跨聲速高壓氣冷渦輪級氣動性能研究.pdf

1、現(xiàn)代航空燃氣渦輪發(fā)動機為了獲得更高的推重比和熱效率，不斷提高渦輪前溫度，精簡渦輪級數(shù)。高溫、高膨脹比必然帶來渦輪內(nèi)部流動的局部超聲速。國際上先進氣冷渦輪氣動設計的理念是在不影響渦輪做功能力的前提下，實現(xiàn)葉片表面的冷卻效果最大化。這使冷氣與主流的摻混研究成為渦輪研究設計中的一個關鍵問題。本文主要對尾緣冷氣噴射形式對流場的影響、考慮冷氣噴射影響的葉型設計以及非定常條件下局部優(yōu)化設計對流場的影響進行了深入分析和研究。
　　本文首先通過對

2、高壓渦輪靜葉尾緣不同方案的冷氣噴射數(shù)值模擬，分析了不同冷氣噴射方式以及不同冷氣噴射量對于靜葉尾緣激波強度和下游動葉流場的影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用壓力面尾緣斜劈縫冷卻對于減弱尾緣激波強度，減小摻混損失，改善流場流動有優(yōu)勢。采用尾緣對開縫冷卻，可以削弱尾跡渦對強度，減小尾跡損失，但是摻混損失較大。動葉進口氣流角隨著冷氣注入量的增大而減小，冷氣噴射對動葉柵頂部馬赫數(shù)影響要較其他部分弱。
　　然后，探討了具有凹陷特征的跨聲速氣冷渦輪葉型以及在

3、靜葉吸力面激波反射點進行冷氣噴射來削弱激波強度的可行性。結果表明，具有前緣凹陷特征的氣冷渦輪葉型可以把冷卻氣體以冷氣旋渦的形式控制在其凹陷部位；與傳統(tǒng)葉型比較，新型葉型的主流流動較合理。在吸力面激波反射點附近噴射冷氣是一種行之有效的控制激波強度的方法；冷氣噴射位置位于激波反射點附近時注入冷氣對減弱激波強度有積極作用。
　　接著，本文又詳細研究了有靜葉尾緣冷氣噴射條件下的跨音速高壓渦輪級內(nèi)的流動規(guī)律，探討了靜葉尾緣激波對于附面層分離

4、以及下游動葉流動的影響、采用正彎靜葉片后對于級內(nèi)激波強度的削弱帶來的積極影響以及上游靜葉變化對于下游動葉流動的影響，為高壓渦輪級內(nèi)冷氣與主流摻混對流動影響的研究提供了必要的知識儲備和理論依據(jù)。
　　實驗研究不能完全模擬航空發(fā)動機的實際工作條件，利用數(shù)值模擬的優(yōu)勢深入研究渦輪葉片的實際工作狀態(tài)具有很重要的工程意義，本文為了更加深入研究高壓渦輪級內(nèi)的真實流動特性，對無冷氣噴射和有尾緣冷氣噴射情況下的各種方案的渦輪高壓級進行了詳細的非定

5、常數(shù)值模擬和分析。研究發(fā)現(xiàn)，跨音速渦輪靜葉受非定常勢流影響的主要區(qū)域集中在吸力面擴壓段到尾緣區(qū)域，動葉表面壓力的非定常波動非常明顯，葉片負荷變化很大；靜葉尾緣激波強度呈現(xiàn)周期性變化，相對來說尾緣激波的壓力面分支受下游動葉周期性運動的影響較??；尾跡渦對的吸力面一側渦受到動靜葉間的非定常干擾影響較小，而壓力面?zhèn)任槽E渦受非定常效應影響較大，旋渦強度變化較劇烈。尾跡傳播方向隨著下游勢流的變化而產(chǎn)生相應的變化；采用正彎靜葉片后，下游動葉中部截面的