涡轮端区非定常相互作用机理及流动控制技术探讨

admin · 发表于 2024-2-17 18:06:37

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发展军用高性能第四代、第五代战斗机对航空发动机的涡轮部件设计提出了更高的要求，即具有更高的气动效率、冷却效果及工作可靠性等。众所周知，叶轮机内部的流动本质上是周期性非定常的。深入理解和掌握涡轮端区的非定常流动机理，在此基础上探讨涡轮端区流动的有效组织和控制方法，对于高性能发动机涡轮部件的设计具有十分重要的意义。本文围绕涡轮端区非定常相互作用的物理机制这一核心题目，对相关内容进行了系统和深入的研究，并在此基础上探讨了涡轮端区流动损失的控制方法。上游尾迹的非定常效应是引起涡轮内部流动非定常性的主要因素之一。本文利用数值模拟和机理性实验作为研究手段，以涡轮叶栅和真实涡轮转子为研究对象，全面分析了上游周期性尾迹作用下涡轮端区二次流和叶尖泄漏流的时空演化机制，深入探讨了尾迹与涡轮端区二次流和叶尖泄漏流的非定常相互作用机理，总结了尾迹非定常效应对涡轮端区流动性能的影响规律。研究表明，尾迹在涡轮通道中的输运主要产生了两方面影响：一方面使得涡轮出口通道涡和泄漏涡的损失减小，气流角分布得到改善，对涡轮端区流动性能有利；另一方面尾迹在通道中传播产生了附加的非定常损失，尾迹对涡轮端区的综合非定常效应取决于两者之间的平衡。分析发现尾迹非定常效应抑制涡轮通道涡的发展主要包括尾迹与马蹄涡压力面分支相互作用机理，以及尾迹与通道涡的相互作用机理，文中对此分别进行了详细分析。尾迹的非定常效应还使得涡轮叶尖泄漏涡中出现周期性径向扰动涡对，扰动涡对沿着泄漏涡中心线向下游传播，引起转子叶尖吸力面负荷分布出现明显的波动，导致叶片表面的非定常力增大。在非定常涡轮级环境下，相邻叶片排的激波和位势作用也是引起流动非定常性的主要因素，因此本文分别对下游位势场和激波与涡轮转子端区二次流和叶尖泄漏流的非定常相互作用进行了研究。对位势作用的研究表明，在亚音速条件下非定常位势场使得转子出口熵增和效率呈现明显的周期性变化，而时间平均转子出口总性能没有明显改变；转子性能的周期性变化主要来源于下游导叶位势场对转子出口端区二次流和叶尖泄漏流的非定常作用，文中利用旋涡运动学理论进行了分析。对激波非定常作用的研究显示，导叶尾缘激波引起转子叶片表面产生强烈的非定常脉动，从而影响了端区二次流和叶尖泄漏流的发展。对某型无低压导叶对转涡轮内部非定常流动的研究表明，叶片排之间的非定常效应明显改变了对转涡轮的总性能，其中高压动叶出口的强尾缘激波系是引起流动非定常性最重要的因素，在涡轮设计中需要考虑。在流动机理研究的基础上，本文进一步探讨了利用流向涡控制涡轮端区二次流损失的方法，该方法通过流向涡抑制马蹄涡压力面分支的发展，从而达到减小出口二次流损失的目的。重点分析了流向涡与马蹄涡压力面分支的相互作用物理机制，比较了不同位置流向涡对涡轮叶栅性能的影响。研究表明合理的流向涡分布能够有效减小通道涡损失，改善出口气流角分布，从而提高涡轮端区流动性能。

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