压气机丨西工大&608所：压气机中介机匣的流动机理和气动设计研究进展综述

压气机中介机匣(compressor intermediate duct，CID)也被称为压气机过渡段（transition duct），是航空涡扇发动机的关键部件之一，对发动机性能有重要影响。目前大多数涡扇发动机采用的是双转子结构，压缩系统通常包括风扇、低压压气机和高压压气机三部分，其中风扇与低压压气机转速低、半径大，而高压压气机转速高、半径小，为了适应上下游压气机流道的高度落差，中介机匣通常设计成S型，如图1所示。

图1 涡扇发动机和压气机中介机匣结构

作为连接上游低压压气机与下游高压压气机的重要过渡通道，压气机中介机匣负责将前者已经压缩过的空气输送到后者中进行进一步压缩。通常在中介机匣内均匀布置多个对称翼型形状的支板，这些支板既是发动机的主要承力部件，同时也是油路、冷却气路及电机驱动轴等附件的通过空间。压气机中介机匣流道型面曲率大，流场具有强逆压梯度特征，易发生流动分离现象。由于压气机中介机匣上下游均与发动机的核心压缩部件之间直接相连，故其内部流动会对整个推进系统的性能产生显著影响。

在早期的发动机设计中，由于对压气机中介机匣的流动问题认识不够充分，缺乏成熟的精细化设计手段，所以在压气机中介机匣设计中通常会选取较为保守的方案，即保证中介机匣内无显著流动分离，这也意味着在早期的压气机中介机匣设计中并没有充分挖掘其设计空间。因此，相较于通过继续改善压气机叶片性能来提升航空发动机性能，通过对压气机中介机匣进行改进是更有效的技术途径之一。

未来先进航空发动机将具有更高的经济性、更轻的质量、更紧凑的结构，促使发动机涵道比越来越高，这意味着压气机中介机匣的径向落差增加，如图2所示，可见随着涵道比的增加，中介机匣的径向落差显著增大。同时需尽可能地缩短中介机匣的轴向长度来满足发动机结构更加紧凑以及质量更轻的发展趋势，还要能够在较宽的工作范围内稳定高效地工作，这对压气机中介机匣的气动设计提出了极大挑战。近年来，针对紧凑型压气机中介机匣的内部流动特性及新设计技术的研究已逐渐成为热点，设计人员以期通过改善压气机中介机匣性能来获得更多潜在收益，进而提升大涵道比和高推重比航空发动机的性能。

图2 不同涵道比下涡扇发动机子午视图

2004年欧洲启动了针对大涵道比涡扇发动机的紧凑中介机匣研究计划（Aggressive Intermediate Duct Aerodynamics，AIDA），旨在建立和验证面向未来更先进构型航空发动机的集成度更高的紧凑中介机匣设计技术，期望通过该计划使发动机质量和长度减少1%~2%，压气机和低压涡轮的效率分别提升0.5%与1%，使飞机降低2%的耗油率和CO₂排放量，增加2.5%的干线客机运营利润等。图3给出了该计划的科学技术目标及其对中介机匣设计的影响，在该项目资助下，拉夫堡大学、查尔莫斯理工大学、GKN航空公司等多个高校和研究机构联合开展了压气机中介机匣实验与CFD仿真方面的系统研究，取得了丰硕的阶段性成果，表1列举了该计划资助下的部分研究进展。

图3 AIDA项目科学技术目标

然而，越来越大的径向落差和更短轴向长度意味着更大的中介机匣流动损失。受到上游风扇/压气机部件出口的非均匀流场、支板角区分离、通道压力梯度等因素的综合影响，紧凑型中介机匣内部的流动变得更为复杂和敏感；同时，中介机匣出口流场的不均匀性也会导致下游高压压气机偏离设计点，进而对整个压缩系统的性能产生影响。可见，充分认识压气机中介机匣的内部复杂流动机理，掌握影响其性能的关键影响因素和作用机制，是设计能够高效工作并与上下游压缩部件具有良好匹配特性的中介机匣的关键前提。

表1 AIDA项目相关研究进展

本综述旨在深入探讨压气机中介机匣的流动机理、影响因素和气动设计方法等，将沿着以下逻辑思路展开论述：第一部分深入剖析中介机匣的流动特性和损失产生机理，这是理解后续内容的基础；第二部分探究几何参数对中介机匣流动特性的影响，并明确关键几何参数的作用机制；第三部分主要分析来流条件对中介机匣流动特性的影响，揭示外部条件与内部流动的相互作用机制；第四部分探讨流动控制方法在提升中介机匣气动性能方面的潜力，分析不同流动控制方法改善流动特性的有效性和相关机理；最后一部分介绍了关于中介机匣的几何参数化、二维/三维造型以及支板掠型设计方法等，并结合目前主流的优化方法和一体化设计思想对中介机匣的气动设计展开论述。本综述将根据上述内容，系统地呈现压气机中介机匣的流动机理和气动设计等方面的研究现状和发展趋势，为相关研究和工程应用提供参考。

压气机S型中介机匣壁面型线曲率变化剧烈，这会影响中介机匣流道内的压力梯度分布。中介机匣流道内二次流和分离旋涡等复杂流动现象是流道壁面型线曲率与压力梯度综合作用的结果，这也是为什么大多学者在中介机匣流动分析和设计中将型面曲率变化与压力梯度分布作为优先考虑的影响因素。对于带支板的压气机中介机匣，支板厚度对流道的影响使中介机匣内流动具有更强的三维性，会加剧壁面附面层分离、二次流和支板角区分离等现象，因此开展压气机中介机匣流动特性和损失机理的研究是进行高效紧凑中介机匣气动设计的基础。

对于不包含支板的中介机匣，其结构主要包括四个几何设计参数，分别为：用于表征中介机匣流道收缩或扩张程度的流道出口进口面积比（A_out/A_in）、表征中介机匣紧凑程度和压力梯度大小的无量纲长度（L/h_in）、衡量中介机匣弯曲程度的径向落差长度比（ΔR/L）与平均半径比（R_m1/R_m2），具体参数见图4。对于带支板的中介机匣，其主要设计参数还包括支板厚度弦长比（t/c），其中t和c分别代表支板的最大厚度与弦长。以上参数均会影响中介机匣流道内的压力梯度和附面层的发展，因此设计人员可通过调整以上参数来改变中介机匣的负荷分布。

图4 中介机匣主要几何参数示意图

2.1 无支板中介机匣

中介机匣流道壁面曲率是影响中介机匣流动的重要因素之一，其直接决定着流场的径向和轴向压力梯度及湍流强度。流道壁面曲率的变化会导致壁面边界层和速度分布发生显著改变。因此，在研究中要尤为重视壁面曲率对中介机匣S形流道性能的影响。

已有研究均表明流线曲率对壁面附近流体的湍流度、湍流应力以及边界层发展有重要影响。由于中介机匣S型流道内流体受到壁面曲率和压力梯度的影响，在通道内会产生二次流和 旋涡结构，从而影响边界层发展和速度分布，导致压力损失和流量不均匀。通常，气流经过凹曲面时会使气流减速、静压升高，产生逆压梯度，而气流流过凸曲面时速度升高、静压降低。

Bradshaw等通过定性分析得出，曲率对湍流稳定性的影响取决于曲率的方向和大小，以及流体本身的黏性。转折处的凸曲率通常会增强湍流的稳定性，这是因为凸曲率会产生指向流线曲率中心的径向压力梯度，抑制流体的径向位移，从而限制湍流旋涡的尺寸，致使湍流长度尺度减小，湍流强度降低。此外由于湍流能量被限制在更窄的区域内，湍流剪切层会变薄。与凸曲率对流体的影响相反，凹曲率会减弱湍流稳定性并使湍流剪切层增厚。

Gillis等的研究同样指出凸曲率的主要影响是减小湍流尺度，并导致湍流剪切层厚度减小。此外，凸曲率区域会破坏湍流剪切层中的方向性，使得湍流脉动速度在各个方向上都受到抑制。湍流会变得更加接近各向同性，即不同方向的湍流强度更加均匀。Barlow等重点分析了凹曲率对湍流边界层结构的影响，并指出凹曲率会显著增加边界层湍流强度和雷诺剪切应力。

So等的研究亦显示，曲面的向心力和压力场的不平衡会导致凸曲面湍流剪切应力增加，而凹曲面则会减少湍流剪切应力。这表明曲率对S型管道湍流附面层的发展有显著影响。然而，由于流向存在较大的压力梯度，很难准确分析曲面曲率对附面层发展的具体影响。

目前研究轴向长度对S型管道性能影响的相关文献较少。因此无法得知沿着流线的压力梯度和流线曲率两个因素的哪一个对附面层发展的影响更大。Bandyopadhyay等的实验研究表明虽然曲率对湍流边界层的影响占据主导地位，但压力梯度也会在某些情况下与流线曲率的影响相互作用，对摩擦阻力和湍流特性产生显著影响。在凹面区域，压力梯度为正时，湍流强度会增强，湍流强度的流向通量也会增加。在凸面区域，压力梯度为负时，湍流强度则减弱，湍流强度的流向通量减少。

因此，S型压气机中介机匣的流道壁面曲率将会影响其内部附面层的发展和流场压力分布。Bansod等对S型弯管的研究显示，即使是非常小的曲率半径（对应于δ/R=1/300，其中δ是边界层厚度，R是圆壁曲率半径）也会导致内壁面上出现较大的逆压梯度，对边界层中的湍流结构造成显著影响。英国拉夫堡大学的Bailey等采用实验方法对无支板压气机中介机匣内部流场结构进行了详细研究，发现压力梯度通过影响剪切应力分布、速度剖面和湍流结构，并与曲率效应和压气机尾迹等相互作用，对S型管道内的流动和性能产生显著影响。沿流向的压力梯度对近壁区域的流动影响最大。在内壁附近，持续的逆向压力梯度降低了壁面剪切应力，并导致峰值剪切应力增加并逐渐远离壁面。在外壁面附近，逆向压力梯度导致峰值剪切应力值降低，而正向压力梯度则导致剪切应力增加。此外，压力梯度会改变边界层的发展，导致剪切应力分布更为复杂。在凸面内壁附近，逆向压力梯度导致边界层形状因子迅速增长，更容易发生分离。而在凹面外壁附近，压力梯度对剪切应力的影响会与湍流结构的变化发生相互作用。

Kuchana等研究了S形中介机匣曲率分布对流动的影响，发现入口曲率的降低以及将中介机匣第一弯处的反弯点向下游移动，能够降低第一弯曲段下游的压力梯度，进而减小或者消除流动分离。

