高亞聲速時葉尖小翼對壓氣機葉柵泄漏流動的影響*

吳宛洋，鐘兢軍

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

燃氣輪機自雛形問世已經歷百年歷史，隨著世界經濟和格局的變化，它在研制技術上面臨過多次巨大的突破、在設計思路上體驗過數次深刻變革。它在人類航空史上有著舉足輕重的地位，正是它的出現使得當時被活塞發動機壟斷的領域里噴氣推進發動機開始大放異彩，進而永久改變了世界的格局。燃氣輪機的設計、研制、生產及裝配過程需要各種高新技術和核心技術的共同作用，集中體現了一個國家的高端工業水平。在國際形式瞬息萬變、百年未有之變局的今天，擁有先進完備的燃氣輪機技術更是各國的追求目標，它的發展在軍民領域都具有戰略性的指導意義。

壓氣機是燃氣輪機的核心結構，牽一發而動全身，在壓氣機中各種結構和性能上的微小改變都會對燃氣輪機的功能特性帶來巨大的影響。研究證明在壓氣機各種流動損失中，葉頂區域不穩定流動情況引起的損失占比較多[1]。這主要是因為葉頂區域存在葉頂間隙，而在壓力差的作用下具有流動趨勢的流體可以通過葉頂間隙從壓力面到達吸力面，這種泄漏流動的方向和分布與流道中主流有著明顯區別，兩種有巨大差異的流動形式相遇、接觸、互融、分離的過程定會伴隨著明顯的流動損失并會對壓氣機乃至整個燃氣輪機產生明顯的影響[2-5]。由于葉頂間隙結構必然存在，合理有效地控制葉頂間隙流動成了壓氣機設計過程中的重要課題。根據設計思路上的不同，主要的控制技術大致可以分為兩類：以葉頂噴氣[6]、合成射流[7]、等離子激勵[8]為代表的主動控制技術和以彎掠葉片[9-10]、機匣處理[11]、翼刀結構[12]為代表的被動控制技術。

鐘兢軍教授2008年提出了在壓氣機中應用葉尖小翼這一新的被動控制技術[13]，研究團隊多年來進行了一系列的理論、數值和實驗研究并獲得了相關結論[14-20]：低速時(來流馬赫數Ma小于0.3)，在壓氣機葉柵中引入合理的幾何參數及存在區域的葉尖小翼結構后，葉頂間隙區域的泄漏流動軌跡被有效控制，進而影響葉尖流場不同渦系之間的相互作用，泄漏流與主流的相遇、接觸、互融、分離的過程都將被延遲，在流道中的影響范圍減少，帶來的流動損失減小。來流馬赫數逐漸變大的過程中(Ma小于0.7)，氣流不再是簡單的不可壓縮流動，壓氣機氣流的流動十分復雜，包括端壁及葉片表面附面層的發展與分離、泄漏流動的產生與泄漏渦的破裂、橫向二次流及以上流動現象的相互作用和影響等，在低速時具有改善作用的吸力面葉尖小翼結構不再體現其正效果，由于其帶來的局部摩擦損失對流場的干預增強，氣流的不均勻性增大，流場特性惡化。同時在這一過程中合理結構的壓力面葉尖小翼仍然會對葉頂泄漏流動有控制效果，其帶來的局部損失對流場的干預效果弱于其對葉片兩側壓力差的削減作用，即破壞了泄漏流動的動力驅動，減弱了葉頂泄漏流動，從而使泄漏流與主流的相遇、接觸、互融、分離的這些產生損失的過程都被有效地控制改善。而葉尖小翼結構變寬時其對壓力差的削減作用愈強，因此控制效果更加明顯。也就是說葉尖小翼技術在來流馬赫數小于0.7的葉柵中都可以有效改善流場特性，但在低速時改善效果更好的吸力面葉尖小翼在高亞聲速條件下則會失去改善效果甚至惡化流場。目前針對高速壓氣機轉子中應用葉尖小翼的研究，來流馬赫數都大于1.0[21]。

