渦扇發(fā)動機(jī)低壓導(dǎo)向器及過渡段分離流動控制技術(shù)研究.pdf

1、在現(xiàn)代高性能航空渦扇發(fā)動機(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、更少的級數(shù)和單級葉片數(shù)以及更高的單級輸出功率等方法。本文所研究的是某型小型渦扇發(fā)動機(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，由高壓級向低壓級過渡時，存在擴(kuò)散度較大的中間機(jī)匣，因此不僅在葉柵上游來流是擴(kuò)壓的，葉柵前部流道也是擴(kuò)壓的，低壓導(dǎo)向器來流端壁

2、邊界層在上端壁附近迅速增厚并分離，同時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)的流場特點(diǎn)，并根據(jù)流場特點(diǎn)采用多種方式對整個流動進(jìn)行改善。
　　本文首先采用數(shù)值模擬的方法對如何控制大子午擴(kuò)張渦輪導(dǎo)葉柵前分離進(jìn)行研究。選用某一子午型線，通過多個前掠寬弦葉型方案與其匹配來研究葉片子午位置對柵前分離控制的效果。對帶端壁

3、分離原始葉型的流動損失特點(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上端壁多個渦系損失的發(fā)展。對比分析了多個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，根據(jù)三種不同的頂部來流條件，選用三個不同的子午前掠寬弦葉型，通過兩種調(diào)整頂部擴(kuò)張率分布的方式對子午型線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并對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控制較厚的端壁邊界層在柵內(nèi)的發(fā)展，通過對根部和頂部分別采用積疊線彎曲的方式對柵內(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，研究了采用S1流面的型線修型方式來調(diào)整柵前和柵內(nèi)沿葉高的流

5、量和載荷分布的方法，并用此方法對柵內(nèi)流動進(jìn)行控制，通過優(yōu)化的方式得到最優(yōu)S1流面上的葉片型線。對原型和優(yōu)化葉型進(jìn)行內(nèi)部流場和損失的對比分析，得到通過優(yōu)化S1流面上的葉片型線的方法控制柵內(nèi)流動損失的機(jī)理，指出對葉片修型能夠調(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，并對兩個方案

6、的柵內(nèi)流場以及損失發(fā)展進(jìn)行對比分析，得到支板對柵內(nèi)流動的主要影響區(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，使得該處的損失發(fā)展與普通葉柵流道有較大差異。同時，對帶支板的葉柵流道進(jìn)行子午修型，并對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