在多級軸流壓縮機內部，由於氣體的流動過程非常複雜，三維流動的影響十分顯著，尖部泄漏流、根部角區失速、二次流和通道渦的形成將嚴重影響葉片的設計性能，尤其是在三維流動效應較強的葉片端壁區域，採用二維或准三維葉片設計體系已不能完全適應進一步研製高性能葉片的需求，其設計結果與實際流動情況存在較大差異。隨著軸流壓縮機氣動設計不斷向高速、高負荷、大流量、高效率的方向發展，探索三維葉片設計體系已成為當務之急。與二維和准三維葉片設計相比，三維氣動設計技術能在更接近於真實壓縮機複雜流動的環境下完成整個設計葉片的過程，更全面地考慮和捕捉三維流動產生的各種效應，易於實現對氣流的控制，達到有效減少損失的目的，並藉助葉片生成過程的控制以改善葉片通道內的流動。在端壁幾何設計方面，除收擴度控制外，還增加了曲率控制，以優化軸向馬赫數沿徑向分佈。
資料分析表明，目前國外對發展三維葉片設計技術十分關注，並在不斷改進和完善准三維葉片設計體系的同時，對多級軸流壓縮機靜子的三維葉片設計進行了探索性的研究工作，並已初見成效，進入80年代後期和90年代以來，已有這方面的公開資料報道，其中一類是給定葉片表面氣流參數分佈，用純反方法來完成葉片設計［1～6］，這種方法易於實現對葉片表面氣流參數分佈的控制，但可能導致不合理型面生成，而且適用範圍有限，目前僅用於低速且葉型較薄的小型徑向和混流式葉輪機械中；另一類則主要藉助兩類流面(S1和S2)相互迭代的方法對初始型面反覆迭代修正，最終得到較為滿意的葉片表面氣流參數分佈和葉片幾何形狀［6～11］。此類方法的關鍵是確定修正大小和修正的方向，並縮短迭代計算時間。從國外整個研究現狀來看，三維葉片氣動設計技術仍存在許多技術難點，特別是在探索三維氣動設計模型、分析和修正端壁三維流動對葉片設計性能的影響，並最終建立流場參數分佈(尤其是葉片表面參數)與型面幾何參數的內在關聯上，現有的研究尚處於初步探索階段［12］。
本文正是基於上述考慮，在國內外已有研究工作的基礎上，以先進的CFD數值模擬技術為主要手段，探索三維靜子葉片設計方法。結合表面氣流參數分佈準則及流動參數與葉片型面的內在關係，重點研究分析諸如端壁形狀變化、曲率控制等對靜子葉片設計性能的影響，為進一步發展和完善三維靜子葉片設計體系，進行先期探索和研究。
1 原始壓縮機靜子葉片設計參數及特點
本文重點研究了一台小型發動機帶進口導流葉片的兩級壓縮機的第二級靜子葉片。其設計轉速為45000r/min，設計流量為3.94kg/s，設計壓比為2.054，設計效率為0.8495，導流葉片、轉子、靜子葉片數依次為：20、14、36、17、36。其子午面流道投影如圖1所示，流道為下平上縮形式且沿軸向變化較大，由於葉片較短，端壁形狀和曲率變化對葉片氣動性能的影響明顯。因此在模擬三維流動對葉片設計性能的影響方面有其獨特性，這也是本研究選擇其作為主要算例的原因之一。
某型壓縮機子午面流道投影
第二級靜子葉片設計時所需的氣動與幾何參數由S2計算提供，主要包括沖角、落後角等。其它葉片設計參數，如最大厚度和最大厚度位置以及葉片前、后緣厚度等參數的沿徑向分佈，需設計者根據需要給出。
這是一套典型的跨音速壓縮機靜子葉片，其尖、中、根的設計進口馬赫數分別為：0.72085、0.65087、0.8843，葉型轉折角分別為61.34°、46.20°、62.91°，氣動負荷較高。
2 中弧線採用多項式曲線的靜子葉片設計計算結果分析
依據給定的設計條件，首先完成了第二級靜子葉片氣動設計、葉片造型和三維流場計算。現對設計和計算結果分析如下：
靜子葉片氣動設計截面與軸向網格劃分
給出了由S2計算得到的第二級靜子葉片氣動設計截面與軸向網格劃分，沿軸向取8個計算站(其中，葉片前緣至后緣有6站，進、出口各1站)，共11個葉片氣動設計截面(沿徑向按等環面劃分)，以下類同。
給出了中弧線用多項式曲線設計的該壓縮機第二級靜子葉片製造截面投影圖(從上往下看)，葉片以各截面質心為中心進行積疊，所生成的葉片幾何型面較為理想且與前緣橢圓弧及后緣圓弧之間光滑過渡。該靜子葉片計算域在子午流面的投影如圖4所示，其進、出口區分別由轉子后緣和靜子出口各延伸一段距離來形成。用於三維流場計算的網格投影示意圖分別見圖5(a)、(b)、(c)。
