【摘要】：為追求更高性能的航空發(fā)動機,降低重量、提升葉片負(fù)荷成為低壓渦輪部件重要發(fā)展方向,但高負(fù)荷葉片在高空低雷諾數(shù)工況下出現(xiàn)邊界層分離風(fēng)險顯著提高,導(dǎo)致低壓渦輪效率迅速衰減,進而影響整個航空發(fā)動機推力及耗油率。因此,探討低雷諾數(shù)下多級環(huán)境中低壓渦輪流動特征,研究葉片邊界層轉(zhuǎn)捩、分離及再附等過程對性能的影響,進而發(fā)展高性能多級低壓渦輪氣動設(shè)計方法,對自主研制先進航空發(fā)動機具有重要的意義。本文首先在CFD求解器NUAA-Turbo中進一步發(fā)展γ和γ-Reθ兩種轉(zhuǎn)捩模型,適用于葉輪機械中定常及非定常下邊界層轉(zhuǎn)捩數(shù)值計算分析。在低雷諾數(shù)工況下,通過對均勻來流及上游尾跡掃掠下T106-EIZ葉柵數(shù)值模擬驗證,討論轉(zhuǎn)捩模型的預(yù)測精度;并將分離修正模型應(yīng)用于γ模型,解決了γ模型預(yù)測層流分離泡過大等問題,為多級低壓渦輪設(shè)計過程中數(shù)值校核提供可靠的工具和基礎(chǔ)。另一方面,基于曲率控制葉型造型方法,開發(fā)和完善多級低壓渦輪三維氣動設(shè)計程序,可實現(xiàn)不同載荷分布葉型設(shè)計并保證曲率連續(xù)、可導(dǎo),徑向分布規(guī)律包含等環(huán)量、等α角和變功等設(shè)計方案。然后通過不同曲率分布對T106D-EIZ葉型進行重新設(shè)計,獲得前加載葉型T106D-F和后加載葉型T106D-A,在低雷諾數(shù)工況下,T106D-F對分離的抵抗能力得到增強,在上游尾跡作用下喉道分離泡進一步被抑制,而T106D-A由于擴散區(qū)逆壓力梯度增加,在相同尾跡通過頻率下,吸力面邊界層仍處于開式分離狀態(tài),總壓損失系數(shù)約為T106D-F的三倍。接著,利用SST-γ模型對典型高性能低壓渦輪GE-E3開展數(shù)值計算分析,研究表明,帶分離修正的γ轉(zhuǎn)捩模型能捕捉多級低壓渦輪中二次流誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩、葉尖泄漏流誘導(dǎo)轉(zhuǎn)捩及分離轉(zhuǎn)捩等流動現(xiàn)象,計算得到的低壓渦輪等熵效率較全湍流邊界層假設(shè)的計算結(jié)果高2.9%;在低雷諾數(shù)工況下,SST-γsep模型預(yù)測葉片吸力面出現(xiàn)不同程度開式分離,導(dǎo)致GE-E3 LPT等熵效率較設(shè)計點工況降低了3.6%。并利用開發(fā)的三維造型程序?qū)E-E3重新設(shè)計,將葉型載荷前移后能在更低的雷諾數(shù)工況下提高渦輪等熵效率約0.8%,但同時會導(dǎo)致端區(qū)二次流有所增強。最后,本文針對典型后加載高性能五級低壓渦輪開展數(shù)值研究,探討高負(fù)荷后加載葉型設(shè)計特點與流動特征,將各排葉片數(shù)減少20%,研究超高載荷葉型高空巡航點工況下多級低壓渦輪流場特點,并其中作為損失主要來源的導(dǎo)葉重新設(shè)計,結(jié)果表明,將喉道位置移至葉型通道時,該后加載葉型仍能保持很好的氣動性能,且具有湍流邊界層覆蓋面積小、端區(qū)二次流強度弱等優(yōu)點;當(dāng)進一步減小葉片數(shù)、提高葉型負(fù)荷時,葉片未覆蓋區(qū)出現(xiàn)層流分離泡并能誘導(dǎo)邊界層轉(zhuǎn)捩再附,減少20%葉片數(shù)后該五級低壓渦輪等熵效率僅降低約0.9%。
【圖文】：

第一章 緒論1.1 研究背景及意義隨著航空發(fā)動機設(shè)計及制造水平的快速發(fā)展，作為功率輸出的關(guān)鍵部件低壓渦輪，其性能的好壞直接決定發(fā)動機的推力、耗油率及可靠性。現(xiàn)如今我國自主研發(fā)商用大飛機 C919正逐步走向國際化市場，為配備自主研制的大涵道渦扇發(fā)動機，必須使其具備耗油率低、污染小、推力大等特點。目前，，低壓渦輪部件重量占到整個發(fā)動機的 20%~30%，級數(shù)可多達(dá)5~7 級[1]，在設(shè)計工況下不考慮低雷諾數(shù)效應(yīng)，多級低壓渦輪部件效率都在較高的水平上（90%~93%）。航空發(fā)動機經(jīng)過了大約半個世紀(jì)的發(fā)展，低壓渦輪的整體效率大約只提高了13%，目前要想進一步提高低壓渦輪效率將會變得非常困難[2]。Wisler 曾在 1998 年說過，當(dāng)提升發(fā)動機效率變得很艱難的時候，通過減少發(fā)動機的整機或部件重量，也可以極大的減少發(fā)動機油耗、制造等運行成本，從而提高經(jīng)濟效益[3]。這成為低壓渦輪技術(shù)發(fā)展提供了另外一個重要方向，圖 1.1 為 GE nx 渦扇發(fā)動機示意圖，其低壓渦輪采用超高升力葉型設(shè)計理念。

圖 1. 2 GP7000 低壓渦輪葉片數(shù)發(fā)展趨勢[6]以中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所的科研項目《多級低壓渦輪 RANS/LES 三程序研究》為背景，在課題組 CFD 求解器 NUAA-Turbo[7][8]基礎(chǔ)上，對 RA型進行數(shù)值驗證，對低壓渦輪中低雷諾數(shù)效應(yīng)及多級葉排中上游尾跡對邊進行深入研究和討論；完善基于葉型曲率控制的渦輪三維造型程序，探討雷諾數(shù)效應(yīng)的敏感程度，并對現(xiàn)有的多級低壓渦輪進行改型或再設(shè)計，旨壓渦輪氣動設(shè)計提供一定的指導(dǎo)和借鑒。級低壓渦輪設(shè)計發(fā)展多級低壓渦輪部件與風(fēng)扇、低壓壓氣機相接，為保證足夠輸出功率，低壓平均半徑高、葉片長、葉型彎折角大等特點[9]。受到高壓渦輪和過渡段流流道擴張角大、葉柵通道收縮比低，氣流不斷膨脹、密度降低，后面幾級數(shù)進一步減小，邊界層層流化可能在逆壓力梯度作用下出現(xiàn)開式分離。低輪機械，隨著對內(nèi)流流動機理的深入理解和計算能力的高速發(fā)展，航空葉過去的半個多世紀(jì)里得到不斷完善和提升，具體流程可以分為一維參數(shù)設(shè)
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V232

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本文編號：2665047