通常，S型中介机匣的进出口方向基本与轴向保持一致，因此中介机匣流道的机匣和轮毂壁面均存在两个转弯位置。图5给出了中介机匣流道内的静压分布，同时给出了压力梯度的分布情况。在第一个转弯位置，通道内气流沿径向向内偏转，这需要由机匣指向轮毂的压力梯度（Δp₁）提供向心力来维持该曲面运动，因此该位置处的机匣附近压力高于轮毂；而在第二个转弯位置，气流方向需要重新偏转至轴向，此时沿径向的压力梯度方向（Δp₂）与第一转弯位置正好相反。因此，在轮毂和机匣壁面附近将产生沿流向的压力梯度，这将影响流道壁面附面层的发展。

在轮毂上，型面先凸后凹，在第一个凸弯道处壁面加速，静压降低，而在第二个凹弯曲处气流减速，静压升高，因此轮毂处的静压分布是先降后升，而在机匣处则正好相反。可见，在前后两个转弯位置之间，与机匣壁面上的流向顺压力梯度（Δp₃）正好相反，在轮毂上产生了影响范围更大的流向逆压力梯度（Δp₄），且该逆压力梯度效应会随着径向落差长度比（L/h_in）的增大而增强。因此，同时受到轮毂型线曲率以及较长范围逆压力梯度的影响，轮毂附近更容易产生附面层分离，可见控制压气机中介机匣分离发生的关键在于减小流道沿程的逆压力梯度。

图5 中介机匣流道内的静压分布

（正负号分别代表压力高和压力低的位置）

2.2 带支板中介机匣

研究表明对于带支板压气机中介机匣，在支板与流道壁面的交接处，流场压力分布较无支板中介机匣会发生显著变化，导致中介机匣内部流动变得更为复杂，流动损失增加；损失来源除了流道壁面附面层之外，还包括支板导致的尾迹、二次流和角区分离等，且逆压力梯度较大的轮毂区域占据主导地位。

首先，支板的存在会引入更大的湿面积、表面摩擦力及相关损失；其次，与无支板中介机匣相比，带支板中介机匣中的支板会带来流道内显著的气动堵塞效应，进而改变当地的速度、压力分布以及中介机匣的气动负荷。此外，支板沿流向厚度的变化将导致自支板最大厚度位置至尾缘范围内出现额外的压力梯度。

图6给出了压气机中介机匣内的流动情况。假定流道径向高度沿流向保持不变，自支板前缘至最大厚度处，支板堵塞效应使气流加速减压，并在支板最大厚度处达到峰值。自支板最大厚度处到支板尾缘，随支板厚度减小，堵塞效应逐渐减弱，气流开始减速扩压。在流道机匣壁面附近，气流在支板后部产生的减速范围正好位于机匣壁面第二转弯位置附近（见图5）的顺压梯度区域，因此在机匣附近通常不会发生附面层分离。而在轮毂附近，支板后部的减速扩压区正好位于轮毂第二转弯位置壁面曲率引起的逆压力梯度区，由轮毂型面曲率和支板堵塞引起的逆压力梯度的叠加效应将导致轮毂支板角区出现严重的二次流与角区分离。

因此，与无支板中介机匣相比，带支板中介机匣后半段轮毂附近的流动更容易发生分离，导致更大的流动损失和流道出口流场的不均匀性，增加了中介机匣的设计难度。可见，带支板中介机匣的设计要合理平衡支板前后部载荷的分配，通常可以采用先扩张后收缩的流道面积分布来减小流道后段的逆压力梯度，提高中介机匣气动性能。

图6 带支板压气机中介机匣内的流动情况

针对上述引入支板导致的流场变化，卜焕先等对带支板压气机中介机匣流道内的流动特性进行了详细的实验和数值研究，受型面曲率、流道面积变化和支板的影响，中介机匣内存在强烈的二次流现象，图7给出了支板表面流动拓扑的数值仿真和油流实验结果对比；分析还表明，受不同轴向压力梯度的影响，中介机匣轮毂和机匣壁面附近旋涡结构的形成机理和发展特性不同。

图7 压气机中介机匣支板表面流动拓扑

安广丰等研究了紧凑型压气机中介机匣中支板对上游导叶的影响，为设计上游静子导向叶片、支板和中介机匣一体化设计方法提供了理论基础。作者采用采用实验和数值方法研究了高负荷和低负荷条件下两种不同厚度的支板上游导向叶片通道内的三维流动结构。结果表明支板的势流效应增加了上游静子叶片的负荷，导致叶片表面气流分离和角区分离/失速，使得上游静子来流气流角沿周向再分布，并导致静子通道内叶片两侧的流动结构显著不同，主要包括五种不同的漩涡结构，且不同工况下静子通道内的气流分离通常由五种不同漩涡结构的一部分或两者之间的过渡态组成。

此外，气流经过支板表面会产生尾迹效应。Wallin等的研究显示，受支板尾迹和轮毂附面层的影响，与无支板中介机匣相比，带有8个支板的中介机匣对应的流道损失增大约1倍。另外，由支板导致的尾迹效应可能会引发下游高压压气机进口导叶的疲劳断裂问题。王琦等在研究某型号燃气轮机高压压气机进口导叶疲劳断裂问题过程中，发现支板尾迹效应引起的低速涡团周期性作用于下游高压压气机进口导叶会导致叶片发生1阶弯曲共振，且影响范围会逐渐从尾迹正后方叶片扩展至周向相邻叶片。

朱伟等对民用大涵道比涡扇发动机中介机匣的流动损失机理进行了数值研究，对下壁面和支板表面的极限流线分析发现，下壁面曲率剧烈变化区域存在低压高速区域，且极限流线向支板迁移，说明存在二次流动效应。此外通过涡识别方法分析了中介机匣内部的漩涡结构，发现由于下端壁处内凹曲率导致的流向和径向的压力梯度，使下端壁区的集中涡系的尺度及其所产生的气动损失远大于上端壁区。因此，下壁面型线曲率是影响中介机匣性能的关键因素，其剧烈变化导致逆压梯度增大，易产生流动分离，从而增加损失。

2.3 小结

中介机匣曲率导致沿流动方向和径向的压力梯度，会显著改变沿管道曲率的边界层发展。此外，曲率还会导致流体的离心加速度与其周围压力场之间的不平衡，在凹曲面上湍流混合增强，而在凸曲面上则受到抑制。气流经过凹曲面时会使气流减速，静压升高，产生逆压梯度，而气流流过凸曲面时速度升高，静压降低。当压气机中介机匣内加入支板后，不可避免地会额外增加气动损失，甚至影响其他上下游部件的气动性能，因此如何控制中介机匣流道的曲率分布并降低支板对中介机匣及上下游部件综合性能的影响是目前研究工作的一个重要方向。

3.1 流道几何参数

为了减轻发动机的质量，需要尽可能地缩短压气机中介机匣的轴向长度，同时要求气流能在更高径向落差长度比条件下平稳过渡，然而，更短的轴向长度意味着更大的中介机匣壁面型线曲率，这使得气流更容易发生分离。因此，开展轴向长度变化对中介机匣性能的影响规律和机制对紧凑型中介机匣设计至关重要。

Duenas等针对无支板压气机中介机匣研究了100%、74%和64%三种不同中介机匣轴向长度对其性能的影响，如图8所示。结果表明，当中介机匣长度减小时壁面逆压力梯度增加，壁面附面层出现分离，总压损失随之增大，且轮毂附近流动损失高于机匣。作者同时强调，分离尺度会受进口雷诺数影响，由于顺压力梯度的存在，中介机匣流道内存在再层流化现象，因此为准确评估压气机中介机匣的气动性能，应在发动机真实雷诺数范围内开展研究。李斌等和吴亚东等的研究同样显示增大中介机匣长度可以降低损失，提升其气动性能。

图8 三种不同轴向长度的中介机匣几何示意图

作为压气机中介机匣流道的重要几何参数，径向落差比（ΔR/L）对压气机的几何尺寸、流场压力变化及流动结构起着重要作用。Kim等针对轴向长度和径向落差变化对中介机匣性能的影响进行了研究，结果表明缩短轴向长度和增加径向落差均会导致流道内的逆压力梯度增大，更容易诱使流道产生流动分离。冯旭栋的研究同样表明径向落差长度比越大中介机匣流动损失越大，并发现中介机匣出口的流场不均匀程度增加。辛亚楠等对一径向落差长度比为0.5的中介机匣的内部流动特征和损失特性进行了数值研究，结果表明大径向落差长度比中介机匣流道内轮毂面附近存在较大的逆压力梯度，受角区分离、马蹄涡、附面层迁移和支板尾迹的影响，在流道出口形成三个高涡量区域，如图9所示。

图9 中介机匣出口涡量和流线分布图

在欧洲“洁净天空2”（Clean Sky 2）计划支持下，Kasper等用油流实验研究了两种紧凑型压气机中介机匣内端壁的流动拓扑，两种中介机匣方案较当前负荷水平的长度分别缩短25%和50%，实验中作者在两相邻支板中间使用局部插板涂抹油流的方法，如图10所示。可以看出，在长度缩短25%的方案中轮毂处尚未出现分离，而在长度缩短50%的方案中后段开始出现分离的迹象。

图10 不同中介机匣长度时轮毂壁面流动拓扑

3.2 支板几何参数

支板的引入不可避免地会改变中介机匣内的压力梯度分布，其堵塞效应使中介机匣流道产生收敛-扩张通道面积，进而改变中介机匣的载荷分布规律和气动性能。掌握支板相关几何参数对中介机匣内部流动特征与性能的影响规律对带支板中介机匣设计至关重要，本节将针对不同支板几何参数对中介机匣的影响进行阐述。

中介机匣支板的最大厚度决定了其内部的各种管路附件的通过空间。且实际工程中希望在满足支撑强度和内部附件容纳空间需求下，要求支板的横截面面积尽量小。在对支板进行气动设计时既要保证其可以更好地提供辅助作用，还要求厚度影响带来的气动损失最小，因此，研究支板厚度的影响对带支板中介机匣设计中支板厚度的选取具有重要意义。

