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All issues Volume 44 / No 2 (April 2026) JNWPU, 44 2 (2026) 317-326 Full HTML
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Issue
JNWPU
Volume 44, Number 2, April 2026
Page(s) 317 - 326
DOI https://doi.org/10.1051/jnwpu/20264420317
Published online 12 June 2026

© 2026 Journal of Northwestern Polytechnical University. All rights reserved.

Licence Creative CommonsThis is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

进口可调导叶通过正负预旋的角度调节能够使得压气机后排转子的进口速度三角形接近设计速度三角形，使发动机在起动、慢车和巡航等状态下能够稳定高效地运行，从而解决低转速下发动机的起动和加速问题，是一种常见的压气机防喘手段。此外，进口可调导叶还能够提升压气机的抗畸变能力和进气旋流能力，这对于增加压气机喘振裕度和扩大稳定工作范围起到了重要作用[1]。从20世纪60年代开始，国外多款军用发动机相继采用了进口可调导叶，如F110、F100、F404和AL-31F发动机等[2]，我国的涡扇5、涡扇6和涡扇9发动机也均在风扇前使用了可调导叶技术[3]。在民用发动机领域，CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7系列均在VSV(variable stator vane)系统中使用了可调导叶，同时V2500、PW1100、LEAP等机型也都有进口可调导叶的应用。

针对进口可调导叶在压气机中的应用，研究者们进行了大量的探索工作。Crouse等[4]发现进口可调导叶能够调节流量、控制进气角度并影响马赫数，同时还证实了其在扩大压气机稳定工作范围、修复喘振边界退化上的可行性。Bohne等[5]发现在非设计工况下，导叶出口流场品质显著影响下游叶片边界层结构，这对于多级轴流压气机设计具有重要指导意义。Darbe等[6]认为跨声压气机中导叶尾缘形状和轴向间距会影响下游转子外伸激波的特性。Händel等[7–8]通过实验和数值模拟发现，减小可调导叶角度会导致吸力面流动分离，显著增加流动损失，并揭示了可调导叶出口流场随叶高变化的规律。

此外，冀春俊等[9–10]通过优化离心压气机导叶参数，发现弯叶型进口导叶在保持效率和功耗的同时能够显著扩大流量调节范围，有助于降低运行成本。Singh等[11]通过数值模拟研究发现，优化可调导叶安装角可显著降低总压损失、改善气动性能，从而减少燃油消耗并提升轴流压气机效率。宋君楠等[12]研究发现，气悬浮双级压缩制冷系统中调节进口导叶开度可改变压缩机流量特性：正开度使喘振点向小流量偏移，负开度则向大流量偏移，从而优化系统性能。

与此同时，基于传统进口可调导叶所改型的可变弯度导叶也逐渐备受关注，众多研究[13–17]表明，后段可调导叶和前后段均可调导叶能够进一步改善压气机内部流场品质，进而显著提高压气机气动性能。

综上所述，进口可调导叶在拓宽压气机低转速时的稳定工作范围、提高压气机压比和效率上的有效性已被广泛证实。但现有研究并未针对压气机不同转速下导叶的调节规律和机理给出详细说明，相应的调节策略也尚不明晰。因此，本文选取某带支板的1.5级高负荷压气机为研究对象，基于数值模拟方法，详细分析了在不同转速下、多种进口可调导叶调节角度下压气机的气动性能，深入揭示了进口可调导叶对压气机性能的影响规律和影响机理，并总结出了优异的调节策略。

1 方法

本文研究主要基于定常数值模拟方法，选取某带支板的1.5级高负荷压气机作为研究对象[18]，支板起整流加速作用，压气机由进口可调导叶、转子R1和静子S1 3排叶片组成。压气机子午流面示意图如图 1所示。其标准大气压下的设计指标如表 1所示。IGV、S1、R1的轮毂和叶顶均有不同程度的间隙，间隙示意图如图 2所示，间隙宽度及占比数值见表 2。

Thumbnail: 图1 Refer to the following caption and surrounding text. 图1

压气机子午流面示意图

表1

压气机设计指标

Thumbnail: 图2 Refer to the following caption and surrounding text. 图2

轮毂、叶顶间隙示意图

表2

轮毂、叶顶间隙及占比参数

本文数值模拟在NUMECA FINE/Turbo软件中进行，湍流模型选取Spalart-Allamaras(S-A)模型，时间离散方案采用四阶显式龙格-库塔方法，CFL数设置为3。在边界条件设置中，进口边界采取轴向进气方式，总温为288.15 K，总压为101 325 Pa；出口边界采用固定背压方式，通过调节背压值来控制进口马赫数。固壁边界条件设置为无滑移且绝热，栅距方向的网格边界采用周期性条件进行定义，以节省计算资源。对应的计算网格示意图如图 3所示，整体网格正交性不小于30，Y+≤2.5，拥有较好的网格质量。