為了獲得葉尖小翼在全工況下的影響機制，在Ma為0.8～1.0的高來流條件下，吸力面葉尖小翼和壓力面葉尖小翼對壓氣機氣動特性的影響還需全面系統探索。本文以Ma=0.8工況的高速葉柵為研究對象，采用數值模擬方法對比分析無葉尖小翼的原型葉柵、加裝3種不同寬度吸力面葉尖小翼和3種不同寬度壓力面葉尖小翼的葉柵共7個方案流場的計算結果，初步探求高速來流時葉尖小翼對葉頂區域間隙流動的影響機制，為外界條件改變時最佳葉尖小翼設計方案的判斷提供原理依據，同時可以使后續的復雜高速實驗目標更有針對性。

1 計算模型及數值方法

1.1 計算模型與結構參數

數值計算過程中應用的葉型為某中高速轉子葉頂位置的截面，葉型截面如圖1所示。葉柵的主要幾何參數及氣動參數如表1所示。葉頂間隙選擇3%c，沖角范圍選擇0°、±3°、±6°。來流馬赫數為Ma=0.8，此時剛剛進入跨聲速，針對此來流速度的研究既可以讓高亞聲速來流條件時葉尖小翼結構的研究更完整，又可以為更高來流速度的葉柵及跨聲速轉子的研究提供理論依據。

(a) 葉型參數(a) Blade profile parameters

表1 主要葉柵參數

如圖2所示，按照葉尖小翼結構的安裝位置，將位于吸力面的小翼結構定義為吸力面葉尖小翼(Suction Surface Winglet，SSW)、位于葉片壓力面的定義為壓力面葉尖小翼(Pressure Surface Winglet，PSW)。將-6°、-3°、0°、+3°、+5°五個沖角工況分別命名為N06、N03、N00、P03、P06。為了防止在后續實驗過程中由于高速氣流的沖擊力引起葉尖小翼脫落、消除接觸縫隙，研究中不再使用低速來流條件時的外接小翼結構，而選擇與葉片融合的整體式加工設計，葉尖小翼結構相當于增加了葉片葉頂的寬度。為了盡可能地降低損失，在葉高方向小翼結構與葉片的過渡部分選擇了曲線光滑連接。原型葉片的無葉尖小翼方案命名為NW；SSW及PSW各有3種方案，共計6種，結合安裝位置及葉尖小翼結構的周向寬度相對于NW方案葉頂截面周向寬度的倍數變化，分別命名為SSW1.0、SSW1.5、SSW2.0、PSW1.0、PSW1.5及PSW2.0。

(a) NW (b) SSW2.0 (c) PSW2.0圖2 葉尖小翼結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of tip winglet structure

1.2 網格及邊界條件選定

選擇ICEM CFD軟件獲得算例的網格，在使用過程為了獲得計算周期更短、質量更高的結構化網格，將計算域共分為3個模塊，依次為葉頂間隙區域、葉尖小翼結構區域以及無葉尖小翼結構存在的原始葉片區域，各個模塊之間利用交界面命令完成計算。通過網格無關性的計算(如圖3所示，縱坐標Cξ為總壓損失系數)，確定將7種數值計算方案的網格數目保持在120萬左右。現有結果證明湍流模型需要選定SST(Shear-Stress Transport)k-ω模型[15]，同時前期實驗過程也證明了該模型可以更好地完成高速來流條件下的流場獲取。計算過程中進口條件為氣流來流角度、進口總溫及進口總壓，出口給定相對壓力值為0的靜壓。計算域兩側的邊界給定周期性邊界，上下壁面、整體葉片結構壁面為絕熱、無滑移固定壁面。選定距離尾緣0.5倍軸向弦長的截面為出口截面進行分析(如圖4所示)。

圖3 網格無關性Fig.3 Grid independence verification

圖4 網格計算域Fig.4 Grid of computational domain

1.3 數值校核

為證明應用的數值模擬方法可信需要進行數值校核，對比分析圖5所示的兩種研究手段獲得的出口總壓損失分布情況，其中橫縱坐標分別為節距和葉片高度的無量綱化，結果顯示數值計算與實驗測量對流場的提取結果相似，流動規律一致，不同程度的損失范圍分布規律相同。圖6為不同來流沖角下兩者得到的總壓損失系數曲線對比。由圖6可知，不同來流沖角下數值計算和實驗測量兩種研究方法得到的總壓損失系數變化規律一致，數值結果與實驗結果的數值誤差均在可允許的5%范圍內。因此，本文研究過程中采用的數值計算方法是可行與準確的。