在支板厚度对中介机匣流场结构的影响方面，冯旭栋针对支板厚度和 弦长变化对中介机匣性能的影响进行了系统研究，结果显示支板的存在会加重流道损失，且支板厚度越大、弦长越长导致的总压损失越高。辛亚楠等的研究表明，支板厚度增大导致通道内马蹄涡和附面层迁移涡等显著增强，总压损失增加，且轮毂面附近的损失变化更显著。陈恩杰采用数值方法研究了双涵道压气机中介机匣支板的厚度对其气动性能的影响，结果显示支板厚度的增加导致流道面积减小，支板尾迹的影响和二次流强度变大，使中介机匣内外涵道的总压损失均会升高，主要损失来源为轮毂和机匣端壁附近的旋涡与附面层迁移。支板最大厚度与弦长之比一般在0.2~0.3，占据约80%的中介机匣流道长度范围，因此支板对压气机中介机匣流道产生的堵塞作用不可忽视。

支板对中介机匣内流动的影响机理等效于支板厚度引起的中介机匣有效流动面积的变化，从而改变了流道内的气流速度，影响了中介机匣内部的压力梯度分布。因此，通过调整中介机匣沿流向的面积分布，可以补偿支板造成的额外堵塞，这就是中介机匣设计中所谓的“面积律”方法。基于这一原理，英国剑桥大学的Naylor等和北京航空航天大学的阙晓斌等均建立了带支板中介机匣的轴对称等效方法，旨在尽可能保持无支板等效中介机匣轮毂壁面压力分布与带支板中介机匣相似。通过该方法能够将复杂的三维问题简化为二维轴对称问题，显著提升带支板中介机匣的设计效率。图11展示了该轴对称等效方法的示意图，其中δ表示机匣型线的偏移量。

图11 轴对称等效方法示意图

中介机匣流动损失同样受支板个数和位置的影响。冯旭栋对支板数目影响的研究发现，支板数目增加引起的流动损失的增加幅度呈现近似线性的变化，在亚声速情况下，该近似线性增长关系基本不随工况发生改变。Baloni等的研究也显示中介机匣动损失随支板数目增大而增加。刘飞对压气机中介机匣支板的轴向安装位置进行了研究，发现支板安装位置对中介机匣气动性能具有显著影响。针对中介机匣轮毂壁面曲率对附面层发展和分离的影响更为突出的问题，邓卫敏建立了以轮毂曲率为基准的支板轴向位置选取方法，研究了三种不同支板轴向位置（如图12所示）对中介机匣性能的影响。结果表明，随着支板位置从中介机匣进口向出口移动，中介机匣流动损失和出口流场不均匀度先减小后增大；对于存在喉部的中介机匣流道，建议支板应位于喉部之后，且不宜太靠近出口。

图12 三种不同支板轴向位置的中介机匣结构示意图

辛建池等和赵龙辉等通过实验测量研究了支板型线改型对压气机中介机匣性能的影响，改型支板与原型支板相比厚度基本保持一致，在弦长方向进行了延长，同时改变了前缘和尾缘的形状，改型前后的支板截面型线对比如图13所示,图14给出了Ma=0.4下原型支板和改型支板中介机匣的出口损失云图对比。可以看出与原型支板相比，改型支板中介机匣流道总压损失显著降低，流动分析结果表明支板形状改变的直接影响是减少了支板前缘的气流分离，对主流区域的影响非常小。动态压力测量结果显示改型支板消除了由原型支板导致的尾迹振荡现象。

图13 改型前后支板型线对比

图14 改型前后中介机匣出口总压损失对比

3.3 小结

无支板中介机匣通常具有四个主要设计参数，包括流道出口进口面积比（A_out/A_in）、无量纲长度（L/h_in）、径向落差长度比（ΔR/L）与平均半径比（R_m1/R_m2）。对于带支板中介机匣，则需要增加第五个参数，即支板的厚度与弦长比（t/c），上述参数的变化均可改变中介机匣的负荷能力和压力分布,比如减少中介机匣长度L、增加中介机匣入口到出口半径变化ΔR，或增加支板厚度与弦长比t/c，可以提高最大扩压能力，但会增加气流分离的可能性。目前研究中使用的中介机匣的设计参数范围通常为：L/h_in=2.5~5.5,ΔR/L=0.45~0.8,A_out/A_in=0.85~1.0，t/c=0.13~0.271。

表2给出了目前公开文献中具有一定代表性的中介机匣设计参数及其对应的气动性能指标，可为中介机匣的相关研究提供参考。

表2 典型的中介机匣设计参数及其气动性能

除了受自身几何参数的影响外，中介机匣的性能和流动特性还取决于不同的环境条件，因此研究入口来流条件的影响是十分必要的。在实际中，受飞行条件、上游流动分离、尾迹效应等因素的影响，压气机中介机匣的来流条件会发生改变，进而导致中介机匣工作在非设计工况，因此研究不同进口条件下中介机匣流场的流动特性、演化规律及相关机制，对高性能中介机匣的气动设计、提升中介机匣与上下游压缩部件的流动匹配特性具有重要意义。

4.1 进口马赫数/流量特性

中介机匣气体流量会随航空发动机实际运行工况发生变化，仅考虑中介机匣设计点的流动特性不足以评价其在全流量工况范围内对发动机性能的影响。当压气机和中介机匣共同工作时，压气机的流动不但受到自身阻塞流量的约束，还受到中介机匣最大流量的影响。同时，中介机匣亦会受到其与上下游压气机部件匹配特性的影响。因此开展压气机中介机匣全流量工况范围的工作特性研究，获得中介机匣非设计工况的性能变化规律以及相关机理，可为提高中介机匣全工况范围内的性能及其与上下游部件的匹配特性提供理论基础，对发动机部件间匹配选择和宽稳定裕度设计具有重要意义。

冯旭栋选取某大径向落差长度比（ΔR/L=0.7）的紧凑中介机匣为对象研究了来流马赫数的影响，结果显示马赫数的增加导致支板尾迹和流道壁面附近损失显著增大，总压损失上升。高丽敏等研究发现进口马赫数增大使得中介机匣出口非均匀度和总压损失增大，这是由于支板尾迹与流道端壁附面层相互作用所导致，且机匣端壁流动对马赫数变化的敏感度更高。卜焕先等的研究也表明随着出口气流马赫数的增加，流道壁面附近的旋涡增强，导致中介机匣总压损失增大，如图15所示。辛亚楠等研究了变马赫数工况对中介机匣性能的影响，发现随着马赫数的增大中介机匣角区分离减弱，但总损失呈增大趋势，且轮毂区损失对马赫数变化更为敏感。

图15 不同出口马赫数下中介机匣出口截面轴向涡量对比

赵磊等基于上下游匹配的思想提出了中介机匣节流特性的概念，从流动损失、出口畸变和阻塞流量三个方面对某压气机中介机匣在全流量工况范围的综合性能进行了研究。结果显示，中介机匣的出口总压损失和畸变程度随流量增加而升高；与下游压气机单独工作相比，压气机与中介机匣共同工作时的阻塞流量显著减小，而总压比特性分布基本保持不变，如图16所示。因此在中介机匣设计时应同时关注其设计点和非设计点性能，并保证足够的流量裕度，避免造成压气机和中介机匣共同工作时的阻塞流量裕度过低。

图16 压气机与中介机匣耦合工作与否的总压比特性对比

4.2 进口旋流特性

目前针对进口来流预旋条件对压气机中介机匣性能的影响机理尚没有被完全掌握。冯旭栋的研究发现合适的来流预旋角可以减小无支板中介机匣流道的流动损失，且存在最佳来流预旋角度，然而来流预旋会加剧中介机匣出口的流场不均匀度，如图17所示。

Bailey等研究了进口旋流条件对无支板压气机中介机匣性能的影响，作者采用移除上游压气机出口导叶（Outlet Guide Vane，OGV）的方法来引入进口切向预旋条件。研究发现中介机匣内的切向动量守恒，随着流道半径减小，切向预旋速度增加，在轮毂处的速度变化最为显著。此外，进口预旋的引入可改变中介机匣通道流向压力梯度，导致中介机匣总压损失升高。

以带有对称翼型支板的压气机中介机匣为对象，高丽敏等的研究显示进口预旋角增大对支板迎风侧影响较小，但却导致支板背风侧产生大分离，恶化支板角区分离，并加剧出口流场的不均匀性。

Walker等采用实验方法探索了带弯度的压气机中介机匣气动升力支板（aerodynamic lifting struts）消除来流预旋角度的可能性，分析显示气动升力支板对上游压气机出口导叶的气动性能有显著影响，而在消除来流预旋角度情况下中介机匣内并没有分离现象产生，中介机匣损失也没有因气动升力支板的引入而显著增加。

图17 出口位置的总压沿径向的分布

4.3 进口附面层/畸变特性

进气畸变对航空发动机的性能和气动稳定性有极大影响。在实际工作中，受到上游部件端壁附面层、尾迹及分离等现象的影响，发动机部件均不可避免地工作在非均匀进气畸变条件下。对于压气机中介机匣，研究其非均匀进气条件下的工作特性，掌握进口畸变条件对其内部流场结构和出口流场畸变特性的影响机制对发动机的性能提升至关重要。同时，研究结论可为修正均匀进气条件下压缩系统的气动设计提供参考依据，使设计结果更加接近真实工况，进而提高发动机的稳定性和性能。

Sonoda等采用实验与数值模拟相结合的方法研究了进口附面层厚度对带支板中介机匣流场的影响，结果表明进口附面层厚度会对中介机匣内部流动结构产生显著影响，尤其是在轮毂角区附近，如图18所示。在薄边界层进口条件下，流道出口截面上存在单涡结构，而在厚边界层条件下，出口旋涡区以对涡形式存在。随进口附面层增厚，轮毂附近总压损失增加，但中介机匣“净总压损失”（不包含进口附面层损失）无明显变化。同时作者指出附面层增厚导致的支板出口流动会造成下游部件的进口畸变条件，因此在中介机匣设计时需要考虑其对下游部件气动性能的影响以及上游部件的流动对中介机匣的影响。

图18 两种进口附面层厚度下轮毂和支板壁面流动拓扑对比

向宏辉等利用实验方法研究了进口径向畸变对中介机匣性能的影响，结果显示与均匀进气相比，畸变进气会增大流道内的径向压力梯度，进而改变流道曲率与流向压力梯度对端壁附面层的影响，同时会加剧支板尾迹的影响。庄皓琬等通过在轮毂附近设置20%叶高的扰流器来模拟大涵道比涡扇发动机中压气机中介机匣径向进气畸变效应，实验研究发现中介机匣对进口径向畸变的发展有显著改善作用，与进口截面相比，中介机匣出口附近截面的总压和总温分布更加均匀，且畸变度显著减小。

