设计压比和转速变化对对转压气机性能的影响研究
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２ ００ ７年８月 第２５卷第４期 西北工业大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ａｕｇ． ２００７ Ｖｏｌ＿２５ Ｎｏ．４
设计压比和转速变化对对转压气机性能的影响研究
刘 波，杨 艳，王掩刚，陈云永
（西北工业大学动力与能源学院，陕西西安７１００７２）
摘 要：以自行设计的双排轴流对转压气机为研究对象，采用流线曲率法对对转压气机的气动性能
及流场结构进行了探索性研究，着重分析了转速调节分别对两排转子出口速度、出气角以及扩散因 子的影响，结果表明：两排转子的转速互相依赖，在量级上不宜相差的过大，否则流场极易发生分离
或畸变；另外，可通过适当调整各排转子的压比来平衡两转子的加功量，以降低流场畸变的可能性，
以上研究结论对对转压气机的设计与应用有着重要的理论意义和工程应用价值。
关键词：对转压气机，转速，压比，扩散因子 中图分类号：Ｖ２１５、６ 文献标识码：Ａ 文章编号；１０００—２７５８（２００７）０４—０５７６—０５
近年来对转技术作为提高航空发动机推重比及
飞机性能的有效技术之一越来越受到重视［１］。在美
国１ＨＰＴＥＴ计划中，高性能对转涡轮研制已取得可 喜进展，Ｆ１１９发动机已采用了涡轮双转子对转技
术。资料分析表明，对转技术有如下独特的优势：结
构方面，由于静叶排，缩短了发动机的轴向长度，结 构重量减轻，可以大幅度提高发动机推重比；其次， 对转转子中介轴承在转轴对转时内外套转向相反，
降低了滚珠架与外套的相对转速，可有效减轻轴承
的磨损；另外，转轴对转使传到飞机上的合力矩大幅
降低，可以有效提高飞机的机动性能和可靠性［２］。在 气动方面，由于取消了静子部件，在转子气动布局较 好的情况下，气动损失也能有所减小。目前国内外在
对转涡轮技术研究方面已经进行了大量研究工作，
且国外对转涡轮已进入实用化阶段。国内相继开展 了１十１／２对转涡轮的设计和试验研究工作口叫］，并 建立了对转涡轮研究试验台。但在对转压气机／风扇
的相关研究方面，国外仅麻省理工学院开展了少量 研究，国内刚刚起步，西北工业大学２００６年建成了
国内首台双排对转压气机实验台。
由于对转压气机去掉了中间的静叶排，转子问 相对高速旋转，与常规压气机相比流场变化比较大，
设计起来相对困难。本文运用流线曲率法对设计的 双排对转压气机流场进行分析，讨论转子转速和压 比改变对转子性能的影响，为今后更好地设计对转
压气机提供参考。
１研究对象及计算方法概述
本文以设计的双排对转压气机（如图１所示）为
研究对象，运用流线曲率法初步探索双排对转压气 机中的流场变化规律。该对转压气机设计参数如下：
Ｒｌ转速为８ ０００ ｒ／ｍｉｎ，Ｒｚ转速为一８ ０００ ｒ／ｍｉｎ（从
进口向下游看，Ｒ 为顺时针转；Ｒ。为逆时针转），各
排叶片数目分别为进口导叶２２片、转子Ｒ １９片、转
子Ｒ。２Ｏ片、出口导叶３２片；设计性能参数分别为流 量６．０ ｋｇ／ｓ、总压比１．２１６，绝热效率０．８０。
计算方法运用流线曲率法，沿各给定的计算站，
给定设计参数分布后，逐站求解运动方程和连续方
程。该方法现在己经广泛应用于压气机和涡轮的气 动设计和分析，是目前轴流式航空叶轮机子午面通 流气动设计的主要方法。
进口导叶
顺时针转 逆时针转
图１对转压气机叶型
收稿日期：２００６．１２—１４
作者简介：刘波（１９６Ｏ一），西北工业大学博士生导师，主要从事航空宇航推进理论与工程的研究。 出口导叶
：＝＝＝ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 刘 波等：设计压比和转速变化对对转压气机性能的影响研究
２计算结果分析
本文首先从原始设计参数出发，运用流线曲率
法分析了双排对转压气机中的流场变化规律，图２、
图３分别给出了转子原始压比和效率沿叶高的分 布。从图中可以看出两排转子原始压比沿叶高是均 匀分布，而效率沿叶高是不均匀分布的。
图２两排转子原始压比的分布
Ｏ
Ｏ ｇ ＼ ≈ Ｏ．
Ｏ
图３两排转子原始效率的分布
Ｖ／ｎ１．ｓ一
图４两排转子出口速度图 Ｏ
Ｏ．
Ｏ
Ｏ－
Ｏ． ２．１ Ｒ 转速（，ｌ ）保持不变，减小 转速（，ｌ ）及压
比 保持转子原始总压比和效率，减小 ，使 ＝
６ ０００ ｒ／ｒａｉｎ，经重新设计、计算，将 １—８ ０００ ｒ／ｒａｉｎ与 ｌ一６ ０００ ｒ／ｒａｉｎ的计算结果进行对比。分
析图４～图６可知，保持 。不变， 变小时，两排转 子出口速度、气流角均变大；在 ＝＝＝６ ０００ ｒ／ｒａｉｎ时，
尺 出口的扩散因子沿叶高的变化是先减小后增大， 这极易使Ｒ 叶尖的扩散因子大于０．４，易导致较大
