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航空发动机是国家综合国力、科技水平和创新能力的重要体现。多级轴流压气机是航空发动机的关键部件,流动机理十分复杂,设计难度非常大,是制约其发展的主要技术瓶颈。本文以某型涡轴发动机五级轴流压气机为研究对象,在流动机理研究的基础上,进行改进设计以提高其性能。论文利用熵变定义了效率损失系数以分析多级轴流压气机的损失分布规律。研究结果表明,前面级转子损失大于静子损失,中间级转子和静子损失相当,而后面级静子损失大于转子损失。第一级转子shroud损失大于其他转子,而静子的hub损失随级数增大明显增大。在非设计转速,各级损失均随着转速的增大而增大,且损失增大幅度随级数的增大而减小。通过损失分析可知,前面级转子和后面级静子对压气机性能有着更重要的影响。论文探明了多级轴流压气机附面层和堵塞因子的发展规律。在设计点,hub位移厚度随级数的增大而增大,shroud位移厚度则基本保持不变,堵塞因子从第一级的2.4%增大到第五级的14.7%,因此端区处理对后面级作用更重要。设计转速时压气机从堵塞变化到喘振工况,位移厚度和堵塞因子均增大,且后面级增大幅度较大。不同转速的最高效率点堵塞因子基本保持不变,因此设计转速针对堵塞因子进行的参数修正适用于非设计转速。论文研究了间隙大小对多级轴流压气机性能及匹配的影响规律及机理。间隙从0增大到5.0%,堵塞流量减小21.8%,最高压比降低43.1%,最高效率降低14.3%。前面级和后面级对整机效率损失的贡献大于中间级,因此为了提高压气机效率,应重点关注前面级和后面级。本文定义了新参数“不匹配度”以定量分析各级工作点效率偏离其最高效率的大小,当间隙在常用范围内变化时,对“不匹配度”影响较小。由此表明:如果设计间隙时级间匹配良好,则在较宽的间隙范围内匹配较好。论文基于原型五级轴流压气机的流动机理,完成了五级轴流压气机的改进设计。分别对R1、R2、S3、S4和S5采用三维弯掠设计,在设计转速实现效率提高1.1%、流量增大1.2%、压比增大1.1%。在非设计转速,性能同样得到改善,表明该改进设计方案同时适用于非设计转速。强度和模态的分析结果表明,改型压气机强度优于原型,模态与原型相当,保证了其可靠性。