西北工业大学高丽敏团队关于径向畸变进气条件对压气机中介机匣的影响开展了较为系统的研究，包括畸变进气与均匀进气条件对中介机匣性能和流场的影响对比分析、中介机匣畸变效应评估参数的提出、进气畸变的响应特性和传递特性及其相关机理等。研究发现中介机匣对径向进气总压畸变具有放大效应，导致内部的流动损失升高。随着进气畸变范围增加，中介机匣损失变化较小，而出口总压分布以及低压区的范围则发生明显变化；轮毂低总压区能够抑制支板角区分离，而机匣附近的低总压区则恶化了支板角区分离。此外，发现畸变进气条件下的中介机匣内部流动损失和出口流场畸变程度均大于均匀进气条件，如图19所示，因此在对中介机匣气动设计方案性能评估和工作特性分析时，应考虑实际来流条件对中介机匣性能的影响。

图19 不同进气条件下中介机匣总压恢复系和出口径向畸变指数分布随流量的变化

茅晓晨等选取一超紧凑压气机中介机匣（∆R/L为0.71）为对象，研究了进气径向畸变条件对该中介机匣流动特性的影响机制，结果表明进气畸变条件下的中介机匣内部流场结构较均匀进气显著不同且更为复杂，进气畸变下中介机匣出口流场高总压损失与畸变主要来源于轮毂表面附面层分离产生的旋流和支板角区分离的共同作用，图20给出了不同进气条件下中介机匣出口截面总压恢复系数分布对比。

图20 不同进气条件下中介机匣出口截面总压恢复系数分布

4.4 上游尾迹影响

上游压气机的尾迹使中介机匣进口条件变得更为复杂，尾迹中存在的径向压力梯度和复杂涡系与中介机匣流道壁面附面层发生相互作用，影响附面层的发展、分离范围和压力梯度的分布，进一步影响中介机匣的性能。因此研究上游压气机尾迹的影响规律和机理将对高性能压气机中介机匣的设计和流动控制的实施有重要意义。

Britchford等早在1993年就开始了上游压气机流动对中介机匣流场特性的影响研究，解释了流向涡的生成机理。研究发现，对于无支板和带支板的两种压气机中介机匣，受径向压力梯度影响，上游静子尾迹的存在使中介机匣近轮毂壁面的附面层获得新的能量，轮毂附近的流动分离趋势减弱，而尾迹的掺混导致流动损失增大。随后，Bailey等通过实验研究了上游压气机尾迹存在与否对压气机中介机匣性能的影响，得到了类似的结论。

Wallin等在发动机真实产品细节特征对中介机匣性能影响的研究中，发现上游导叶的尾迹会导致中介机匣的总压损失上升，实验和数值结果均验证了该结论。2010年，英国剑桥大学的Karakasis等开展了上游压气机级的存在对中介机匣性能影响的深入研究。分析表明，上游压气机级的存在使中介机匣损失增大54%，这是由于来流静子尾迹在中介机匣轮毂的汇集使近轮毂附近形成了反向旋转的“流向涡对”，促使了壁面边界层流动向主流汇入，从而增加了掺混损失，如图21所示。图22给出了上游压气机级存在时中介机匣内部由上游尾迹诱导的流动结构示意图。

图21 有无上游压气机级时中介机匣出口总压分布的实验和数值结果对比

图22 进口尾迹存在时中介机匣内部流动结构示意图

辛亚楠等开展了上游静子尾迹对紧凑型中介机匣气动性能影响研究，得到了类似的结论。受上游静子尾迹影响，在中介机匣近轮毂壁面形成“流向涡对”，导致中介机匣的总压损失较无上游静子尾迹时增大约41%，且主要来源于轮毂面附近。魏崇等通过实验研究发现，上游气动探针尾迹对中介机匣性能和流场的测量结果有很大影响，且影响程度会随着气流马赫数的增大而变强。

Walker等研究了大涵道比涡扇发动机风扇根部二次流对发动机分流环处静子（Engine Stator Splitter，ESS）和中介机匣的影响，如图23所示。结果显示风扇转子进口附面层厚度及旋流畸变强度的增加对中介机匣内的流动影响较小，其中附面层厚度的增加导致分流环处静子的尾迹增强，使主流与轮毂边界层的掺混效应增强，推迟了中介机匣的气流分离，但使得中介机匣总损失增加约12%。整体来看，转子根部二次流和转子进口畸变对中介机匣的影响较小。

图23 大涵道比涡扇发动机转子根部影响示意图

Tsakmakidou等通过改变转子进口条件促使轮毂附近的气流掺混，尽管转子总压损失增大，但减弱了中介机匣内的分离趋势，为更紧凑的中介机匣设计提供了思路。随后，该团队将中介机匣长度缩短了12.5%并进行了实验验证，结果显示尽管分流环处静子中的损失有所增加，但中介机匣中的分离消除，损失降低，因此并没有导致总体性能下降，该设计对航空发动机耗油率和碳排放的降低提供了新的思路。

尽管上游压气机的尾迹会增加中介机匣内部流动损失，但同时也会带来一定收益。主要体现在：（1）湍流掺混可促进主流向附面层的动量传递；（2）径向压力梯度可促使来流低动量尾迹向轮毂迁移，尽管尾迹对应的总压低，但其仍然高于边界层流体，因此对边界层流体有一定激励作用。因此，实际中可利用上游尾迹的综合影响进行紧凑中介机匣的方案设计。

已有研究还显示，压气机中介机匣性能同样会受进口雷诺数的影响。Duenas等研究了无支板压气机中介机匣进口雷诺数对其性能的影响，当流道内未发生分离时，雷诺数的影响较小，然而当出现分离时，进口雷诺数大小对分离范围和损失大小有显著影响。作者指出，现有大部分中介机匣研究中的雷诺数（2.0×10⁵左右）低于真实环境下的雷诺数范围（7.0×10⁵~1.0×10⁶），因此为准确评估中介机匣的气动性能，应在发动机真实雷诺数范围内进行研究。刘宝杰等发展了一种保证雷诺数等多种相似准则并同时考虑压缩性的压气机中介机匣低速模拟方法，与几何简单放大的低速计算结果相比，通过低速模拟得到的中介机匣壁面附面层的发展过程及损失发展趋势均与高速原型更加接近，证实了该方法可用于开展中介机匣低速大尺寸情况下的实验研究。

4.5 出口畸变对下游部件的影响

压气机中介机匣会受到上游低压部件流动的影响，如叶顶泄漏流、分流环前缘滞止作用、叶根角区附面层流动和角区分离涡等流动特征，导致其上下流道壁面附近的总压降低；此外中介机匣本身具有的大曲率的“鹅颈”流道特征和流道内支板的存在会进一步恶化其出口畸变程度，从而对中介机匣下游的高压压气机造成不利的进口条件。因此研究中介机匣出口畸变特性及其对下游压缩部件的影响是十分必要的。

研究表明，中介机匣出口流场畸变会削弱下游压气机性能，周向畸变不仅会降低压比，改变流量，畸变严重时亦会导致效率下降。径向畸变的影响取决于畸变位置，实验显示：轮毂畸变会减少换算流量，而尖部畸变则使得换算流量增加。在畸变强度的影响方面，失速裕度随畸变增强而降低。同时，相同流量下，最大压比也会减小。对于畸变范围，单一畸变区的稳定工作最大压比随畸变角度范围增大而下降，但超过临界畸变角后，影响趋于稳定。中介机匣出口畸变会显著降低压缩系统的稳定裕度，这是因为畸变区气流以较大攻角进入下游转子叶排，使局部区域先于整体达到失速条件，从而提前触发失速。若进口总压畸变绕发动机轴旋转，其方向也会影响失速裕度；通常，反向旋转可提高裕度，而同向旋转则会降低裕度。综上，中介机匣出口流场对压气机性能和稳定性至关重要。因此，研究中介机匣出口流场畸变的影响，对提升中介机匣与下游压缩部件的匹配性能和提升压气机稳定性具有重要意义。

在压气机中介机匣畸变效应的研究方面，西北工业大学高丽敏团队提出了中介机匣畸变效应的评估方法，包括总畸变指数和畸变范围指数，用于定量描述进出口流场的畸变程度和范围。同时，还提出了畸变范围传递指数和畸变传递指数，研究了某小型涡扇发动机中介机匣在不同进气畸变条件下的畸变效应。结果表明，进气畸变对中介机匣的损失影响较小，但对出口流场品质的影响显著。轮毂低总压区有利于抑制中介机匣畸变效应，而上环壁低总压区则会恶化畸变效应。具体而言，下环壁低总压区能够抑制支板下环壁处的角区分离，从而抑制出口截面畸变程度的进一步恶化；而上环壁低总压区则会恶化支板下环壁处的角区分离，导致出口截面畸变程度的加剧。

调研显示，关于紧凑型中介机匣出口流场对下游压气机部件影响的公开研究较少。国内吴思宇等研究了带支板中介机匣不同出口流场对压气机性能的影响，研究发现支板造成的堵塞及其对压气机进口流动的扰动使其流量和效率下降，导致设计点压比降低；除下游进口导叶和末级静子外，其他排静子性能在有无支板时差距不大。此外，王琦等研究发现中介机匣支板的存在会形成强烈的尾迹效应，形成的涡脱落会对下游正后方及侧方进口导叶产生激励作用，从而诱发共振并导致叶片疲劳断裂。

Dygutsch等的研究表明高压压气机受上游中介机匣流场影响的主要原因是，中介机匣内部复杂的二次流结构和流动分离会影响高压压气机进口气流的流场品质，导致高压压气机效率降低，尤其是在中介机匣长度缩短后影响更为显著。研究还发现中介机匣出口流场的非均匀性会影响进入高压压气机的气流质量流量分布，导致高压压气机叶片载荷分布的不均匀，从而影响高压压气机的失速裕度。因此，作者认为通过优化中介机匣的形状和尺寸、低压压气机和高压压气机叶片的几何参数，可以有效地降低中介机匣对高压压气机的影响，并提高压缩系统的效率和失速裕度。

John等研究了上游风扇进气条件（均匀进气、轮毂径向畸变、周向畸变）对中介机匣和下游低压压气机的影响，上游中介机匣的流场畸变会显著影响下游低压压气机的性能。风扇径向轮毂畸变对低压压气机的影响最大，而叶尖畸变的影响较小。均匀来流对低压压气机的性能最有利。因此，在中介机匣设计时，应尽量减小出口流动畸变以提高下游压气机的性能。可以通过优化中介机匣的形状和支板的设计来减少涡流的形成和迁移，也可以通过在中介机匣中引入湍流增强措施来提高边界层的抵抗分离的能力。

