dǎo)致葉尖a減小，總流量減小，能量降低，從而提高了風(fēng)機(jī)效率。ENcy略有下降。也就是說(shuō)，為了更直觀地反映小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉頂間隙形狀變化對(duì)葉頂附近速度場(chǎng)的影響，90%葉片高度截面的軸向速度分布如圖7所示。當(dāng)優(yōu)化后的葉片型線三維疊加時(shí)，小型耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉片上半部分略微向后彎曲，可能導(dǎo)致優(yōu)化后的定子葉片損失增加。