低壓渦輪高負(fù)荷設(shè)計(jì)是減輕低壓渦輪部件重量,提升軍用發(fā)動機(jī)推重比、民用發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的有效途徑之一。然而葉片負(fù)荷的提高勢必會增大端區(qū)橫向壓差,增強(qiáng)二次流、加劇損失。尤其是Zweifel數(shù)1.4以上的超高負(fù)荷低壓渦輪,其內(nèi)部存在異常嚴(yán)重的流動分離現(xiàn)象,極大地限制了超高負(fù)荷葉片在低壓渦輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本文針對高性能航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中這一重要技術(shù)瓶頸,圍繞低壓渦輪端區(qū)非定常流動機(jī)理及流動損失控制等問題,以具有尾跡掃掠模擬功能的低速大尺寸葉柵風(fēng)洞為實(shí)驗(yàn)載體,采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究方法,深入細(xì)致地開展了以下4方面的研究工作:(1)典型低壓渦輪內(nèi)部端區(qū)二次流的演化機(jī)制:以典型常規(guī)負(fù)荷低壓渦輪葉片為研究對象,采用實(shí)驗(yàn)測試為主,數(shù)值計(jì)算為輔的研究方法,重點(diǎn)分析了低壓渦輪內(nèi)部端區(qū)二次流的非定常演化機(jī)制,掌握了上游尾跡對端區(qū)二次流、葉片附面層以及相關(guān)損失的影響規(guī)律,詳細(xì)探討了來流雷諾數(shù)、端壁邊界層厚度對端區(qū)二次流的影響機(jī)理,并嘗試?yán)蒙嫌挝槽E掃掠抑制端區(qū)二次流的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn):上游尾跡可以改善葉柵前緣攻角特性,降低葉片前端負(fù)荷,尾跡中的正負(fù)渦團(tuán)與輪轂通道渦相互作用交替進(jìn)行,二次湍動能在整個周期內(nèi)的時均值... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)北京市

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

渦扇發(fā)動機(jī)主要部件各減重10%對飛機(jī)運(yùn)行成本的影響[2]

1]，包含近兩千個葉片。美國NASA研究[2]指出若大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)各部件重量同時減少10%的情況下，低壓渦輪部件的減重對飛機(jī)的維護(hù)和運(yùn)行成本貢獻(xiàn)最大，遠(yuǎn)高于其他部件，如圖1.1所示。另一方面，低壓渦輪對大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)性能影響顯著，以航空發(fā)動機(jī)耗油率為例，在巡航狀態(tài)下（H=12000m，Ma=0.8），低壓渦輪效率每提高1%，發(fā)動機(jī)油耗將降低0.7%～0.9%，是影響航空發(fā)動機(jī)整體性能的關(guān)鍵部件之一[3]。因此，在提高效率的同時，盡可能的減輕重量是現(xiàn)代民用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)低壓渦輪部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是一種發(fā)展趨勢，如圖1.2所示。圖1.1渦扇發(fā)動機(jī)主要部件各減重10%對飛機(jī)運(yùn)行成本的影響[2]圖1.2低壓渦輪葉片數(shù)與壓比關(guān)系的發(fā)展趨勢[4]Figure1.1Effectofreducingindividualcomponentweightby10%[2]Figure1.2DevelopingtrendofLPTbladecountsandpressureratio[4]

?嵌ǔＡ鞫??砑靶灤偷骺胤椒ㄑ芯?2通過高負(fù)荷葉型設(shè)計(jì)可以減少低壓渦輪葉片的數(shù)量甚至低壓渦輪級數(shù)，從而達(dá)到降低低壓渦輪重量、提高航空發(fā)動機(jī)推重比的目的。近年來，高升力、低展弦比、大轉(zhuǎn)折角葉片成了低壓渦輪設(shè)計(jì)的一個新趨勢，越來越多的研究者開始關(guān)注Zweifel數(shù)1.4以上的超高負(fù)荷低壓渦輪葉片研究。但是，葉片載荷的提高將不可避免地增加葉片邊界層中的逆壓梯度，容易導(dǎo)致邊界層分離，加劇葉型損失和二次流損失。另一方面，當(dāng)飛機(jī)在高空巡航時，由于空氣密度的大幅減小致使航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部運(yùn)行雷諾數(shù)的急劇下降。圖1.3顯示了巡航飛行中渦扇發(fā)動機(jī)各部件工作雷諾數(shù)的變化情況[5]，從圖中可以看出，低壓渦輪的工作雷諾數(shù)在發(fā)動機(jī)主要部件中處于最低水平，特別是多級低壓渦輪的后幾級。在高空巡航狀態(tài)下（壓力高度>34kft），低壓渦輪始終處于較低雷諾數(shù)工況，典型的低壓渦輪的雷諾數(shù)水平可低至3×104-5×104，遠(yuǎn)低于低壓渦輪的自�；字Z數(shù)（2×105-3×105）。在高空低雷諾數(shù)條件下，葉片負(fù)荷的提高一方面通過影響通道內(nèi)的橫向壓力梯度來直接影響端區(qū)二次流發(fā)展；另一方面，高負(fù)荷設(shè)計(jì)增強(qiáng)了葉片吸力面后部的逆壓力梯度，從而影響附面層的發(fā)展[5]，并通過附面層與二次流的相互作用間接影響端區(qū)渦系結(jié)構(gòu)的演化。Gregory等[6]研究表明，當(dāng)?shù)蛪簻u輪葉片的展弦比小于3時，端區(qū)二次流損失將占葉片總損失的30%～50%。以上分析可以看出，高負(fù)荷低壓渦輪端區(qū)復(fù)雜流動直接影響低壓渦輪葉片的氣動性能，是高性能大涵道比航空渦扇發(fā)動機(jī)研制過程中亟需解決的關(guān)鍵問題之一。圖1.3渦扇發(fā)動機(jī)在巡航高度運(yùn)行時各部件雷諾數(shù)的變化范圍[5]圖1.4高負(fù)荷低壓渦輪內(nèi)部非定常運(yùn)行環(huán)境[1]Figure1.3VariationofReynoldsnumberthroughtheengine[5]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]采用端壁射流式旋渦發(fā)生器的擴(kuò)壓葉柵流動分離控制研究[D]. 馮巖巖.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017
[2]高負(fù)荷渦輪端區(qū)非定常流動機(jī)理及損失控制研究[D]. 魏佐君.西北工業(yè)大學(xué) 2016

碩士論文
[1]超緊湊渦輪過渡段關(guān)鍵參數(shù)影響研究[D]. 王晏根.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所) 2017
[2]超高負(fù)荷低壓渦輪葉片邊界層分離與轉(zhuǎn)捩控制研究[D]. 張波.中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所） 2012



本文編號：2926115