(a) 數值計算(a) Numerical calculation

圖6 不同沖角下總壓損失系數Fig.6 Total pressure loss coefficients at different incidences

2 計算結果及分析

2.1 葉柵流場熵變化

圖7～11為不同沖角下7種葉柵方案內部流場的熵分布云圖。第一個截面位于葉片前緣，每個截面間隔10%c，方向垂直于軸向。熵可以度量流場混亂程度，流場越穩定簡單，熵值越小；當流場中出現打破穩定的流動狀態，也就是渦系出現后，熵會增大。葉頂區域的損失主要產生于各種渦及之間的剪切作用，不同的流動形式相遇、接觸、互融、分離的過程對應著高熵區，其中運行軌跡是從葉片壓力面至葉片吸力面的高熵區域對應著的泄漏渦路徑。

(a) NW b) SSW1.0 (c) SSW1.5 (d) SSW2.0

觀察不同沖角下的NW方案可知，與N00工況相比，N03工況下壓氣機葉柵中熵值減小。而N06工況時，由于入射角度偏轉較大，此時泄漏渦在流場中的影響范圍會大于N00工況。正沖角時，偏轉更加明顯，泄漏流動在節距范圍內的影響程度加劇，高熵區域隨著沖角的增大而顯著增大，即正沖角下的葉柵流場的熵都大于N00工況。

仔細觀察設計沖角工況，泄漏渦會在壓力差作用下在流道前部出現，隨著流道中泄漏渦的發展，對應著泄漏渦渦核區域的最明顯熵增區域逐漸擴張，在此沖角下，與原型葉柵NW方案相比，引入了3種吸力面葉尖小翼的SSW方案都增加了流場流體分布的不均勻性，混亂程度增加。雖然葉片寬度增加會延遲泄漏流動，但葉尖小翼結構引起的局部損失使得此時其干擾作用對流場中的影響最為明顯，且隨著小翼寬度的增加，局部損失增大，結構附近低能流體會更多，即泄漏流體可卷吸的流體增多。吸力面葉尖小翼增加了葉頂在葉片吸力面側的延伸距離，泄漏流體流出葉頂間隙區域后就比NW方案更遠離葉片吸力面，而更深入流道，這就使得泄漏渦在節距方向上的發展受到葉片吸力面壁面的阻礙作用較弱，可以更容易地在節距方向上發展，同時與主流接觸面積更大，兩者互相作用更加明顯，這直接造成了流道中熵的增加，也就是葉片吸力面側壓力的減小，而葉片吸力面側壓力減小的后果是葉片兩側的壓力差值增大，更多的流體會通過葉頂間隙從葉片壓力面側來到葉片吸力面側，帶來更多熵的增加，且SSW方案的寬度越大時，上述的小翼結構對流場的影響機制越明顯，高熵區域分布更廣。

流場中引入不同寬度的PSW方案后，壓力面葉尖小翼增加了葉頂在葉片壓力面側的延伸距離，構成泄漏流動的流體需要先經過整個小翼結構再進入葉頂間隙，這使得泄漏流體與主流在流道中的相遇帶來的高熵區域更遠離第一個截面，也就是說在流道中泄漏可以發展的路徑變短了，同時PSW方案引起的局部損失位于葉片的壓力面側，這意味著葉片壓力面側的壓力減小，這種現象的后果是葉片兩側的壓力差值減小，除了結構本身的阻礙作用，這種差值減小更是在本質上削弱了泄漏流動的動力與強度，更少更弱的泄漏流體與主流摻混，帶來的高熵區域變窄，當PSW方案的寬度增大時，壓力面小翼結構對流場的改善效果機制增強，高熵區域分布范圍逐漸縮減。