作为连接上下游压缩部件的气动结构，压气机中介机匣的出口流场品质对下游高压压气机的高效、稳定工作有显著影响。尤其是目前多转子发动机中，低压压气机的转速受风扇叶尖速度的限制。为了实现更高的级功率、保持合理的效率并维持较高的叶尖速度，低压压气机和高压压气机都需要设计成具有更大的径向偏移量，来自低压压气机的气流必须通过中介机匣转向下游高压压气机，在这一过程当中应尽可能保证不发生流动分离。因此，中介机匣的长度会受到流道内潜在流动分离的限制。由于二次流的影响，中介机匣通道内可能会出现流动分离，并随着涡流的发展逐渐扩散至整个通道，最终导致流动质量下降。因此，控制流动分离至关重要。

为了改善中介机匣性能，降低内部流动损失，减弱中介机匣出口流场对下游高压压气机部件的影响，可在中介机匣内部应用流动控制方法，比如：对称/非对称端壁造型设计、涡流发生器、壁面引气（抽吸）等。本节将针对三种常见流动控制方法的应用概况进行介绍。

5.1 端壁造型

端壁造型技术是一种利用型面局部凹凸性改变端壁附近静压分布的流动控制技术，经过合理设计可以削弱端壁附近的二次流，抑制角区分离，减少端壁附近的流动损失。Wallin等采用四个控制参数对一个压气机中介机匣进行了轴对称端壁造型优化设计，结果显示端壁优化可以显著降低中介机匣损失，主要得益于优化后流道面积的变化在一定程度上降低了受支板影响导致的堵塞效应。

自20世纪70年代被首次提出，非轴对称端壁造型技术已被证实是控制端壁二次流效应影响的有效方法之一，并在叶轮机械领域受到越来越广泛的关注，该技术通过局部调整端壁的曲率变化有针对性地削弱角区分离对流场的恶化。由于带支板高负荷压气机中介机匣流道内通常存在轮毂和支板角区分离，因此应用非轴对称端壁造型是提升带支板压气机中介机匣的性能的有效手段之一。

为了消除中介机匣支板与轮毂角区分离，降低流动损失，Naylor等采用非轴对称端壁造型和优化相结合的方法探索了其改善高负荷中介机匣性能的潜力。作者首先研究了轴对称端壁造型控制效果，结果显示造型后轮毂和支板角区分离减小的同时，远离支板的流道中部损失有所增大，而采用非轴对称端壁造型方法避免了该现象，使中介机匣总压损失降低16%，消除了轮毂和支板角区的分离，如图24所示。此外，通过进一步研究发现，应用非对称端壁造型可在总压损失仅增大11%前提下使中介机匣的径向落差长度比提高34%，显著提升了中介机匣的安全设计空间。

图24 非轴对称端壁造型前后支板表面流动拓扑和

出口总压损失实验结果对比

为了掌握上游压气机级是否会改变应用端壁造型技术的中介机匣的设计空间边界，Karakasis等开展了上游压气机级存在与否对轴对称和非轴对称端壁造型中介机匣性能的影响研究，其中非轴对称端壁造型中介机匣（ΔR/L=0.625）较轴对称端壁造型中介机匣（ΔR/L=0.50）的长度缩短了20%，如图25所示。分析表明，对于轴对称端壁造型中介机匣，上游压气机级的尾迹与轮毂边界层相互作用在端壁附近诱导出新的涡系，增强的边界层流体与主流的掺混效应导致中介机匣损失增大54%。而对于非轴对称端壁造型中介机匣，来流尾迹诱导的“流向涡对”起到了“激活”轮毂边界层的作用，使之获得新的能量，降低了支板二次流损失，如图26所示，与原型中介机匣相比，净损失仅增加28%，证实了应用非轴对称端壁造型技术可在不明显增大损失前提下获得更为紧凑的中介机匣设计。

图25 轴对称与非轴对称端壁中介机匣流道型线对比

图26 有无上游压气机级存在时非轴对称端壁造型

中介机匣近轮毂流线对比

金东海等基于正交设计实验（ODOE）提供的数据库结合自适应遗传算法（AGA）和人工神经网络技术（ANN）的优化方法开展了压气机中介机匣轴对称端壁造型和非轴对称端壁造型的优化设计研究，结果显示合适的轴对称和非轴对称端壁造型，均可减少轮毂和支板角区分离，其中在轮毂和机匣处同时采用非轴对称端壁造型可以完全消除轮毂角区分离，中介机匣损失减少32.7%，而在轮毂处应用非轴对称端壁造型方法是一种改善中介机匣性能的更有效方法，其优化设计流程图如图27所示。

图27 端壁造型优化设计流程图

茅晓晨等开展了畸变进气条件下非轴对称端壁造型方法对中介机匣流动特性和节流特性的影响研究，作者采用基于三角函数的非轴对称端壁造型方法有效消除了支板角区分离，使全流量范围内的中介机匣性能得到提升，且畸变进气下轮毂端壁造型对中介机匣节流特性的影响规律与均匀进气不同。图28给出了采用非轴对称端壁造型方法得到的轮毂造型后型面波动高度分布，图中A×δ的A代表波动幅值，δ为轴向波动和周向波动共同决定的造型高度。

图28 轮毂造型后型面波动高度分布

为了借助非轴对称端壁造型技术进一步缩短压气机中介机匣轴向长度，Stürzebecher等对带一体化出口导叶的紧凑中介机匣进行了优化改型设计，优化过程分为两步。在第一步中，通过参数化方法尽可能地缩短中介机匣的轴向长度，在允许通道端壁稍有分离前提下使轴向长度缩短19%。第二步以第一步优化结果为初始方案，固定中介机匣轴向长度，应用非轴对称端壁造型方法，并耦合支板和出口导叶的叶片优化技术，最终获得的优化方案使得原始方案的流场分离和损失减小，两次优化方案的流场对比如图29所示。

图29 两次优化后中介机匣流场结构对比

5.2 涡流发生器

涡流发生器（Vortex Generators，VG）是一种被动控制装置，可以有效地控制附面层分离，已在飞行器机翼、机身和进气道等部件上得到广泛应用。其通过促使主流高能流体与附面层内低能流体进行能量交换，增大附面层内低能流体的动能，进而达到减弱或消除附面层分离的控制效果。彭俊飞的实验研究表明合理选取涡流发生器参数可减小压气机中介机匣内部的流动分离，改善出口流场品质。胡书珍利用涡流发生器对一种超紧凑涡轮中介机匣内部的流场进行了调控研究，发现该方法可有效抑制中介机匣机匣附近的气流分离，总压损失降低4.1%。同时作者指出，在安装涡流发生器时，要考虑来流气流角，并将涡流发生器的安装角对准来流，且每个通道内安装涡流发生器的数目会影响控制效果。为了借助涡流发生器的调控作用达到缩短压气机中介机匣长度且不降低其气动性能的目标，卜焕先采用涡流发生器方法来抑制轴向长度缩短导致的压气机中介机匣上壁面“二弯”（见图5）附近的流动分离。研究中引入了两种不同布置方式的涡流发生器：对旋式涡流发生器和同旋式两种涡流发生器，如图30所示，其中a，b，γ，s分别代表涡流发生器的高度、长度、攻角和间距。研究发现采用涡流发生器后，中介机匣上壁面附近的气流分离范围有所减小，但并不能完全消除，如图31所示。

图30 涡流发生器示意图（左：对旋式；右：同旋式）

图31 控制前后中介机匣内部流场的马赫数云图对比

5.3 端壁引气

引气系统是保证航空发动机正常运行的重要辅助系统之一，它将自压缩系统引出（抽吸）的空气用于改善飞机机舱环境和发动机相关部件的工作环境，比如：飞机机翼和发动机进口防冰，热端部件冷却与间隙密封等。此外，在低压压气机和高压压气机中间开展引气是改善发动机非设计转速性能的常用手段之一。

Prantl于1904年在提出附面层理论的基础上指出，采用抽吸流动控制技术可以推迟或消除流动分离，并在某二维扩压器中进行了实验验证，如图32所示。将端壁引气（抽吸）与附面层分离控制相结合时也被称为附面层吸附或附面层抽吸技术，在压气机中应用时可有效减弱或消除叶片附面层分离和通道低能流体堆积现象，被认为是提升高负荷压气机设计极限的有效手段之一，为设计高性能、高负荷压缩系统提供了新的思路，这样既可以满足空气系统必需的引气量，又可以减弱压缩系统内部的流动分离进而提升压缩系统的级负荷。Kerrebrock于1997年正式提出吸附式压气机概念，并指出与常规气动布局压气机相比，吸附式压气机在提升级负荷方面具有极大潜力。

图32 抽吸前后二维扩压器中的流动结构对比

（白色箭头代表抽吸位置）

受逆压力梯度和流线曲率的影响，紧凑型压气机中介机匣轮毂易发生气流分离，而将抽吸技术与中介机匣设计相结合为开展高效超紧凑型压气机中介机匣设计提供了新的思路。基于此，英国拉夫堡大学的Walker等对带轮毂抽吸的紧凑型压气机中介机匣流动特性进行了研究，并在上游设置单级轴流压气机来为中介机匣提供真实进口条件。首先，作者对上游低压压气机出口导叶与中介机匣支板进行了一体化设计（Integrated OGV，IOGV），使中介机匣性能基本不变前提下，成功将流道长度缩短了21%。在此基础上，通过在轮毂壁面进行一定量的引气,使壁面附面层重新具有较高的能量并附着于壁面,进一步提升了中介机匣负荷。实验结果显示与传统中介机匣相比,在5%引气量下，基于轮毂端壁抽吸的中介机匣结构可将轴向长度缩短30%~40%，总压损失降低约20%。图33给出了常规方案、IOGV方案和引气方案的中介机匣长度对比。此外，在过渡轮毂引出的气体压力较低压转子出口引出的气体高，可满足冷却、密封和通风等需求，这意味现阶段发动机引气位置可以采用中介机匣轮毂引气方案来代替，对未来发动机的引气方案设计提供了新的思路。

图33 常规方案、IOGV方案和放气方案的中介机匣长度对比

卜焕先的研究发现压气机中介机匣上壁面附面层对流道长度缩短更为敏感，易在流道“二弯”（见图5）附近发生分离，采用较低的抽吸量可将原来位于机匣壁面流道“二弯”附近的分离区几乎消除，从而改善流场品质，如图34所示。在抽吸量为1.7%时，平均总压恢复系数提高0.62%。

