为给多级无导叶对转涡轮叶片的安全保证提供技术支撑，中国科学院工程热物理研究所赵庆军、朱志豪等人以多级无导叶对转涡轮第一、二级转子为研究对象，采用非定常数值模拟方法，分析了复杂级间流动对下游叶片表面压力脉动的影响规律，明晰了多级无导叶对转涡轮第一级零预旋动叶多道激波/尾迹对下游转子的气动激励机制。相关研究12月3日发表于《航空学报》2024年第24期封面文章。

《航空学报》2024年第24期封面 论文作者供图

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在发展航空发动机时，在满足推力和结构强度要求的前提下，需要尽可能减轻涡轮重量，提高其效率。据介绍，对转涡轮是先进航空发动机标志性技术之一，多级无导叶对转涡轮取消了全部的导向叶片，通过4排展向全超音动叶实现了总膨胀比10，效率达到92%，叶片排数相比常规涡轮减少50%，能够显著降低涡轮轴向长度和重量，是提高航空发动机推重比及降低耗油率的一种可行途径。但是，没有导叶提供预旋的第一级动叶具有吸力面无遮盖段长的特点，该长无遮盖段与相邻叶片尾迹形成缩扩型流道，流道出口尾迹流道激波与已有的外伸激波、内伸激波反射波同步作用于下游转子，显著改变下游转子叶表的压力载荷及动应力水平，极易诱发下游转子叶片的疲劳失效。因此，针对多级无导叶对转涡轮转转级间干涉对下游叶片气动载荷的影响进行研究，明晰多级无导叶对转涡轮零预旋动叶多道激波/尾迹对下游转子的气动激励机制，对叶片的安全工作具有重要的意义。

研究团队发现吸力面长无遮盖段与相邻叶片尾迹形成类似拉瓦尔喷管的缩扩型流道，为认识尾迹/激波转转级间非定常干涉引起的下游叶片载荷的非定常变化规律，他们建立了尾迹、激波结构对叶片作用与叶片载荷波动之间的关联。研究结果表明，尾迹流道激波、内伸激波反射波的共同作用仅次于外伸激波，其产生的最大压力脉动峰值达到外伸激波扫掠产生的压力脉动峰值的81.2%。在尾迹流道激波、内伸激波反射波、外伸激波共同对下游叶片载荷的高频高幅值作用下，叶片动应力相比稳态时提高了5.02%。