觀察N03和N06兩個負沖角工況，由于流體入射角度變化，對應泄漏渦的高熵區域在葉片吸力面側的出現位置都更為遠離第一個截面。當觀察對象為N03時，SSW方案對流場的影響機制仍然符合N00工況時的分析結果，SSW方案對流場泄漏流動的控制效果仍然是消極的，同時從SSW1.0方案的寬度變化到SSW2.0方案的寬度過程中，附加局部損失增大，泄漏渦在節距上的初始形成位置可發展空間更大，更易卷吸低能流體，高熵范圍逐漸增大，與NW方案時變化規律一致，此時不同寬度方案的流場熵值仍小于N00工況時各方案的流場熵值。N06工況時，不同SSW方案對流場的影響規律與N03工況時一致，但此時不同寬度方案的流場熵值已經大于N00工況時各方案的流場熵值。兩個負沖角工況下，不同寬度的PSW方案都使泄漏流動的初始出現位置向著葉片的尾緣方向推遲，PSW方案對流場的改善機制也符合N00工況時的分析結果，引入的PSW方案雖然寬度不同，但不同方案的熵值減弱，混亂程度減弱，流動損失減小，流場特性得到改善，且這種正效果與小翼寬度的增加是同趨勢關系。

觀察P03和P06兩個正沖角工況，此時流體的入射角度使對應泄漏渦的高熵區域在葉片吸力面側的出現位置都更為靠近第一個截面。也就是說，此時泄漏流動與主流的相遇會更早發生，泄漏渦軌跡對應著的高熵區域在流場影響區域的全部空間都會擴張。P06工況的氣流大折轉使得此時熵值大于P03工況。此時SSW與PSW對流場的影響機制與改善機制依然與設計工況時相同：SSW1.0方案、SSW1.5方案及SSW2.0方案全部增加了流場中的熵；PSW1.0方案、PSW1.5方案及PSW2.0方案都縮減了流場的高熵區域。兩種方案的干擾或改善的影響程度都與小翼結構寬度成正比例。壓氣機在工作時處于沖角不恒定的情況，與原型NW方案相比，合適的PSW方案可以使沖角變化對壓氣機流場的影響程度減弱，保證壓氣機有一個較為穩定的工作狀態。

2.2 葉柵出口截面流場分析

現有研究證明總壓損失系數是一種可以用來衡量壓氣機氣動性能優劣的重要參數，由于壓氣機使得氣流完成減速增壓的過程，出口位置處的總壓損失系數越小則表征整個流動過程中損失越小，流動更為穩定[22]。

總壓損失系數:

(1)

其中:Pv為進口動壓，Ptc為進口總壓，Ptp為測量點總壓。

來流沖角變化時所有方案的壓氣機葉柵出口截面的總壓損失系數及二次流分布情況如圖12～21所示。二次流動即實際流場與主流方向流動的矢量差，也通常理解為壁面壓力梯度下偏離主流方向的流動[23]，泄漏渦是二次流動的主要表現形式[24]。由于二次流動在葉頂區域損失中占比很大，利用總壓損失分布結合二次流分布特點可直觀觀察到流場分布特性[2-3,23-25]。

N00工況時，結合前文熵值分布特點觀察NW方案，較大的葉頂間隙高度使得此間隙中的橫向流動流體增加，流道中的泄漏渦發展過程在流道中持續時間長，整個出口截面的上半部分最明顯的總壓損失區域對應著泄漏渦。而上通道渦與其旋向是相反的，兩者相遇后，發展動力充足的泄漏渦對上通道渦呈現強勢壓制作用，上通道渦的存在空間被擠壓至緊貼流道上端，泄漏渦卷吸能力增強，且在節距上的發布范圍較大。雖然上集中脫落渦的旋向與泄漏渦相同，但是泄漏渦的強勢使得流道的流體更多地被泄漏流動卷吸至葉頂區域，并隨著泄漏渦的發展逐漸在流道中引起損失，兩者相遇后，上集中脫落的存在空間會被泄漏渦擠壓，可以增強其強度的低能流體也被泄漏渦搶奪，上集中脫落渦強度極小，在二次流中甚至無法對泄漏渦的流線分布造成影響。不同寬度的SSW方案增加了核心高總壓損失系數區域分布，泄漏渦強度及節距上的影響面積增加。因為在流道中分布范圍的增加，在流道中泄漏渦的消散過程延遲發生，流動軌跡更長，出口截面處的尾跡區域損失增加。橫向對比SSW1.0方案、SSW1.5方案及SSW2.0方案，葉尖小翼結構帶來的干擾作用逐漸增強，流場的總壓損失增大。橫向對比PSW1.0方案、PSW1.5方案及PSW2.0方案，葉尖小翼結構帶來的改善作用逐漸增強，流場的總壓損失明顯減弱，泄漏渦渦核對應的最高損失區域變窄。