图34 抽吸控制前后中介机匣内部流场的马赫数云图

近年来，瑞典查尔姆斯理工大学的Siggeirsson等在压气机中介机匣引气方面开展了较为系统的研究。首先，采用数值和实验相结合的方法研究了在压气机过渡前机匣端壁进行引气对中介机匣性能的影响。结果表明不合适的引气量可能会导致中介机匣流道发生流动分离的风险，使中介机匣性能变差，并指出引气量应该根据下游高压压气机的需求来确定。在低引气量下，CFD仿真结果和实验吻合较好，在大引气量下，引气通道中的气流不稳定性会导致强烈的局部效应，引起静压波动且收敛性变差。作者的研究还表明采用分离涡模拟方法（Delayed-Detached EddySimulation，DDES）可以得到较RANS和URANS方法更符合物理流动的仿真结果。随后，作者在一体化中介机匣性能的数值计算中考虑了对全部抽吸系统的建模和仿真，其中带引气结构的一体化中介机匣示意图如图35所示，图36给出了引气系统的详细建模结构。作者基于DDES方法的数值研究表明在大引气量时中介机匣的性能受到显著影响，这是由于引气扰动效应增大了低压压气机OGV的进口攻角和流动分离，恶化了中介机匣进口速度分布，且随着引气量的增加分离加重。作者还指出，当考虑全部引气系统时，会导致显著的周向畸变，这也进一步显示出采用一体化设计的必要性。

图35 带引气结构的一体化中介机匣示意图

图36 引气系统的详细建模结构

Spanelis等采用非定常数值方法（URANS）和实验手段系统地开展了引气结构对上游低压压气机末级与无支板中介机匣性能的影响研究，其中引气位置位于末级转子和OGV之间的机匣处，如图37所示。研究发现当引气量低于25%主流流量时，引气效应影响可以忽略，当引气量高于25%主流流量时会使整个压缩系统的性能显著恶化，而10%的引气量可以使中介机匣内的损失降低28%。此外，引气诱导的径向气流畸变对OGV的载荷分布有显著影响，同时也决定了OGV中的失速类型。

图37 带引气结构的计算模型和边界条件设置

黄崧等研究了在压气机中介机匣的支板和轮毂采用抽吸对其内部流动分离与性能的影响，结果显示仅在轮毂采用抽吸技术可以显著降低中介机匣损失，并获取了轮毂最佳抽吸位置，其中采用3%进口流量的抽吸量，可使中介机匣总压损失降低30%。在采用总抽吸量相同的组合抽吸方案中，即支板和轮毂端壁分别采用0.5%和2.5%的抽吸量时，最佳组合抽吸方案使损失较单独轮毂抽吸进一步降低1.6%。

5.4 小结

非轴对称端壁造型技术能够有效消除轮毂-支板间的角区分离，从而可支撑更紧凑型中介机匣的设计；然而从公开文献看，针对中介机匣的大多数研究主要关注对支板附近轮毂型线的端壁造型设计，并未考虑对机匣型线的端壁造型设计。因此，为了进一步拓宽中介机匣的工作范围，在轮毂型线端壁造型设计基础上，有必要开展机匣型线端壁造型以及轮毂和机匣型线同时进行端壁造型的深入研究。

涡流发生器是一种有效的气流分离控制技术，但从目前的研究可以发现涡流发生器多为固定不可调机构，难以灵活适用于多工况工作。因此，在涡流发生器设计时，需要进行多工况优化设计确定能够满足宽工况范围高效工作的最佳设计参数，否则可能导致某些工况下分离加剧和性能恶化。此外涡流发生器的安装可能会受到中介机匣结构和空间的限制，安装的位置和数量难以达到理想状态。

端壁引气技术是可以显著提升压气机中介机匣性能和降低其轴向长度的有效手段之一，但是控制效果与引气位置及引气量密切相关，过大的引气量会对中介机匣及其上下游部件产生不利的影响，因此应用端壁引气技术前需要综合评估其影响来获取最佳的引气方案。

结构越来越紧凑是压气机中介机匣未来的发展趋势，这对发动机推重比的提升至关重要。然而，中介机匣的结构越来越紧凑意味着其内部流场更易发生分离，导致中介机匣的损失增大，支板结构的出现会加剧中介机匣流场和性能的恶化，并对下游部件产生极为不利的影响，而且下游部件也会对压气机中介机匣的性能产生显著影响。此外，中介机匣对上游压气机性能也会产生影响，Chiang等的研究发现下游静叶和支板导致的非定常势流效应会引发上游压气机转子叶片的强迫响应。另外，研究显示压气机中介机匣中采用升力支板可以消除中介机匣出口涡流，减小压气机上游末级的气动负荷。

可见，受自身内部复杂流动和上下游部件干涉效应的影响，高负荷、低损失、超紧凑压气机中介机匣的气动设计将面临更大的挑战。为减少上下游部件对中介机匣造成的流动损失，提升压气机中介机匣的设计空间，采用上下游部件和中介机匣一体化设计的思想受到越来越多的关注，这对提高中介机匣与高、低压压气机的流动匹配特性具有重要意义，是获得高效超紧凑压缩系统的可行途径之一。

为了能够适应未来航空发动机更大涵道比和超高增压比的发展趋势，压气机中介机匣设计人员开始聚焦于发展压气机中介机匣的一体化新设计方法，来实现航空发动机更低耗油率和更加环保的发展愿景。本节将主要介绍压气机中介机匣的参数化方法、造型设计方法、优化设计方法以及一体化设计思想等。

6.1 几何参数化与造型方法

压气机中介机匣壁面压力梯度不仅影响其壁面边界层的发展，同时也是其内部分离损失产生的主要原因，因此中介机匣设计的关键在于控制其壁面的压力分布。壁面压力同时受壁面进出口曲率及流道面积轴向分布的影响，使中介机匣设计所涉及的参数较多，若缺乏有效的描述方式，很难将中介机匣的几何特征与气动性能进行有效地关联。发展高效高精度的中介机匣几何参数化方法，采用更少的控制参数实现中介机匣的精准几何描述，建立几何参数与中介机匣性能之间的关联，对研究和掌握中介机匣的设计规律至关重要，同时也有助于完善压缩系统的设计体系。

国外已发展了很成熟的压气机中介机匣设计方法，而国内在这方面的起步较晚。近年来，越来越多的国内研究人员开始重视压气机中介机匣设计方法的研究。2010年，阙晓斌等提出了“半程落差比”的概念，将压气机中介机匣流道几何表示为内壁半程落差比及控制点面积比两个变量的函数，建立了中介机匣流道几何的参数化描述并可以较好地控制中介机匣壁面压力梯度的分布，考虑上述两个变量对设计规律影响的研究发现，使中介机匣负荷前移，减缓后半程的逆压力梯度和采用先扩张后缩的流道面积分布有助于减小中介机匣流动损失。

单鹏等提出了一种控制壁面压力梯度的中介机匣半反问题设计方法，通过调整反问题设计参数，可自由控制内壁面的静压分布与壁面几何，然后再对外壁面几何进行数值匹配，能够很好地实现所设计的内壁面上的静压分布，并通过设计算例进行了验证。屠秋野等提出了基于S型内壁曲线拐点相对位置、面积分布率极值及其极值点位置三个控制参数的S型曲线中介机匣造型方法，首先根据进出口几何约束和内壁曲线拐点相对位置得到内壁面曲线造型，然后根据面积分布率极值及其极值点位置参数匹配得到外壁面曲线造型，且研究表明面积分布率极值是影响中介机匣性能最重要的因素，通过改变该参数极值，可以控制最大面积处的流动，抑制附面层的发展。

邓小明等利用三点NURBS曲线参数化方法进行了中介机匣二维方案设计，为三维数值优化提供了更优的寻优空间，且流道型线与三维优化结果吻合较好，有效地减小了三维计算量，缩短了设计周期。此外，冯旭栋和邓小明分别给出了单涵道和双涵道中介机匣的设计及优化方法，实现了落差长度比高达0.7的压气机中介机匣设计，且总压恢复系数能达到0.99，已较好地实现了低流动损失的紧凑型中介机匣设计。

杨金广等采用圆弧-直线-圆弧型线来描述压气机中介机匣中的轮毂线，提出了一种可获得压气机中介机匣几何的快速设计方法，如图38所示。随后通过给定沿中介机匣中线的流道宽度分布确定压气机中介机匣的机匣型线，并考虑支板堵塞效应对型线进行修正，最后作者通过算例验证了该方法的有效性。

图38 中介机匣扩压型面的造型方法示意图

6.2 支板掠型设计

作为控制端区二次流的重要手段和现代高性能压气机设计中常用的叶片三维造型技术，掠型叶片技术已经在压气机和风扇的扩稳增效方面得到广泛应用。因此，针对压气机中介机匣的支板进行合理的掠型设计将有助于改善端区流动，降低支板与端壁的角区分离程度，减小流动分离损失，提升中介机匣的气动性能。

李斌等通过实验研究了支板根部前掠的影响，结果显示在给定优化壁面型线下，支板根部前掠会增大流向压力梯度，导致性能下降，损失增大。冯旭栋的研究则表明采用斜置支板的压气机中介机匣比正置支板的流动损失更低，一方面的原因是斜置支板尾缘靠近轮毂的位置距离中介机匣出口较远，一定程度上避开了由于轮毂凹曲率造成的高压区域；另一方面斜置支板暴露在流道中的表面积更小，如图39所示。然而，吴亚东等的研究也发现，在不改变流道面积分布和流道型面情况下，支板前掠会导致中介机匣性能恶化，损失增大。刘飞对压气机中介机匣支板掠角的影响研究表明，当后掠角为0°时中介机匣的性能最高，其中掠角的定义如图40所示。

图39 支板的布置形式示意图

图40 支板掠角定义示意图

6.3 优化设计研究

中介机匣的主要设计目标是尽可能为下游部件提供均匀分布的来流，同时使上游气流经过中介机匣的压力损失降至最低。而随着未来先进航空发动机对更紧凑型中介机匣的迫切要求，仅采用以往的传统设计方式已经难以平衡紧凑造型和良好气动性能的矛盾，因此中介机匣优化设计研究已成为压气机中介机匣气动设计中的主要方向之一。

