叶轮机械是以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。一台完整的轴流式叶轮通常包含有进、排气管道和级组。轴流式叶轮级组由转子和静子组成。

转子是一个高速旋转并与流体发生功能转换的组合件。以双转子涡喷发动机为例，压气机又分为低压转子和高压转子；在双转子涡扇发动机中，低压转子就是风扇转子，或者风扇转子和低压压气机转子的组合。

静子是静子组合件的总称。在单转子涡喷发动机中，压气机机匣由进气装置、整流器机匣和扩压器机匣组成。在双转子压气机中，在风扇和压气机之间还有一个分流机匣，将内外涵道的气流分开。

叶片级由静叶叶栅和动叶叶栅顺序的配置组成。每个静、动叶栅组合成一个级，是轴流式叶轮的基本工作单元。静叶栅为静子的一部分，动叶栅为转子的一部分。

图1 叶轮单级几何示意图

图1为一轴流式压气机叶轮单级示意图。其中为动静叶进出口高度也称外径高度，为动静叶叶根处高度，为动静叶叶片中径，为动静叶间轴向间隙，为叶顶处径向间隙，，分别为动、静叶片宽度，叶片高度为。

级的通流部分由静、动叶栅和其他几何结构要素组成，级的几何尺寸除了根据热力特性参数进行的热力设计之外，还需合理的选择叶型及其几何结构要素才能保证级具有高的热力特性。

叶栅的几何特性可分为叶型和叶栅特性两部分，如图2中所示。

图2 叶栅几何示意图

叶型是指叶片的横截面形状，它的周线叫作型线，叶型几何性质主要由如下参数定义：

①中弧线：叶型内切圆圆心的连线。

②弦线：叶型内弧侧进口边与出口边的切线。

③叶型转折角：又称弯曲角，中弧线入口端与出口端切线的夹角，表示叶型的转折程度。

④弦长：叶型入口到出口端在弦线方向的距离。

叶型沿额线方向以相同的间隔和角度排列成为叶栅，其几何特性及参数有：

①额线：叶片入口边及出口边公切线分别称为前额线和后额线，额线的方向与叶片圆周运动方向一致。

②安装角，：叶片弦线与额线的夹角。其中为静叶安装角，为动叶安装角。

③栅距：两相邻叶型上对应点沿额线方向的距离。

④叶栅宽度：前后额线轴向距离。该参数直接决定叶栅的宽度，可以由弦长和安装角确定。

⑤相对栅距，其倒数成为叶栅稠度。它表示叶栅中叶片排列的疏密程度。

⑥出口截面宽度：指叶片出口边到相邻叶片背弧间所做外切圆的直径，表示叶片间所构成的通道的特点。

⑦几何入口角，及几何出口角，：叶型中弧线在入口边和出口边与额线的夹角。其中，为静叶几何入口角和出口角，，为动叶的几何入口角和出口角。静叶的转折角，动叶亦有相同的关系。

在叶片设计中，叶片的三维积叠指的是将不同叶高的二维叶型按照积叠线在径向组装起来形成整个叶片几何。早期在大径高比情况下（），圆周速度沿叶高变化较小，采用沿叶高叶型不变等截面叶片尚可。当叶片的径高比较小时，沿叶高圆周速度的变化明显，叶顶的圆周速度比叶根处大得多。

在特征截面上，沿叶高压强、流速是变化的。由于绝对速度有周向分速度，对于每个流体微团来说，需要有外加的向心力来平衡离心惯性力。此向心力通常就反应为静压随半径的增大。因此在基元级的设计时需将叶片设计成叶型和截面积沿高度变化的变截面扭转叶片。

后来，为了实现控制端区二次流、激波等目的，开发出了弯曲型、倾斜型、复合型等不同类型的积叠线，相应地叶片也从扭叶片发展成了弯扭掠复合叶片。

叶片弯是将各基元叶型沿径向垂直于流向（弦向）相对错位积叠的几何自由度，叶片掠是将各基元叶型沿径向沿流向（弦向）相对错位积叠的几何自由度。衡量弯掠的基本参数是弯（掠）角，即定义积叠线端部切线与径向的夹角。

压力面与端壁形成锐角的情况称为正弯，压力面与端壁形成钝角的情况称为反弯。采用叶片弯的基本出发点是通过叶片周向弯曲或者倾斜，使得叶片表面与气流的作用力在径向的分力不为零，从而控制压强沿叶高的分布。

掠型叶片在压气机中应用较多，通过掠型设计来改善端区二次流的分布，控制激波系的强度，进而提高压气机的效率和失速裕度。从原理上掠形叶片和弯型叶片有相似之处，即不同的掠与不同的弯都会改变叶片径向的压力梯度，使边界层发生径向的迁移。

掠型叶片分为轴向掠、切向掠和复合掠，如图3中所示。轴向掠和切向掠的组合可以出现沿弦向的掠。掠形叶片在低压涡轮中也有应用，为了减小泄漏流量，降低泄漏损失，一般在叶顶10%叶高位置采用掠形设计。前掠一般会导致叶片对来流更加敏感，叶顶压力面一侧易发生分离；相反，后掠使叶片对来流敏感性降低，叶顶压力面一侧不易发生分离，相应的泄漏涡的尺度和强度减弱。

图3 轴向掠、切与复合掠示意图

随着对叶轮性能要求的不断提高，单纯地采用弯或掠其中的一种方式已不能满足对叶轮流道内流动控制的要求。随着对叶轮内部三维复杂流动规律认识的不断深入，使得叶片的弯、掠两种方式同时被使用，经过优化组合叶片弯及掠形成的复合造型对于叶轮性能带来的收益优于单纯弯或掠的收益，并发展为全三维造型。

动叶片借助于叶根和叶轮轮缘连接。主要的几种叶根为：

①倒T形：此类叶根有两种，如图4所示。这种叶根的承载能力较小，只在离心力较小的窄、短叶片上采用。其中（a）、（b）两种叶根的区别在于后者叶根部分的径向接触面积大，叶片牢固系数值高，叶片装配紧力易于保证。

图4 倒T形叶根示意图

②外包倒T形：如图5所示。这种叶根与倒T形叶根的区别在于增加了两个外包小角，其作用是：当轮缘在离心力作用下产生弹性形变后，外包小角上将出现一反弯矩来抵消部分轮缘的弯矩。在同样的应力条件下，使轮缘宽度减小。此类叶根在中等长度叶片上应用广泛。

图5 外包倒T形叶根示意图

③双倒T形、外包双倒T形：由于大功率机组中、中等长度叶片叶型宽、叶片离心力大，在轮缘宽度一定的条件下此类叶根形式使用较多。

④枞树形：如图6所示。其优点是：工作可靠，承载能力大，装配方便，缺点是加工困难。

图6 枞树形叶根示意图

在现代轴流压气机中需要达到较高压比，当压比超过单级压比时，就需要设计为多级形式。气流在多级压气机中流动，是连续的稳定流动，满足流动的连续方程。在压气机中，沿着气流的方向逐级的轴向分速略有下降，经压缩后气流密度增加，因此需要逐级流通面积减小。反应在子午剖面上，流道形式也分为：等外径方案，等内径方案，等平均直径方案以及混合型方案。