带凹槽涡轮叶尖相比平叶尖会有更低的气动损失,然而在腔底的前半部分区域存在着高换热系数区。为了解决这一问题,通过研究凹槽叶尖压力侧设计槽结构对涡轮气热性能的影响,结合实验和数值模拟结果,结果表明具有压力侧槽结构的凹槽叶尖相比于没有槽结构的凹槽叶尖,高换热区面积减小,气动效率提升。同时,研究不同大小的槽对气热性能影响,结果表明通过槽进入腔内的气流量会大幅影响叶顶间隙和腔内的流场,叶尖区域换热及气动性能随着槽的大小的改变而不同。

本文以某小型大涵道比涡扇发动机静子叶片为研究对象,采用数值模拟的方法探究不同结构的悬臂静叶对静叶流场以及流动损失。研究结果表明前掠结构会增加泄漏流与流道内其余低能流体发生掺混的可能性,但不会降低悬臂静叶的总压损失。后掠结构和弯造型对于悬臂静叶的气动性能无明显优化作用。

跨声速转子叶尖泄漏涡与通道激波的相互作用对压气机在小流量工况下的稳定性具有重要影响,泄漏涡破碎是导致压气机失速的直接原因。为了削弱通道激波与叶顶泄漏流的相互作用,设计了一种进气口与出气口均在通道激波之前的顶部缝隙结构,数值研究了其进、出气口所在轴向位置对压气机气动性能的影响规律。结果表明,压气机的稳定工作流量范围最大拓宽了74.9%,在综合表现最佳的缝隙进、出口位置下拓宽了69.1%;在原型压气机流量范围内缝隙转子与原型转子气动特性基本一致,最高效率相对下降小于0.4%,总压比相对下降小于0.5%。对顶部缝隙改善压气机工作稳定性的深入分析发现,顶部开缝后压气机叶顶间隙的泄漏强度得到重新分布,中部弦长范围内的泄漏得到有效控制,压气机顶部通道内的激波强度得到削弱,进而引起泄漏涡穿过激波后形成的低动量区尺

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨声速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大,单一叶尖掉块对应压气机流量稳定裕度下降41.7%;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰

利用数值模拟方法,研究了双级涡轮环境下常规凹槽叶尖和吸力面肋条尾缘开缝凹槽叶尖对泄漏损失的影响。基于叶尖端区流动结构,探讨了吸力面肋条尾缘开缝凹槽几何对叶尖泄漏损失的影响及上游凹槽叶尖对下游气动损失的影响机理。结果表明,相比常规凹槽叶尖,吸力面肋条尾缘附近合理的开缝结构不仅能增强刮削涡对泄漏流动的控制作用,而且还能减小叶尖中下游泄漏流与主流的夹角,对涡轮级气动性能的提升更加有利。在双级涡轮环境中,第一级转子凹槽叶尖对第二级涡轮气动性能的作用不可忽视。第一级转子凹槽叶尖通过控制泄漏涡的发展降低下游静子机匣边界层速度梯度,从而减弱了静子机匣通道涡强度,进而减小了第二级静子气动损失。

为揭示叶顶凹槽对轴流压气机气动性能的影响和机理,本文对一试验台转子进行了全工况数值模拟,计算性能与试验结果取得很好的一致性。在此数值模型基础上对叶顶凹槽及其改进结构—叶顶篦齿进行了数值研究,研究分析表明：叶顶凹槽降低了泄漏流流量,但转子效率和失速裕度均有所下降,主要因为叶顶泄漏流在逆压梯度的作用下沿槽内向叶顶前缘方向流动,使前缘附近泄漏流反流程度增大,造成二次流损失及通道堵塞程度增大;凹槽深度是影响转子气动性能的主要因素。将叶顶凹槽分割开形成叶顶篦齿结构,在效率下降很小的情况下提高了转子的失速裕度;通过调整篦齿位置可进一步提高转子的气动性能;叶顶篦齿的应用存在特定的叶顶间隙范围。

为研究斜沟槽机匣处理对风机气动性能的影响,以OB-84型动叶可调式轴流风机为对象,基于FLUENT数值软件,模拟风机在原壁面和六种不同斜沟槽情况下的性能,分析叶顶与吸力面湍动能和涡量分布及不同叶高处的静压和静压差分布。研究表明：斜沟槽开槽位置与动叶叶顶前缘的距离及沟槽斜度对风机性能均有明显影响,斜沟槽机匣处理结构改变了叶顶泄漏流场的分布,缓解了泄漏流的发展,削弱了泄漏流与主流的掺混;与原壁面相比,经斜沟槽机匣处理的风机在设计流量下全压和效率均有一定程度提高。综合考虑效率与安全性,方案5具有最优的气动性能,设计流量下效率较原风机提高了0.59%。