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          低雷諾數下一體化超緊湊過渡段非定常流動機理研究進展
          发稿时间:2018-11-29         作者:刘红蕊          来源:輕型動力實驗室     【字号:

            航空發動機的高低壓渦輪之間采用過渡段連接。爲了減輕發動機重量,提高低壓轉子動力學特性,現代航空發動機廣泛采用超緊湊過渡段。超緊湊過渡段內存在複雜的壓力分布,其進口存在旋流、尾迹、激波和葉頂間隙泄漏流等現象;一些發動機過渡段內甚至布置了寬厚支板;此外,高空巡航狀態下渦輪流動雷諾數大幅下降等因素使超緊湊過渡段及其下遊低壓渦輪內部極易出現流動分離,嚴重影響了過渡段及低壓渦輪氣動性能。

            本團隊將低壓渦輪導向器與支板合並,實現過渡段與低壓渦輪導向器一體化設計,可有效提高過渡段、低壓渦輪的緊湊度,從而改善過渡段內部流場組織並抑制傳統超緊湊過渡段內的三維分離。此外,前人研究表明尾迹掃掠可改善下遊葉片性能。本項目采用數值模擬及實驗方法,對利用超緊湊過渡段上遊高壓轉子尾迹來抑制過渡段下遊低壓渦輪導向器吸力面附面層分離的機理進行了深入研究,實驗台如圖1所示。

            研究者對比分析了高空低雷諾數設計工況下,均勻進氣和尾迹掃掠時的一體化超緊湊過渡段內部流動狀態和損失特性;闡述了尾迹在一體化超緊湊過渡段內的輸運特性和一體化超緊湊過渡段的非定常流動機理;揭示了低壓渦輪導向器吸力面的分離流動特征和轉捩機制,如圖2所示。 

            來流條件對一體化超緊湊過渡段非定常流動,尤其是低壓渦輪導向器附面層分離、轉捩機制有重要影響。在一體化超緊湊過渡段非定常流動機理研究的基礎上,研究團隊進一步研究了雷諾數和湍流度的變化對一體化超緊湊過渡段非定常流動性能的影響後發現,一體化超緊湊過渡段的損失隨著來流雷諾數的增大而降低,流場組織也得到了一定改善;湍流度對一體化超緊湊過渡段的影響相對較小,且其對一體化過渡段的影響具有雙重性,一體化過渡段內的損失變化取決于湍流度正反兩方面作用的平衡。 

            挖掘利用尾迹掃掠來提高一體化超緊湊過渡段氣動性能的最大潛力是本研究的重要目標。通過研究尾迹強度和尾迹掃掠頻率兩個尾迹特征對一體化超緊湊過渡段非定常流動的影響後發現,尾迹強度對一體化過渡段的三維非定常流場特性,尤其是低壓渦輪導向器吸力面附面層的影響較大。尾迹強度和尾迹掃掠頻率對一體化過渡段的非定常流動性能均具有雙重作用。圖3爲不同尾迹強度和不同尾迹掃掠頻率下一體化超緊湊過渡段流道內損失的時均值分布。可以看出,保持其他因素不變,綜合過渡段通道和低壓渦輪導向器損失的一體化超緊湊過渡段的損失分別在d=2.6mmf=1.34時最小。 

            本研究得到了航空動力基金(6141B090309)的支持,已發表SCI論文2篇,申請發明專利3項。 

           

            a)裝配圖 

           

            (b)實物圖

            圖1一體化超緊湊過渡段實驗台

           

            a)形狀因子 

           

            (b)附面層損失系數

            圖2低壓渦輪導向器吸力面附面層積分參數時空雲圖

           

            a)不同尾迹強度 

           

            b)不同尾迹掃掠頻率 

            圖3不同尾迹特征下各分析截面的損失系數時均值分布

           
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