Thumbnail: 图3 Refer to the following caption and surrounding text. 图3

计算网格及叶顶间隙网格示意图

本文通过背压逼近法确定失速边界点，在近失速点时，按照25 Pa的增量逐渐加大背压，并以上一背压的计算结果作为下一背压计算的初场，直至计算不收敛，从而确定出失速点。

为排除网格数量对仿真结果的影响，分别采用190万，280万及370万3套网格对压气机在1.0换算转速下的特性进行了计算。图 4给出了相应的压气机压比特性曲线和效率特性曲线，可以看出，基于190万网格的压比和效率计算结果均偏低，而基于280万网格和370万网格的压比和效率计算结果则基本一致，这表明网格数量的进一步增加对压气机特性的影响较小。为了确保计算效率与计算结果准确性的平衡，本文后续的数值模拟网格数量设置为280万。

Thumbnail: 图4 Refer to the following caption and surrounding text. 图4

网格无关性验证

图 5为0.95换算转速下数值仿真结果和公开算例实验结果[18]对比，可以看出，压比和效率的数值模拟与实验结果在数值及变化趋势上均能够较好地吻合。综上所述，采用280万网格进行仿真计算能够较为真实地反映出该压气机的特性变化。

Thumbnail: 图5 Refer to the following caption and surrounding text. 图5

0.95换算转速下实验和仿真对比图

选取1.5级压气机导叶50%叶高截面的基元级叶型在西北工业大学高性能压气机、叶栅实验室对其进行平面叶栅风洞吹风实验，并采用实验数据对本文数值方法的计算精度及可靠性进行进一步校验，为压气机整级模拟提供导叶气动模型的可靠性支撑。导叶叶栅叶型选用原进口导叶的50%叶高截面基元级，实验采用轴向进气，给定来流马赫数0.2~0.5，导叶的偏转角度选取10°~30°，进口马赫数可由进口壁面静压pw1、进口总压pt1经过(1)式计算得到。进口总压和总温在栅前4 m处的大口径整流段内通过总压探针和总温探针进行测量，减少了探针尾迹对下游的干扰。导叶的吸/压力面各有8个静压孔，用于测量壁面静压，可以获得导叶表面的等熵马赫数。将叶栅尾缘基元级轴向下游40 mm处作为五孔探针测量截面，通过位移机构操控五孔探针，沿周向进行逐点扫掠测量。通过对已有校准数据的插值可以得到当地的出口总压、静压及气流角，进而计算尾迹沿周向的损失分布。

与叶栅实验相对比的数值模拟设置为进口标准大气工况、轴向进气，通过调节出口背压实现不同来流马赫数下的模拟；固壁边界为绝热无滑移边界；栅距方向的网格边界采用周期性条件进行定义；转子/静子交界面采用周向守恒连接方式，保证交界面质量、动量和能量的严格守恒。

导叶叶栅实验件如图 6所示，相应的实验结果与数值结果的对比如图 7所示。图 7a)的横坐标为沿轴向的相对位置，0和1分别代表导叶的前缘和尾缘，纵坐标为导叶表面的等熵马赫数，图中2段红色的曲线代表导叶吸/压力面的CFD仿真结果，蓝色和绿色的数据点则表示叶栅实验结果；图 7b)的横坐标为沿周向(即栅距方向)的相对位置，纵坐标为总压损失，可将进口总压pt1和五孔探针位置处的出口总压pt2代入(2)式计算得到。可以发现，可调导叶表面等熵马赫数的实验数据与仿真数据吻合较好，而尾迹损失的峰值与仿真结果虽存在细微差异，但整体损失分布趋势保持一致，基本证实了本文数值计算结果的准确性及可靠性。

Mathematical equation(1)

Mathematical equation(2)