N03工況，首先觀察原型葉柵NW方案，此時入射角度的改變使得此沖角下泄漏流動弱于N00工況下的。流道上端的上通道渦強度與N00工況相比略有增加，此時泄漏渦的起始位置由于氣流的折轉會更靠近葉片的尾緣，流場中渦系的發展軌跡和耗散位置延遲，整體流場損失小于N00工況。不同寬度的SSW方案仍會增加泄漏渦的強度與多個方向上的分布范圍，隨著SSW方案小翼結構寬度的增大，泄漏渦的卷吸能力增強，流動損失增加。加裝不同寬度的PSW方案后，流場中核心高損失區域明顯減小，泄漏渦卷吸能力下降，強度減弱。泄漏渦強度的減弱直接造成上集中脫落渦的強度增大，同時更多的流體可以被上通道渦卷吸，二次流線圖中它的流線逐漸明顯，在PSW2.0方案時已經可以清晰觀察到3個渦系的共存。雖然其他兩個渦系強度增大，但它們帶來的總壓損失弱于泄漏渦強度減弱引起的總壓損失減小，因此流場的總壓損失與PSW1.5方案相比仍然是減小的。縱向觀察所有的PSW方案和SSW方案可以發現，雖然有些吸力面葉尖小翼結構會對流場有干擾效果，但整體的效果都弱于同寬度的壓力面葉尖小翼對流場的改善控制效果。

N06工況時，入射角度已不再是最適合范圍，泄漏渦向流場后部的遷移更加明顯，7種方案的尾跡區域分布范圍明顯大于N03工況的各方案流場分布。3種SSW方案和3種PSW方案對流場的影響規律與N03工況保持一致，SSW方案對流場都呈現干擾效果，SSW2.0方案為干擾程度最大的方案；PSW方案在流場中仍然都扮演著改善控制的角色，且寬度最大的PSW2.0方案流場總壓損失與NW方案相比降低得最明顯。

P03工況時，觀察NW方案，由于受到來流角度的影響，尾跡區損失增加，且和N00工況相比，泄漏渦的初始位置更靠近葉片前緣，泄漏渦在流道中的發展區域增加，在各方向上的分布范圍擴張，流動損失增大。在安裝不同寬度SSW方案后，葉尖小翼結構帶來的局部附加損失及對葉片頂部區域兩側壓力梯度的影響使得更多的低能流體通過橫向射流來到葉片吸力面側，與主流相遇摻混，兩者相遇后，剪切產生的泄漏渦強度更大，可以將更多的流體卷吸至渦核附近形成泄漏渦系。在吸力面葉尖小翼寬度由窄變寬的過程中，泄漏渦在流道中卷吸路徑更靠近流道中心，對主流的影響更大，流場損失增加，SSW2.0的干擾效果最為明顯。而流場引入不同寬度的PSW方案后，不同寬度的壓力面側小翼結構本身都會阻礙葉片壓力面的流體進入葉頂間隙，同時其帶來的附加損失造成了壓力面與吸力面壓力差的減小，使得葉頂間隙區域的流體流動動力減弱，泄漏渦的卷吸能力減弱，在流道中的影響區域被縮減，流道中的二次流動減弱，總壓損失降低，最寬的PSW2.0方案帶來最大的改善效果。

P06工況時，泄漏渦的發展軌跡在流道中的滲透程度增加，可卷吸的流體增多，在整個節距范圍上已經被泄漏渦完全影響，泄漏渦帶來的流動損失進一步加大。此時大氣流折轉也使得附面層厚度增加，尾跡區域損失進一步增加。縱向觀察葉尖小翼加裝后的流場可知，葉尖小翼對流場的影響和改善機制與其他沖角工況一致，仍然是SSW方案為負效果，PSW方案為正效果，且寬度最大的SSW2.0方案和PSW2.0方案分別為干擾效果和改善效果最明顯的兩個方案。結合分析P03工況和P06工況可以發現，在正沖角時，PSW方案的改善程度仍然明顯于相同寬度的SSW方案的干擾程度。

