隨著離心壓氣機負荷的不斷提高，離心葉輪出口馬赫數隨之不斷增加，出口氣流也變得更加不均勻，使得擴壓器的工作條件惡化，大大降低了離心壓氣機的性能，導致緊湊高效擴壓器的設計非常具有挑戰(zhàn)性，成為制約高壓比離心壓氣機應用于工程實際的主要技術障礙。管式擴壓器（如圖1）由于具有較高的效率以及較寬的穩(wěn)定工作范圍等優(yōu)點，自從上世紀60年代出現(xiàn)以來國外就對其進行了研究，并且已經將其成功應用到了工程領域。如普惠公司（Pratt& Whitney　Group）的PW600系列渦扇發(fā)動機和PT6系列渦軸發(fā)動機的離心壓氣機，其徑向擴壓器和軸向擴壓器設計成連成一體的管式擴壓器。然而管式擴壓器的設計理論和方法并未公開發(fā)表，使得國內鮮有管式擴壓器應用于型號的相關報道，其相關研究資料也較少。 

　　中國科學院工程熱物理研究所研究人員以NASA高壓比壓氣機為研究對象，為其設計了具有不同葉輪尾緣與擴壓器前緣距離，不同喉部長度，不同擴張角和不同喉部面積的管式擴壓器來替代其原有的楔形擴壓器，通過應用校驗后的數值模擬方法，對這四個參數對于壓氣機性能以及管式擴壓器內部流動的影響進行了詳細的分析。而后總結對上述四個參數化設計的結果，對該壓氣機的管式擴壓器進行了優(yōu)化設計，并將帶有優(yōu)化后的管式擴壓器的壓氣機與帶有原楔形擴壓器的壓氣機進行了對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的管式擴壓器能夠在保證靜壓恢復系數不低于原楔形擴壓器的前提下，將原壓氣機的壓比和峰值效率分別提高0.1和1.2%，同時具有較寬的失速裕度（如圖2）。通過流場分析，發(fā)現(xiàn)管式擴壓器特殊的燕尾型前緣結構能夠使離心葉輪出口的流動更加均勻（如圖3），從而為擴壓器擴張段提供更好的進口條件，進而改善了擴壓器內部的流場，提高了壓氣機的效率。 

　　上述研究得到了國家自然科學基金項目（No.51176187&51206163）等項目的支持，研究成果已發(fā)表于ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power。 

圖1 管式擴壓器 

圖2  兩種擴壓器性能對比 

圖3 兩種擴壓器進口Ma云圖