Thumbnail: 图6 Refer to the following caption and surrounding text. 图6

导叶叶栅实验件

Thumbnail: 图7 Refer to the following caption and surrounding text. 图7

实验与数值结果对比图

为了探索中低转速下进口可调导叶对压气机性能的调节特性，分别对0.85, 0.75及0.65换算转速下压气机的性能进行了计算。首先在导叶无预旋情况下计算不同转速下压气机的特性曲线。随后，由文献[18]可知，0.95换算转速下导叶的调节角度为8°，据此对其他转速下导叶的调节角度进行线性估计，即假设导叶的调节角度随转速线性变化，并在每个转速下给出4个不同的导叶调节角度，调节方案如表 3所示。

表3

不同转速下导叶调节方案

2 结果与讨论

2.1 导叶无预旋时压气机特性分析

导叶不偏转，即无预旋时压气机在换算转速0.85, 0.75及0.65下的特性曲线如图 8所示。

Thumbnail: 图8 Refer to the following caption and surrounding text. 图8

不同转速下压气机特性曲线

从图 8可以看出，随着换算转速的减小，流量减小，压比整体减小，各个转速下的最高效率基本不变，压比特性曲线朝左下方移动，效率特性线则是向左移动。在同一转速下，随着流过压气机中空气质量流量的减少，压气机压比逐渐升高，且升高速率呈现先快后缓的趋势，压气机效率则是先迅速上升达到峰值效率点后再逐渐降低。在换算转速由0.85降低到0.65的过程中，3个转速下的峰值效率分别为85.87%, 85.79%及85.46%。

采用文献[19–20]所述方法，定义压气机稳定工作裕度为

Mathematical equation

式中：mstall和mpeek分别为近失速点质量流量和最高效率点质量流量; πstall和πpeek则分别代表近失速点压比和最高效率点压比。压气机稳定裕度表征了压气机在工作过程中偏离不稳定边界的安全程度。具体来说，稳定裕度反映了压气机在各种工作条件下保持稳定运行的能力。图 9为不同转速下压气机稳定裕度的变化，随着换算转速的降低，3个转速下压气机稳定裕度分别为12.77%, 11.56%和10.97%。

Thumbnail: 图9 Refer to the following caption and surrounding text. 图9

不同转速下压气机稳定裕度

2.2 导叶不同调节角度下压气机特性分析

图 10给出了85%换算转速下压气机的特性曲线。通过图 10a)可以看出，在85%换算转速下，当进口可调导叶无预旋调节时，压比随流量的增大呈现出先缓慢减小再急剧降低的趋势。随着进口可调导叶正预旋角度的增大，压比整体降低，失速边界不断左移，在25°正预旋时近失速点的流量相比无预旋时由25.872 kg/s拓宽到了22.848 kg/s。值得注意的是，在进口可调导叶10°预旋时，压比随流量的变化趋势与导叶在无预旋时的趋势基本一致，即在近失速点到最高效率点之间，压比的降低幅度较为缓慢，而当导叶预旋为25°时，从近失速点到最高效率点，压比的减小速率大幅度增大，即图 10a)中k2>k1。

Thumbnail: 图10 Refer to the following caption and surrounding text. 图10

85%换算转速下压气机特性曲线

观察图 10b)可以发现，不同的导叶预旋程度下压气机的效率变化趋势基本一致，但压气机的最高效率点(图中星标)随着预旋角度的增大呈现出先增大后减少的变化趋势。导叶在无预旋及10°, 15°, 20°, 25°预旋下压气机的最高效率分别是：85.87%, 87.19%, 87.58%, 87.68%和86.42%。可见在85%换算转速下，适当的正预旋能够有效提高压气机的效率，但预旋角度不宜过大。

图 11显示了85%换算转速导叶不同预旋角度下压气机的稳定裕度。在10°, 15°, 20°和25°调节角度下，压气机的稳定裕度分别为16.94%, 18.08%, 16.80%和14.85%。图 11中红色线表征该转速下导叶无预旋时压气机的稳定裕度，能够看出导叶不同角度的预旋均在一定程度上增大了压气机的稳定裕度。此外，随着预旋角度的增大，稳定裕度呈现出先增大后减小的趋势，在15°预旋角度下稳定裕度最大，相比无预旋增长了5.31%。

