高负荷压气机的设计与研制是提高压气机压比、减轻压气机部件重量、提高军/民用航空发动机性能的主要途径之一。然而叶片负荷的提高势必会导致更大的逆压梯度和叶顶顶部压差,进而增强泄漏流、加剧流动分离损失,极大地限制了压气机稳定裕度和效率的提升。位于转子叶片顶部的处理机匣能够有效拓宽突尖型失速压气机的稳定裕度,但其对压气机效率的影响在很大程度上取决于叶顶间隙尺寸。针对压气机在启动、稳定运行、减速停车和变工况过程中面临的叶顶间隙尺寸变化这一实际问题,有必要研究不同叶顶间隙尺寸下,压气机的失稳特征和叶顶间隙流动与处理机匣的非定常作用机理,进而明晰处理机匣在不同间隙尺寸条件下的扩稳机理和特性。本文以一台高负荷斜流压气机为主要研究对象,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,围绕实壁机匣条件下压气机内部流动失稳特征、处理机匣与压气机叶顶间隙流动相互作用机理及其对压气机稳定裕度和效率的影响机制等问题,细致地开展以下研究工作:(1)间隙对突尖型失速压气机失稳机理的影响:以微型斜流压气机转子和低速轴流压气机转子为研究对象,采用节流阀模型非定常数值计算方法,重点分析了零间隙和大间隙情况下引发压气机失稳流动结构的时空演化规律,以及失速团周向传播特征,揭示了间隙对压气机流动失稳的影响机理,并详细探讨了突尖波低压扰动形成对应的流动结构。研究发现:零间隙下,压气机尾缘的角区分离随着节流不断加剧且影响范围向叶片前缘移动,最终出现“前缘溢出和尾缘倒流”流动特征,在叶片通道形成径向涡,引发突尖型失速先兆;大间隙下,转子叶片前缘泄漏流在节流过程中不断加剧,与主流形成的交界面在前缘溢出的同时,尾缘出现倒流,进而引发压气机突尖型失速先兆。不论哪种失稳机理,该微型斜流压气机的失稳机制与低速轴流压气机一致,均出现“前缘溢出、尾缘倒流”和通道径向涡流动特征,径向涡是引起突尖波低压扰动的流动结构。(2)缝式处理机匣几何设计参数对斜流压气机性能的影响规律及转子叶顶间隙对其扩稳机理的影响:首先以单级微型斜流压气机为研究对象,参数化设计缝式处理机匣,应用DOE全因子试验设计方法,重点分析了变量因子对压气机性能的主效应影响,总结发现轴向缝的长度和开口面积比是对压气机性能影响最明显的两个参数;基于研究结果得到了一个兼顾稳定裕度和效率的处理机匣设计方案,借助非定常数值模拟方法,详细探讨了不同叶顶间隙尺寸下处理机匣与叶顶间隙流的非定常作用机理。时均结果表明:轴向缝与叶顶间隙流相互作用主要体现在对间隙流的抽吸和喷射作用,但是在小间隙下,轴向缝的抽吸作用减弱堵塞实现扩稳,大间隙下,缝的喷射作用起主导扩稳作用;大间隙条件下的非定常叶顶流场图谱表明:轴向缝处理机匣抽取位于叶片通道内的缝底面的流体团,然后在转子上游位置喷出相对总压高的流体团,该流体团与转子前缘碰撞后,分成两个流体微团,一个流体微团沿着叶片压力面向下游传播,导致压力面静压和叶顶差压的提高,另一个流体微团从叶片吸力面进入通道,携带泄漏流向下游传播,抑制了泄漏流在叶片前缘的溢出,从而实现扩稳。(3)缝式处理机匣对压气机失速特性和失速机理的影响:在处理机匣条件下,以单级微型斜流压气机动/静态试验测量为主,研究了3个部分转速下,设计间隙和大间隙条件下压气机失速类型和失速扰动的时空传播特征,结果表明压气机均通过突尖型先兆进入失速状态且失速先兆周向传播速度为80%-90%转子转速;并重点分析了30000rpm时叶顶流场在失稳过程中的演变过程,动态静压测量数据显示:无论是实壁机匣还是处理机匣,靠近失速时,均在叶片尾缘处首先出现静压扰动,该扰动不发生周向传播,再经过几转时间后,在叶片前缘开始出现突尖型失速先兆扰动。进一步地,以单排压气机转子为研究对象,采用节流阀模型和非定常数值模拟方法研究了处理机匣条件下压气机的失稳机制。结果表明,在处理机匣条件下,突尖型失速先兆出现时,叶片通道内仅出现主流与泄漏流交界面溢出的现象,不存在“尾缘反流”现象。这一发现重新考查了压气机突尖失速先兆的判定准则。(4)处理机匣条件下压气机内部流动损失机理:在大间隙处理机匣对压气机效率提高的基础上,以单级微型斜流压气机为研究对象,基于压气机稳定运行热力学参数周期性变化的物理特征,采用定常数值模拟方法,应用当地熵产损失分析模型,探索性地对有无处理机匣压气机内部熵产率的分布进行了分析,揭示了处理机匣对压气机内部流动损失产生正反两方面影响的作用机理,并根据转子尾缘熵产率梯度,划分损失源区域并量化了各区域损失,结果表明处理机匣削弱了叶尖前缘泄漏流与主流的掺混,使转子域机匣端壁损失下降20%左右,显著降低了压气机内部流动损失。