渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓導(dǎo)向器及過(guò)渡段分離流動(dòng)控制技術(shù)研究.pdf

1、在現(xiàn)代高性能航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了滿足更高的推進(jìn)效率和推重比、更小的耗油率、更緊湊的結(jié)構(gòu)、更輕的重量等要求，多采用更高的涵道比、更短的高低壓渦輪軸向距離、更少的級(jí)數(shù)和單級(jí)葉片數(shù)以及更高的單級(jí)輸出功率等方法。本文所研究的是某型小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪低壓導(dǎo)向器，由于涵道比較大以及高低壓渦輪軸向距離較小的結(jié)構(gòu)要求，由高壓級(jí)向低壓級(jí)過(guò)渡時(shí)，存在擴(kuò)散度較大的中間機(jī)匣，因此不僅在葉柵上游來(lái)流是擴(kuò)壓的，葉柵前部流道也是擴(kuò)壓的，低壓導(dǎo)向器來(lái)流端壁

2、邊界層在上端壁附近迅速增厚并分離，同時(shí)與葉片圓柱形前緣相互作用形成大尺度、強(qiáng)旋的進(jìn)口馬蹄渦系。研究此類葉柵中的旋渦結(jié)構(gòu)以及如何減少其損失都具有很大的工程實(shí)用價(jià)值。本文采用數(shù)值模擬的方法研究此渦輪導(dǎo)葉內(nèi)的流場(chǎng)特點(diǎn)，并根據(jù)流場(chǎng)特點(diǎn)采用多種方式對(duì)整個(gè)流動(dòng)進(jìn)行改善。
　　本文首先采用數(shù)值模擬的方法對(duì)如何控制大子午擴(kuò)張渦輪導(dǎo)葉柵前分離進(jìn)行研究。選用某一子午型線，通過(guò)多個(gè)前掠寬弦葉型方案與其匹配來(lái)研究葉片子午位置對(duì)柵前分離控制的效果。對(duì)帶端壁

3、分離原始葉型的流動(dòng)損失特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，指出控制端壁分離能夠控制整個(gè)上端壁多個(gè)渦系損失的發(fā)展。對(duì)比分析了多個(gè)前掠寬弦葉型方案與此子午型線匹配下的頂部和根部二次流變化，得到了某一子午型線與前掠寬弦葉型匹配的流動(dòng)損失變化規(guī)律，并指出葉片頂部前緣最優(yōu)子午位置在頂部端壁分離位置附近。同時(shí)，根據(jù)三種不同的頂部來(lái)流條件，選用三個(gè)不同的子午前掠寬弦葉型，通過(guò)兩種調(diào)整頂部擴(kuò)張率分布的方式對(duì)子午型線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并對(duì)不同子午型線方案與前掠寬弦葉型的匹

4、配方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同的頂部來(lái)流條件下子午型線的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及其控制損失的機(jī)理和規(guī)律。
　　本文采用調(diào)整葉片三維幾何型線的方式來(lái)控制較厚的端壁邊界層在柵內(nèi)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)根部和頂部分別采用積疊線彎曲的方式對(duì)柵內(nèi)徑向壓力分布進(jìn)行調(diào)整，得到了根部和頂部二次流的控制機(jī)理和規(guī)律，指出頂部采用適度的反彎曲能夠降低頂部二次流損失，而根部采用適度的正彎曲能夠降低根部二次流損失。同時(shí)，研究了采用S1流面的型線修型方式來(lái)調(diào)整柵前和柵內(nèi)沿葉高的流

5、量和載荷分布的方法，并用此方法對(duì)柵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行控制，通過(guò)優(yōu)化的方式得到最優(yōu)S1流面上的葉片型線。對(duì)原型和優(yōu)化葉型進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)和損失的對(duì)比分析，得到通過(guò)優(yōu)化S1流面上的葉片型線的方法控制柵內(nèi)流動(dòng)損失的機(jī)理，指出對(duì)葉片修型能夠調(diào)整柵前和柵內(nèi)的載荷和流量，降低根部馬赫數(shù)和根部出口的徑向壓力梯度，從而降低激波附面層干擾的分離損失和徑向摻混損失，減小了葉柵出口根部損失。
　　分別對(duì)加入支板和不帶支板的大子午擴(kuò)張渦輪進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)兩個(gè)方案

6、的柵內(nèi)流場(chǎng)以及損失發(fā)展進(jìn)行對(duì)比分析，得到支板對(duì)柵內(nèi)流動(dòng)的主要影響區(qū)域和變化特點(diǎn)以及支板兩側(cè)損失的發(fā)展規(guī)律。研究結(jié)果表明，加入支板主要影響了支板兩側(cè)流道的流動(dòng)，使得該處的損失發(fā)展與普通葉柵流道有較大差異。同時(shí)，對(duì)帶支板的葉柵流道進(jìn)行子午修型，并對(duì)不同的子午修型型線與帶支板葉柵匹配的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析了各方案的總體損失變化規(guī)律，并將性能得到改善的方案與原型進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，得到了采用子午修型方法改善帶支板大子午擴(kuò)張渦輪的機(jī)理。研究