Thumbnail: 图11 Refer to the following caption and surrounding text. 图11

85%换算转速导叶不同调节角度下压气机稳定裕度

图 12给出了75%换算转速下压气机的特性曲线。从图 12a)中可以看出，相比于85%换算转速，正预旋调节带来的失速边界左移程度进一步增大，压气机的稳定裕度进一步拓宽。同一预旋角度下，压比随流量的变化趋势与85%换算转速下相同，即随着预旋角度增大，近失速点到最高效率点之间压比的减小幅度增大。结合图 12b)能够看出，当导叶从无预旋调节为25°正预旋时，最高效率点由85.76%增长为87.73%；但随着正预旋角度进一步增大，最高效率点逐步降低。可见，75%换算转速下，25°正预旋能够使得压气机效率最高。

Thumbnail: 图12 Refer to the following caption and surrounding text. 图12

75%换算转速下压气机特性曲线

75%换算转速导叶不同预旋角度下压气机的稳定裕度如图 13所示，可以发现，导叶不同程度的预旋调节均增大了压气机的稳定裕度。值得注意的是，从25°预旋增加到30°预旋时，稳定裕度较大程度减小；而当预旋从30°增大到35°时，稳定裕度又出现了小幅度增长。这可能是由于在30°预旋时，较大安装角导致导叶表面气流发生了分离以至于稳定裕度减小速度加快；而当预旋由30°增大到35°时，导叶表面较大程度的分离涡产生了脱落，又在一定程度上优化了转子流场，使得稳定裕度出现小幅增长。在20°预旋时压气机稳定裕度最大，达到了17.89%，且相比无预旋调节时增大了6.33%。

Thumbnail: 图13 Refer to the following caption and surrounding text. 图13

75%换算转速导叶不同调节角度下压气机稳定裕度

65%换算转速下压气机特性曲线如图 14所示，其中，进口可调导叶不同预旋角度对压气机特性的影响规律与其他2个转速一致。导叶在45°预旋下，相比无预旋，失速边界由19.009 kg/s拓宽至13.642 kg/s，最大压比由1.376 9减小为1.244 8。随着导叶预旋角度从30°增加至45°，最高效率由导叶无预旋时的85.47%分别变为85.46%, 84.08%, 82.49%和80.19%，并且最高效率的减小速度随着导叶预旋角度的增大而增加。

Thumbnail: 图14 Refer to the following caption and surrounding text. 图14

65%换算转速下压气机特性曲线

图 15显示了65%换算转速导叶不同调节角度下压气机的稳定裕度。能够看出，裕度随导叶预旋角度的变化趋势与75%换算转速下一致，但导叶预旋带来的整体裕度增加程度略小于85%和75%转速。在45°预旋角度下压气机的稳定裕度最大为14.81%，相比导叶无预旋时增加了3.84%。

Thumbnail: 图15 Refer to the following caption and surrounding text. 图15

65%换算转速导叶不同调节角度下压气机稳定裕度

图 16~17分别给出了65%换算转速下导叶调节前后的相对马赫数云图和转子吸力面的极限流线图。从图 16a)~16c)能够看出，当导叶无预旋时，转子叶根吸力面处存在一定程度的附面层分离，叶尖后段处发生大幅度的气流分离现象，从吸力面一直延伸到相邻转子压力面，气流在叶尖处引发堵塞，符合突尖型失速先兆特征，是引起压气机失速的主要原因。同时结合图 17a)可以看出，在转子叶尖至叶中前缘存在大范围的分离区，且转子尾缘角区处也存在较为严重的角区分离，整个叶片吸力面的流场恶化严重。对比图 16b)~16d)，同时结合图 17b)能够看出，当导叶在45°正预旋调节后，转子吸力面前缘的气流分离以及尾缘叶根的角区分离均得到有效缓解，转子吸力面的流场得到极大优化。对于转子叶根而言，存在一定程度的过预旋，在压力面出现了小范围的气流分离，但叶根处压力面流场的小程度恶化能够为转子通道中的流场带来整体上的较大提升，从而有效拓宽压气机的稳定工作裕度。

Thumbnail: 图16 Refer to the following caption and surrounding text. 图16

导叶调节前后相对马赫数云图

Thumbnail: 图17 Refer to the following caption and surrounding text. 图17

导叶调节前后转子表面极限流线图

2.3 导叶调节策略

2.2节揭示了在不同换算转速下，进口可调导叶不同调节角度对压气机特性的影响规律，如图 18所示。图 18中，每种颜色中最粗的特性曲线为导叶无预旋状态，使用2种不同形式的折线分别代表导叶有、无预旋时压气机的失速边界。能够看出，在各个转速下导叶不同程度的正预旋调节，均能使压气机的失速边界向左移动，使得压气机的稳定工作裕度显著增大。本节以前文的分析结果为依据，给出压气机在不同转速、不同流量下进口可调导叶的具体调节策略。