Wallin等建立了由4个独立参数描述的压气机中介机匣几何参数化方式，并采用响应面代理模型法对带8个支板的中介机匣流道进行了优化设计研究，在给定出口气流径向分布约束的情况下，基于序列二次规划优化搜索算法优化后损失系数减小了24%。吴亚东等基于遗传算法和Kriging代理模型方法对一个带支板压气机中介机匣进行了优化设计，并对优化进行了实验验证，优化结果较原始中介机匣具有更低损失，且出口径向参数分布更加均匀，且轮毂壁面的压力分布更加光滑。作者分析后指出，中介机匣轮毂型面是影响中介机匣性能的更关键因素。鹿哈男等同样基于遗传算法和响应面模型开展了无支板压气机二维中介机匣的优化设计，选取与径向落差和轴向长度相关的两个控制参数，目标函数为总压损失系数，其中初始中介机匣方案的径向落差长度比较目前发动机中介机匣的设计极限高11.6%，优化结果显示在保证更均匀的出口参数分布前提下使总压损失降低36.9%。图41给出了优化前后中介机匣静压分布，可以看出压力梯度降低，流动分布更加合理。

图41 优化前后中介机匣流道内静压分布对比

Sharma等基于多目标优化算法，选取二维压气机中介机匣平均半径、径向落差和型线拐点相对位置三个优化变量，以总压损失系数和出口非均匀因子为目标函数，最后得到的中介机匣优化方案相对于原始方案在轴向长度缩短14.74%前提下，总压损失系数和非均匀因子分别降低28.8%和36.67%。

在中介机匣的优化设计中，采用全三维优化设计方法可给出更高精度和可靠性的优化结果，但三维优化中优化参数搜索空间的给定对经验要求较高，参数变化范围太小会无法覆盖最优方案，若太大将显著增加计算量。

为了解决上述矛盾，高丽敏等发展了结合气动评估与优化算法的带支板压气机中介机匣的分步设计方法，在不同设计阶段采用不同维度的优化设计方法，来提高设计过程的高效与高精度。在初步设计阶段，通过求解二维子午平面上的速度梯度方程结合遗传算法，对中介机匣流道几何进行筛选，利用其计算成本低的特点可以在参数化空间中进行大范围的搜索，快速得到最佳初步结果。在三维设计阶段，利用求解三维N-S方程并与优化方法相结合，获取高精度的局部最优解。作者研究还发现，对于进出口面积相同的中介机匣设计，沿流动方向先增后减的面积变化有助于减小中介机匣支板后半段的高损失区域，这与Ghisu等的研究结论一致；此外，中介机匣流通面积扩张度有一个最佳值，该值受到支板型面、进出口面积比等因素共同影响。

随着壁面型线控制点的增加，优化算法的效率也是今后设计过程中需要重点考虑的因素，因此在优化过程中可以采用并行计算提高优化设计效率。此外，在设计优化过程中建议考虑中介机匣上游的实际来流情况，以更好地保证各部件的流动匹配性，提高整个压缩系统的总体性能。

6.4 考虑部件匹配的一体化设计

考虑部件间的耦合特性进行上下游部件一体化设计是缩短航空发动机尺寸的有效技术途径之一。Britchford等以带分流环的双涵道压气机中介机匣为对象，探索了将上游风扇出口导叶（OGV）与下游中介机匣进行耦合的新设计方法。充分考虑上游压气机OGV流动及其对中介机匣性能的影响，将周向倾斜的OGV布置在中介机匣的第一转弯位置，降低当地轮毂附近的载荷，其中周向倾斜可以更好地帮助中介机匣实现气流沿径向向内的偏转。通过将OGV与中介机匣流道进行一体化集成设计，可以利用导叶的径向力分量辅助气流在弯曲段中的转向，从而在轮毂处施加径向向内的压力梯度，减轻了轮毂边界层的压力负荷，即使在高涵道比和低流量下依然保持边界层附着，未发生明显分离，因此采用该方法可显著缩短压缩系统长度。此外，实验研究表明一体化设计后的损失主要来源于OGV及其尾迹掺混，主导损失集中在OGV入口至出口段，第二损失源是由OGV尾迹在其出口至内涵道入口之间的掺混导致。因此，一体化设计时需要考虑上游压缩部件的流动及其向下游传播的影响，如图42和图43分别给出了一体化设计方案的示意图和带周向倾斜的OGV实物图。

Britchford等的工作在推动上游出口导叶与中介机匣一体化设计方面具有开创性意义，但是该研究中OGV的排布方式较单一，实验仅测试了一种OGV方案（最大倾斜角约49°），未探讨叶型变化、稠度、轴向位置等设计自由度对流动结构与损失的影响，也缺乏对一体化设计的参数敏感性分析。此外，研究对尾迹行为的影响分析不深入，虽指出OGV尾迹是主要损失来源，但并未对尾迹的厚度、涡量分布、能量谱演化等高阶统计量进行分析，且没有详细讨论尾迹混合的非定常机理，对OGV尾迹在中介机匣中如何传播、如何耗散也缺乏深入分析。

图42 OGV与双涵道结构中介机匣的一体化设计方案

图43 带周向倾斜的OGV

为了进一步缩短压缩系统部件的轴向长度，Walker等结合周向倾斜和轴向掠技术，将上游压气机OGV布置在中介机匣的第一转弯位置，获得上游低压压气机OGV与压气机中介机匣相耦合的一体化OGV设计方案（IOGV）；在保证出口流场分布及损失水平与传统设计方案几乎相当前提下，一体化OGV设计方案使中介机匣长度缩短21%。该一体化设计将OGV嵌入中介机匣的第一弯段，正好处于径向压力梯度较大的区域。进口导叶（Inlet Guide Vane，IGV）尾迹仍然是主要的流动非均匀源，但由于OGV的倾斜与前掠设计，其尾迹对转子出口流场扰动减弱。文中实验表明，即使在低流量或高涵道比工况下，通过导叶的径向力分量仍能有效抑制内壁分离，且一体化设计的导叶（IOGV）在其出口处提供了更顺畅、均匀的流场，有利于下游中介机匣的内部流动。图44给出了原型和一体化OGV中介机匣的几何方案对比。

图44 原型和一体化出口导叶中介机匣的几何对比

为利用叶片周向弯提升紧凑压气机中介机匣（将静子放置在中介机匣的第一个转弯处）内静子叶片的气动性能，张耀光等以某紧凑型中介机匣内的静子为研究对象，探索了采用不同周向弯方案的静子对中介机匣性能的影响，如图45所示。结果表明载荷径向分布是影响静子损失的主要因素，叶片周向弯可影响负荷径向分布和低能流体径向迁移，根部正弯使根部增加了流体向下偏转的控制力，使气流更容易发生径向偏转，避免了气流分离气动负荷减小，根部性能明显改善。相对于直叶片，L型叶片损的损失最小，降低约48.5%，且低损失攻角范围最宽，这将有助于提升压缩系统的喘振裕度，可作为紧凑型中介机匣内静子构型的首选。

图45 不同静子弯曲方案示意图

为获得更为紧凑的压气机中介机匣，安广丰等同样开展了将上游静子叶片与紧凑型中介机匣进行一体化设计的探索，其中三种不同弯掠设计方案的静子均位于中介机匣的第一个转弯处，通过实验和数值相结合的手段详细对比分析了设计点和近失速点两种典型工况下不同静子设计方案的中介机匣性能与流动机理，为紧凑型压气机中介机匣设计提供了参考，图46给出了三种静子方案的叶片模型对比。研究发现正弯和前掠静子方案有助于改善近失速点下静子根部角区失速问题，静子根部流体动能的增加可以改善中介机匣出口流场的均匀性，提升下游轮毂边界层的抗分离能力。与原型静子相比，最优静子方案对应的中介机匣在设计点性能不降低情况下，近失速点的总压损失降低24%。

图46 三种不同静子方案的叶片模型对比

传统带支板的压气机中介机匣设计中，气流流出上游低压压气机OGV后变为轴向出气，因此中介机匣中的支板常采用对称翼型结构。随着压气机中介机匣与上游部件一体化设计思想的提出，带有非对称翼型特征和一定弯度的气动升力支板逐渐被引入到中介机匣的支板设计中。采用该支板设计方式旨在消除气流流出上游低压压气机出口导叶（OGV）后仍带有的预旋，以此来分担上游OGV的气流转折导流任务，从而降低上游低压压气机的末级负荷，进而提升上游压气机的效率；为了给下游高压压气机提供合适的进口条件，在压气机中介机匣内将剩余的进口预旋速度分量消除。

但是相较于对称翼型特征支板，气动升力支板吸力面和压力面的压差会产生额外的周向压力梯度，且流道内具有更高的流向逆压力梯度，在气动升力支板通道内气流会发生额外的扩压效应来消除中介机匣进口气流的周向预旋速度分量，这将加剧流道端区的二次流和角区分离强度及相关损失。因此，采用具有非对称翼型特征的气动升力支板的中介机匣设计较传统支板中介机匣更具有挑战性。

为了验证上述中介机匣新设计思路的有效性,Walker等以一紧凑型中介机匣为对象，研究了利用带弯度的中介机匣支板实现12.5°气流偏转的可能性，旨在消除气流通过上游低压压气机OGV后仍存在的切向动量。作者首先采用CFD对所设计的带弯度支板的载荷以及待消除气流转折角的大小进行了初步评估，最后采用实验方法对比分析了不带支板、无弯度支板和两种不同弯度支板下中介机匣的性能，验证了采用带弯度气动升力支板减小上游低压压气机出口级载荷并提升上游低压压气机效率的可行性。同样地，Wallin等探索了带气流转折功能支板的压气机中介机匣设计方案的应用潜力，在去掉原位于低压压气机的OGV基础上，将中介机匣支板设计成带一定弯度（约45°）的叶片，实现原上游OGV的气流导向功能，由于需要实现的气流转折过大，该方案在原8个支板中间增加了8个分流叶片，如图47所示。通过实验和数值研究验证了该方案的可行性，采用该方案可使原方案的轴向长度缩短20%~25%，且保持相当的气动性能。

图47 新型支板结构中介机匣方案

为了尽可能地降低压气机中介机匣的长度和质量并提升工作性能，Dygutsch等基于多目标优化方法，开展了包含上游低压压气机和下游高压压气机的多部件耦合的紧凑型压气机中介机匣一体化优化设计研究。优化中考虑了四个不同转速线下的设计工况和两个转速下的近失速工况来保证整个压缩系统的稳定工作范围，在优化中同时对上游低压压气机OGV、下游高压压气机IGV及第一级叶片安装角进行了优化调整，以在满足收敛稳定性、结构限制和避免严重分离的前提下，实现中介长度最短且压缩系统效率最高的目标，结果显示采用优化方法是提升整个压缩系统效率和稳定工作范围的有效手段，在设计点等熵效率和失速裕度分别降低不超过1%与2%前提下使得压气机中介机匣长度缩短40%。