當沖角變化時，不同方案的葉柵總壓損失系數規律如圖22所示。當Ma=0.8時，在設計沖角工況及非設計沖角-6°、-3°、+3°及+6°下，SSW1.0方案、SSW1.5方案及SSW2.0方案增加了流場的流動損失，PSW1.0方案、PSW1.5方案及PSW2.0方案都改善了流場，使流場的流動損失減小。兩種安裝位置下的葉尖小翼對流場的影響程度都與其小翼結構的寬度成同趨勢變化關系，相同寬度參數下的PSW方案對流場的控制效果明顯于SSW方案帶來的負面影響。具體分析曲線結果可以發現：吸力面葉尖小翼對流場影響最弱的是N03工況，SSW2.0方案的應用僅僅增加了1.77%的總壓損失；影響最大的是P06工況，寬度最大的SSW2.0方案帶來了4.17%的流場干擾。壓力面葉尖小翼對流場影響最弱的是N06工況，PSW2.0方案僅帶來2.13%的改善效果；影響最大的仍然是P06工況，最佳方案PSW2.0使流場的改善效果提升到了10.15%。負沖角時流體入射位置更遠離葉片前緣，泄漏渦影響空間較小，在流體入射角度和安裝位置對泄漏渦軌跡影響的共同作用下兩種葉尖小翼方案影響效果最弱的沖角工況不同。

(a) 吸力面小翼(a) Suction surface tip winglet

2.3 葉尖小翼影響機理

葉尖小翼結構在流場中的應用必然會增加葉頂的面積，這一改變使得進入葉頂間隙的泄漏流體在葉頂間隙內流經的路徑長度增加，通過葉頂間隙的時間增長，泄漏流進入流場與主流會面的位置更遠離葉片前緣，而且葉頂間隙內更長時間和距離的流動會耗費流體更多的能量，即葉尖小翼結構可以做到讓能量更少的泄漏流與主流在流場中相遇的位置更晚，這使得兩者剪切作用產生的泄漏渦的強度、發展軌跡以及分布范圍都會被影響，從而改善流場。這正是在低速來流條件時SSW方案和PSW方案都有改善正效果的根本原因。

但與其他控制方法一樣，葉尖小翼的適用性也受到多種因素的共同影響。為了直觀觀察葉尖小翼適用性的變化原因，圖23給出了不同葉尖小翼結構對流場的影響。葉尖小翼對流場的控制效果是干擾還是改善由多種因素共同作用：①葉尖小翼結構對泄漏渦出現位置、發展軌跡及可分布范圍的影響；②葉尖小翼結構在流場中的出現引起葉頂區域局部的附加損失；③葉尖小翼結構對葉片壓力面側和吸力面側壓力梯度的影響。在高速的來流條件下，葉頂區域流體的流速顯著增加，葉尖小翼寬度增加帶來的葉頂區域流體流程增加在高速流體下對流場的影響顯著減弱，因素①在葉尖小翼控制效果中的影響比重減小；而此時流體流速增加，附加局部損失會對小翼結構存在區域帶來明顯的影響，因素②的影響比重增大；而因素②又會直接影響著因素③。

(a) 原型葉片(a) Normal blade

在SSW方案中由于附加損失的影響，吸力面小翼結構會在葉頂區域的吸力面帶來總壓損失，使得葉片壓力面的壓力更大于葉片吸力面，這是泄漏流動的原始驅動力，這份動力可以讓葉片頂部的流體更多更早更容易地進入葉頂間隙空間，從而使得更多更強的泄漏流可以更早地與主流相遇，且由于因素①的客觀影響，兩者的相遇位置雖然遠離葉片前緣，但在高速來流條件下，這個延遲作用被大大削弱，且因素①的原因又讓兩者的相遇位置位于流道中心，剪切作用更顯著，這種在流道中的延伸作用是SSW方案幾何結構帶來的影響，即使在高速來流條件下仍然適用。同時因素②的影響比重增大，吸力面小翼結構附近有明顯的壓力降低，直接強化了因素③。在它們的共同作用下更靠近流道中部的形成位置使得泄漏渦的強度增加、可發展范圍更大，對其他渦系的抑制效果更加明顯，對流場的干擾效果更加嚴重，無法再達到低速條件時的改善效果。