Thumbnail: 图18 Refer to the following caption and surrounding text. 图18

不同换算转速导叶不同调节角度下压气机压比特性曲线

考虑到进口可调导叶在压气机中的实用性，以最高效率为调节目标，从而确定其调节策略：在某一特定转速下，随着流量的变化，导叶在哪个调节角度下能够使得压气机的效率最高，这个调节角度便为最佳角度。相应的调节措施为：在0.85换算转速下，导叶采用无预旋、10°预旋、15°预旋、20°预旋、25°预旋的流量范围分别是：28.76~30.70 kg/s, 27.81~28.76 kg/s, 27.10~27.81 kg/s, 24.03~27.10 kg/s, 22.85~24.03 kg/s。在0.75换算转速下，导叶采用无预旋、20°预旋、25°预旋、30°预旋、35°预旋的流量范围分别是：24.30~27.30 kg/s, 21.32~24.30 kg/s, 19.69~21.32 kg/s, 18.96~19.69 kg/s, 18.11~18.96 kg/s。在0.65换算转速下，导叶采用无预旋、30°预旋、35°预旋、40°预旋、45°预旋的流量范围分别是：24.30~27.30 kg/s, 21.32~24.30 kg/s, 19.69~21.32 kg/s, 18.96~19.69 kg/s, 18.11~18.96 kg/s。

图 19为3个换算转速下，按照上述调节策略调节导叶所得到的压气机效率特性曲线，并与导叶无调节时的原始特性曲线进行对比。图 19中虚线为调节后的特性线，实线为导叶无预旋时的特性线。从图 19可以看出，按照调节策略调节后压气机的稳定工作范围拓宽了近50%。由于每个转速下仅选取了4个不同的调节角度进行研究，效率随着流量的变化不是非常连续，呈现“双驼峰”的趋势。

Thumbnail: 图19 Refer to the following caption and surrounding text. 图19

采用调节策略前后压气机效率特性曲线

3 结论

本文基于数值模拟方法，深入探究了在不同换算转速条件下，进口可调导叶的多种调节角度对压气机性能的影响机制。同时，对比分析了不同预旋角度对压气机压比、效率及稳定裕度的作用效果。主要结论如下：

1) 当进口可调导叶无预旋时，压气机换算转速降低，其稳定裕度亦随之降低。这表明在压气机效率特性曲线中，最高效率点与近失速点之间的流量范围逐渐缩小，可能导致压气机面临工作稳定性不足的风险。

2) 进口可调导叶的适度正预旋能够显著拓宽压气机的失速边界，提升其稳定裕度。此外，恰当的调节角度还能进一步提高压气机的效率。

3) 以最高效率为调节目标，研究制定了一套调节策略，为压气机在不同换算转速和流量区间内的导叶调节角度提供了最优值。这不仅确保了压气机在高效率状态下运行，还使得压气机工作的流量区间扩展了近50%。

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All Tables

表1

压气机设计指标

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表2

轮毂、叶顶间隙及占比参数

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表3

不同转速下导叶调节方案

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All Figures

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压气机子午流面示意图
In the text
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轮毂、叶顶间隙示意图
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计算网格及叶顶间隙网格示意图
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网格无关性验证
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0.95换算转速下实验和仿真对比图
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导叶叶栅实验件
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实验与数值结果对比图
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不同转速下压气机特性曲线
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不同转速下压气机稳定裕度
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85%换算转速下压气机特性曲线
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85%换算转速导叶不同调节角度下压气机稳定裕度
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75%换算转速下压气机特性曲线
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Thumbnail: 图13 Refer to the following caption and surrounding text. 图13

75%换算转速导叶不同调节角度下压气机稳定裕度
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65%换算转速下压气机特性曲线
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Thumbnail: 图15 Refer to the following caption and surrounding text. 图15

65%换算转速导叶不同调节角度下压气机稳定裕度
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导叶调节前后相对马赫数云图
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Thumbnail: 图17 Refer to the following caption and surrounding text. 图17

导叶调节前后转子表面极限流线图
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Thumbnail: 图18 Refer to the following caption and surrounding text. 图18

不同换算转速导叶不同调节角度下压气机压比特性曲线
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Thumbnail: 图19 Refer to the following caption and surrounding text. 图19

采用调节策略前后压气机效率特性曲线
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