Walker等详细地对比研究了可用于大涵道比涡扇发动机的三种中介机匣设计方案的气动性能，第一种中介机匣方案中支板位于第一转弯位置且同时具有末级压气机OGV和常规支板的功能（结构与文献相同），使用大弦长结构叶片作为中介机匣的一部分，这些叶片除了具有气动功能之外，还承担着传递发动机结构载荷的任务，结构简单，易于制造和维护，但是设计中优先考虑了强度和刚度，而不是气动效率，对非设计点的敏感性较强。第二种为包含气动导叶和离散支板的中介机匣方案，使用气动优化的常规叶片，并辅以少量支撑结构（例如径向支柱）来传递发动机结构载荷，气动性能优于方案一，系统损失和对非设计工况的敏感性较低，具有更好的鲁棒性。第三种为气动导叶与支板融合设计的中介机匣方案，将叶片和支板完全集成，作为一个整体结构进行协同优化，进一步降低了质量和气动阻力。其中后两种方案中的气动导叶相较于常规末级压气机OGV均后移至中介机匣第一转弯位置，图48给出了后两种方案的示意图。实验结果显示三种方案均是可行的，但对非设计点的敏感性有所不同，方案二具有最低的系统损失，在气动性能和成本之间取得了较好的平衡，而方案三虽然气动性能最佳，但成本较高，可靠性有待验证。

图48 两种不同中介机匣设计方案的示意图

6.5 小结

目前中介机匣的参数化设计方法已趋于成熟，但如何考虑加入支板的二维造型设计仍是重点研究方向。随着紧凑型中介机匣的设计需求，单纯的造型设计已经无法满足要求，还需结合机器学习算法和高校优化算法进一提升优化设计效率和效果。而对于直接三维优化，优化参数搜索空间的给定对经验要求比较高，参数变化范围太小通常会无法覆盖最优方案，太大将大幅增加计算成本，因此将二维优化和三维优化相结合，发展更加高效、高精度的变可信度优化方法是解决思路之一。此外为了进一步减轻压缩系统质量和提供更大的设计空间，考虑部件匹配的一体化设计受到更多研究人员的青睐。将中介机匣支板与上游部件出口导叶一体化设计，可以在保证相当的气动性能下，大幅缩短轴向长度，结合优化设计手段还可以进一步提升整个压缩系统效率和稳定工作范围。传统设计中，OGV与中介机匣分离，导致边界层在独立弯段中易受逆压梯度影响。而一体化设计通过导叶的主动干预，显著降低了内壁的静压上升幅度。将静子叶片与压气机中介机匣一体化时，考虑叶片周向弯设计，可以有效地改善S形中介机匣内静子叶片根部的流动状况，减小损失。合理的弯叶片设计可以控制叶片负荷的径向分布，提高静子增压能力。此外一体化设计中需要与上下游压气机等部件进行协同优化，确保全工况下的部件匹配性。

目前，出口导叶/静子与压气机中介机匣一体化设计在低负荷情况下的流场验证较为充分，但缺乏针对高设计负荷对象的实验研究。高负荷条件下的流动特性与低负荷情况存在显著差异，导致中介机匣总压损失显著增加。因此，未来在高负荷、紧凑型一体化中介机匣流动特性和气动设计方面需要进行更多的实验研究。

压气机中介机匣是航空发动机压缩系统的关键部件之一，深入认识中介机匣的流动机理和关键影响因素，并建立高性能中介机匣的高效精细化设计方法，对于高性能、高可靠性航空发动机的研制具有重要意义。

7.1 总结

本文从压气机中介机匣的流动机理、几何参数和进口条件的影响特性、流动控制方法以及设计方法等方面综述了压气机中介机匣的研究进展，旨在为未来高性能超紧凑压气机中介机匣的设计提供参考。具体总结如下：

（1）中介机匣的流动特性和机理

掌握压气机中介机匣的流动机制是设计高性能压气机中介机匣的前提。国内外研究人员针对压气机中介机匣的流动特性和相关机理等已开展了大量的系统研究。流道型线曲率和压力梯度效应是导致中介机匣内部复杂流动的根本原因，且轮毂附近更容易产生附面层分离。受支板影响，带支板中介机匣较无支板中介机匣流动更为复杂，其流动损失增加了来自于支板附近的角区分离损失、二次流损失和尾迹损失等。提升压气机中介机匣性能的关键在于合理平衡支板前后部载荷的分配，减小关键区域的逆压力梯度，比如采用先扩张后收缩的流道面积分布可减小流道内的逆压力梯度。

（2）关键几何参数对中介机匣的影响

压气机中介机匣的径向落差长度比和流道出口进口面积比是影响中介机匣性能的两个最关键参数，两个参数的增加都会导致流道内的逆压力梯度升高，更容易诱使流道产生流动分离，导致损失和出口流场的不均匀程度增大。支板的堵塞效应会改变中介机匣的载荷分布规律和气动性能，支板的数目、最大厚度、弦向长度、安装位置等都可能改变中介机匣的流道面积分布和内部流动特性，因此中介机匣的设计需要考虑支板的影响。

（3）进口条件对中介机匣的影响

随着飞行条件的变化，压气机中介机匣的进口条件通常会偏离设计工况，同时还会受到上游压气机部件出口流场及其与下游压气机部件匹配特性的影响。中介机匣进口马赫数的增加会导致内部流动更为复杂，损失和出口流场的畸变度升高。中介机匣的进口预旋条件、预旋角、附面层厚度、畸变进气、尾迹来流等进口条件均会对中介机匣内部流动和气动性能产生影响，部分来流条件可以改善中介机匣内的流动分离，因此在中介机匣的精细化设计中需要对各进口条件的影响进行综合考虑。

（4）中介机匣中流动控制技术的应用

应用流动控制方法是提升压气机中介机匣性能和进一步提升中介机匣负荷的有效技术途径之一。研究显示采用非轴对称端壁造型可以有效消除轮毂和支板的角区分离，降低总压损失，同时可在不明显增大损失前提下提高中介机匣的径向落差长度比，且能够改善进气畸变效应的影响。合理的涡流发生器设计可以降低角区分离程度，提升中介机匣的气动性能。作为主动流动控制技术，端壁引气技术是可以显著提升中介机匣性能和缩短压气机中介机匣轴向长度的有效手段之一，但是控制效果与引气位置和引气量密切相关，过大的引气量会对中介机匣及其上下游部件产生不利的影响。

（5）中介机匣的设计方法研究

目前国外已发展了成熟的压气机中介机匣设计方法，研究重点已转移至超紧凑压气机中介机匣的流动机理、气动设计、实验验证以及新型中介机匣结构的设计方面，为未来结构更紧凑和质量更轻的压缩系统设计奠定了一定基础。而国内在这方面的起步较晚，近年来在压气机中介机匣的造型方法和优化设计方面已开展了大量研究，加深了对中介机匣设计以及内部流动机理等方面的理解，也初步形成了较为完善的设计体系。

（6）中介机匣的数值及实验研究方法

随着计算流体力学的发展、实验手段的丰富以及测试技术水平的提升，中介机匣的研究方法也在不断进步和完善，表3总结了公开文献中具有一定代表性的数值和实验研究方法，以期为中介机匣研究人员提供参考。

表3 中介机匣数值及实验研究方法进展

7.2 展望

（1）超紧凑中介机匣的流动机理和调控

现阶段的研究更多地关注于当下负荷水平的压气机中介机匣，而未来超紧凑中介机匣的负荷更高，流动更加复杂，现有研究结论和技术水平难以支撑未来高性能超紧凑中介机匣的精细化设计，因此亟需开展面向未来更高负荷压气机中介机匣的系统研究。目前关于流动控制的研究更多地是处在探索阶段，需要向工程应用方向进一步推进，且并没有将应用和中介机匣的气动设计进行耦合，因此开展基于流动控制技术的压气机中介机匣耦合设计是释放流动控制技术的应用潜力和充分挖掘中介机匣的设计空间的有效途径。此外，未来还可以引入更多先进和高效的流动控制技术来挖掘压气机中介机匣性能提升的潜力，比如等离子体、非定常抽吸/射流等流动控制技术，为超紧凑压气机中介机匣设计提供技术支撑。

（2）上下游部件耦合的一体化设计

上下游压缩部件的流动对压气机中介机匣的性能有重要影响，未来高推重比航空发动机的发展趋势使得压气机中介机匣与上下游部件间的耦合效应越发显著，因此考虑相邻部件耦合效应的影响，采用一体化设计思想进行更紧凑的压气机中介机匣设计已成为发动机设计人员的研究热点之一。国外研究人员已开展了大量的研究，而国内还尚缺乏相关探索，这也是未来研究中需要关注的重点方向之一。

（3）多涵道中介机匣的流动机理和设计

目前关于压气机中介机匣的研究主要集中于单涵道中介机匣的造型设计方法、优化设计研究和实验验证，涉及到双涵道中介机匣的研究相对较少，缺乏针对双涵道和三涵道压气机中介机匣的气动设计准则，且对于影响多涵道中介机匣性能的关键因素缺乏系统性研究。双涵道压气机中介机匣由外机匣、支板、分流环和内机匣等构成，因此双涵道压气机中介机匣设计还需要兼顾分流环和外涵道的气动性能，对于更多涵道的中介机匣设计，部件之间的耦合作用更强、影响因素更多，因此在现有单涵道压气机中介机匣研究基础上，需要开展针对多涵道压气机中介机匣的相关研究。

（4）压气机中介机匣的标模实验数据库建立

压气机中介机匣流动机理挖掘和精细化设计的研究离不开高保真数值仿真技术。已有研究显示全三维CFD方法在准确模拟中介机匣流道曲率变化对壁面附面层发展和分离的影响方面仍然面临着极大挑战。然而，高精度数值仿真技术的发展需要丰富可靠的精细化实验数据库提供校验数据。国内在压气机中介机匣的气动实验研究方面偏少，缺乏高可靠性的标模实验数据库，因此，亟需深入系统地开展典型压气机中介机匣的气动性能实验，形成压气机中介机匣的高可信度实验数据库。