在PSW方案中，因素①的延遲作用也被減弱，但幾何結構帶來的在葉片壓力面側流道的延伸作用阻擋了流體進入間隙區域。因素②的影響比重增大，壓力面小翼結構附近有明顯的壓力降低，弱化了因素③。共同作用下葉片吸力面側的泄漏流與主流相遇摻混時攜帶的低能流體少，強度降低，卷吸能力弱，而且泄漏渦的初始位置與SSW方案相比，遠離流道中心，可發展空間較小，對其他渦系的抑制作用弱，對流場的改善作用明顯大于其干擾效果。

綜上可知，葉尖小翼對流場泄漏流動的影響機理在不同來流馬赫數時有明顯區別，在高速來流條件下，由于附加損失對流場影響程度的增加，壓力面葉尖小翼對流場的泄漏流動改善效果明顯，吸力面葉尖小翼干擾效果明顯，增加了流場的流動損失，且兩者的影響效果都與其寬度變化成正比例關系。

3 結論

通過對高速來流條件下的NW方案、SSW1.0方案、SSW1.5方案、SSW2.0方案、PSW1.0方案、PSW1.5方案及PSW2.0方案共7種葉柵流場進行數值仿真，對比分析了不同來流沖角下流場熵增、流場總壓損失及出口截面氣動性能參數的變化，探究了高速來流條件時葉尖小翼對壓氣機葉柵泄漏流動的影響效果，主要結論如下：

1)當高速來流Ma=0.8時，吸力面葉尖小翼結構附近的局部損失及幾何結構造成泄漏渦在流道中延伸效果的綜合作用強于其對于泄漏流動的改善控制作用，增加了葉片兩側的壓力梯度，使得更多的流體進入葉頂間隙，更多更強的泄漏流更早更充分地與主流摻混，兩者作用產生的泄漏渦影響空間增大，強度增強，流場損失增加，影響效果與葉片寬度成正比。

2)沖角變化時，SSW1.0方案、SSW1.5方案、SSW2.0方案都增大了流場流體的熵值，流動損失增加。對流場影響最弱的是N03工況，SSW2.0方案的應用僅僅增加了1.77%的總壓損失；影響最大的是P06工況，寬度最大的SSW2.0方案帶來了4.17%的流場干擾。

3)當高速來流Ma=0.8時，壓力面葉尖小翼結構阻礙了流體進入葉頂間隙區域，其結構附近引起的總壓損失使葉片壓力側與葉片吸力面側的壓力差值降低，流體進入葉頂間隙的動力不足，更少更弱的泄漏流更晚更有限地與主流摻混，兩者作用產生的泄漏渦強度減弱，流道中可發展范圍減小，流場得到了改善，改善程度與葉片寬度成正比。

4)沖角發生變化時，PSW1.0方案、PSW1.5方案、PSW2.0方案都減小了流場中流體的混亂程度，泄漏渦的發展空間被有效壓縮，泄漏渦的強度被顯著減弱，流動損失減少。對流場影響最弱的是N06工況，PSW2.0方案僅帶來2.13%的改善效果；影響最大的仍然是P06工況，最佳方案PSW2.0使流場的改善效果提升到了10.15%。

5)高速來流時葉尖小翼結構對泄漏渦出現位置、發展軌跡及可分布范圍的影響程度減弱：此時流體流速增加，附加局部損失會對小翼結構存在區域帶來明顯的影響，葉尖小翼結構在流場中的出現引起葉頂區域局部的附加損失及對葉片壓力面側和吸力面側壓力梯度的影響程度增加。后兩者將成為影響葉尖小翼控制效果的主要因素。

6)高速來流條件時，當壓氣機處于變工況時，與加裝吸力面帶來的負面效果不同，加裝壓力面葉尖小翼后，外界來流條件的改變對壓氣機的性能影響減弱，流場更趨于平穩，壓氣機性能可以得到一定程度改善。