的损失；而Ｒ。出口的扩散因子随转速的减小而减 小。 为了减小流场畸变的可能性，采取适当降低尺
压比（总压比由１．２１６降到１．２１３），经重新设计，其 分析结果如图７～图９所示。由图７～图９可知，在
调整Ｒ 压比后，Ｒ 出口根部扩散因子明显改善，尖
部扩散因子也有所下降。 表１ 总压比及各排压比对比数据
／（。）
图５两排转子轴向出气角图 Ｄ
图６两排转子出口扩散因子图 Ｏ ● Ｏ ｎ ｎ
基、 维普资讯 http://www.cqvip.com ・５７８・ 西北工业大学学报 第２５卷
０．２Ｏ
０．１８ 昌 ０．１６
０．１４
Ｏ．１２
图７减小压比后两排 转子出口速度图 ０．２０
０．１８ 旦 《Ｏ．１６
Ｏ．１４
Ｏ．１２ ／（。）
图８减小压比后两排 转子轴向出气角图
２．２ Ｒｌ增大转速（ ）及压比， ２转速（ ２）保持不 变
保持转子原始总压比，调整ｎ 一１０ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 经重新设计、计算，将ｎ 一８ ０００ ｒ／ｍｉｎ与ｎ 一
１０ ０００ ｒ／ｍｉｎ的计算结果进行对比，其分析结果如 图ｌＯ～图ｌ２所示。从图ｌＯ～图ｌ２可知，ｎ。不变， ｎ 变大时，Ｒ 出口速度和轴向出气角都减小，而Ｒ。
目 ＼ ｇ ＼
ｖ／ｍ．ｓ ０．２０
０．１８
Ｏ．１６
０・１４
０．１２ ｇ ＼
Ｄ
图９减小压比后两排转 子出口扩散因子图
出口速度增大，轴向出气角减小。ｎ 增大时，Ｒ 出口 扩散因子减小而Ｒ。出口扩散因子增大。为了防止Ｒ。
出口扩散因子过大，采取适当增加Ｒ 压比（总压比 由１．２１６增到１．２１８），经重新设计、分析，其分析结
果如图１３～图１５所示。由图１３～图１５可知，Ｒ 压
比增大后，Ｒ。出口扩散因子有所减小。
／（。） ０．２０
０．１８
０．１６
０．１４
０．１２ ＋Ｒ． ｉＲ８ ０００ ｒ］ｍｉｎ） ＋ ２（ ２－８ ０００ ｒ］ｍｉｎ） ＋Ｒｌ ｉｍ１０ ０００ ｒ］ｍｉｎ） ＋Ｒ２（ｎ２Ｒ１０ ０００ ｒ］ｍｉｎ）
０．１５ ０．２０ ０．２５ ０．３０ ０．３５ Ｄ
图１Ｏ两排转子出１：２速度图 图１１两排转子轴向出气角图 图１２两排转子出口扩散因子图
６０ ７０ ８０ ９０ Ｉｏ０ Ｉｌ０ ｌ２０ Ｖ／ｍ．ｓ－。
图１３增大压比后两排 转子出口速度图 ０．２Ｏ
０．１８
０．１６
０・１４
０．１２
零 Ｌ‘、
图１４增大压比后两排 转子轴向出气角图 ０．２０
０．１８
０．１６
０．１４
０．１２ Ｄ
图１５增大压比后两排转
子出口扩散因子图 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 刘波等：设计压比和转速变化对对转压气机性能的影响研究
２．３将 转速（ 。）和压比调整后的计算结果进行
对比 图１６～图１８是 。和两转子压比都保持不变 时，将 １—６ ０００ ｒ／ｍｉｎ和 １—１０ ０００ ｒ／ｍｉｎ时所
设计的对转压气机做了比较。分析图１６～图１８可 知，转子压比不变， Ｉ一６ ０００ ｒ／ｍｉｎ和 １—１０ ０００
ｒ／ｍｉｎ时，Ｒ 的气流角、速度以及扩散因子都比Ｒｚ
ｖ／ｍ．ｓ ０－
０．
《０． Ｏ・
Ｏ． 变化大。 再将总压比为１．２１３和１．２１８时所设计的对转 压气机做了比较，流场分析结果如图１９～图２１所 示。对比总压比为１．２１３和１．２１８时所设计的压气
机，可知在转子转速改变的前提下，适当调整转子压 比，可使转子出口流场得到明显改善。
／（ ） Ｄ
图１６两排转子出１２速度图 图１７两排转子轴向出气角图 图１８两排转子出１２扩散因子图
Ｖ／ｍ．Ｓ
图１９压比调整后两排 转子出口速度图
３ 结 论 ／（。）
图２Ｏ压比调整后两排 转子轴向出气角图
本文对双排对转压气机设计转速及压比对转子
性能的影响进行了分析，经过初步分析得出如下结
论： （１）保持 。不变， 变小时，两排转子出口速度 和轴向出气角均变大，在 ＝６ ０００ ｒ／ｒａｉｎ时，Ｒｔ出 口的扩散因子沿叶高的变化是先减小后增大，使Ｒ 叶尖的扩散因子比０．４大，会导致较大的损失，而Ｒｚ
出口的扩散因子随转速的减小而减小；经减小Ｒｔ压 Ｄ
图２１压比调整后两排转 子出口扩散因子图
比后，Ｒ 出口根部扩散因子明显改善，尖部扩散因 子也有所下降。 （２）保持 。不变， 变大时，Ｒ 出口速度和轴向
出气角都减小，而Ｒ。出口速度增大，轴向出气角减
小，Ｒ 出口扩散因子减小而Ｒ。的扩散因子增大，但
是有必要将 控制得当，不能增大太多，否则Ｒ。出
口根部扩散因子有可能太大，导致叶栅效率下降；经 增大Ｒ 压比后，Ｒ。出口的扩散因子有所减小。
（３）经过初步分析表明，两排对转转子转速在
量级上不宜相差过大，否则会引起加功量不平衡，导
致流场参数变化过大。
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