高压压气机是航空涡轮发动机的重要组成部分,其性能的好坏直接关系到发动机整体性能的优劣。由于缺乏对压气机内部真实流动的足够认识,高压压气机的气动设计对研究人员来说始终是个严峻的挑战。高压压气机的低速模拟试验是摸清高压压气机流场细节,改善高压压气机气动性能的关键技术之一。本文在参考国外成功经验的基础上,对高压压气机的低速模拟方法进行了相关研究,重点研究了用于高、低速压气机内部流场相似转换的“相似准则”,以及低速模型压气机气动设计方法和低速压气机内部流场详细测量的方法,并通过所得到的实验数据,检验了“相似准则”的可靠性。本文的主要工作有以下五个方面:(1)确定“相似准则”。根据高压压气机低速模拟的特点,在参考国外学者提出的用于高压压气机低速模拟的“相似准则”的基础上,给出本文所采用的“相似准则”,并对其进行仔细地分析和论证。在此基础上,制定本文的高压压气机低速模拟试验的方案。(2)根据“相似准则”建立模拟目标。本文首先对某六级高压压气机进行了全三维粘性流场数值计算;然后为了验证数值计算的可靠性,研究了不同的网格形式、网格节点数、第一层网格厚度以及计算选用的工质等参数对计算结果的影响,同时针对第5级的静子叶片中径处的叶型进行了平面叶栅吹风实验,进一步验证了计算结果的可靠性;最后确定高压压气机被模拟状态,同时根据高压压气机后面级的流场特点,确定高压压气机所需模拟的级,并按照“相似准则”的要求,处理得到高压压气机被模拟级相应的几何参数和气动参数,完成低速模拟目标的建立。(3)低速大尺寸模型压气机的设计。首先建立了低速模型压气机的气动设计系统,在此基础上,根据所采用的“相似准则”,针对高压压气机的被模拟级设计低速模型压气机。本文经过总体参数设计、S2流面设计、S1流面和叶片造型的迭代计算以及全三维粘性流场数值计算,完成了用于模拟高压压气机第4级流场的基准型低速模型压气机的气动设计,并对低速压气机进行了详细的流场参数分析,对低速压气机模拟级(第3级)以及高压压气机被模拟级进行了详细的气动参数对比分析,结果表明两者符合得较好,说明该低速压气机可以模拟出高压压气机内部的流场结构,从数值计算的角度初步证明了该低速模型压气机设计的可靠性。在此基础上完成低速模型压气机试验件的结构设计。(4)低速模拟试验测量内容及方法研究、低速试验方案制定以及低速压气机试验台及其测试系统的搭建。首先,根据“相似准则”的要求,研究确定针对低速模型压气机所需开展的试验测量内容;然后,根据所确定的试验测量内容,研究可用于完成以上测量内容的测量方法,并制定合理的试验测量方案;最后,在满足模型试验测量要求的前提下,完成低速压气机试验台和测试系统的搭建。(5)低速模型压气机内部流场详细测量。本文针对该低速模型压气机进行了全面的试验测量,主要包括了:整台低速压气机及其模拟级的性能测量;采用四孔探针进行了叶排间的气动参数测量;采用“L”型五孔探针测量了模拟级静子叶片通道流场;采用粒子图像测速仪(PIV)测量了模拟级转子叶片通道流场;采用在叶片表面开设静压孔的方法,测量了静子叶片表面压力分布,从而摸清了低速压气机及模拟级的性能,掌握了模拟级压气机内部的详细流场信息。高、低速压气机的全三维粘性流场数值计算以及低速模型压气机试验测量结果表明,本文设计的低速压气机可以基本重现高压压气机被模拟级内部的流场结构,其模拟级(第3级)压气机的性能以及流场参数,如:压升特性、静子叶片表面压力分布、叶排进/出口的气流角等参数在70%叶高以下与高速原型符合得较好。同时,低速模型压气机内部的流场特点也与高速原型基本一致。以上结果表明本文针对该高压压气机被模拟级设计的低速模型压气机是成功的,本文所采用的“相似准则”是可靠的。由于受加工进度的影响,本文的低速模型压气机未能喷涂叶尖保护涂层,使得转子叶片实际的叶尖间隙大于设计值,从而导致低速模型压气机未能模拟出高速原型叶尖区域的流场结构,这是本文工作的不足之处。