【摘要】：隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)效率與推重比的提升,壓比與渦輪前溫度逐漸增大,高壓渦輪葉片冷卻成為限制發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵因素。氣膜冷卻是一種已被普遍采用的葉片冷卻技術(shù),冷卻氣流能夠保護(hù)葉片不受高溫主流侵蝕,尾緣吹氣還會對下游流動產(chǎn)生影響。動靜干涉尤其上游尾跡與動葉的干涉是燃?xì)鉁u輪流動中典型的非定常源,會對渦輪的氣動性能、噪聲輻射與疲勞壽命產(chǎn)生很大影響。尾緣吹氣會改變尾跡區(qū)的流動特性,進(jìn)而影響尾跡與動葉的相互作用,從而對渦輪的氣動、噪聲等性能產(chǎn)生影響。本文首先從圓柱繞流與三維葉柵模型出發(fā),通過對比采用k-ε、RNG k-ε、k-ω、SST、DES與LES等模型時的計算結(jié)果,在兼顧計算精度與效率的情況下選擇SST模型來完成后續(xù)研究,并在該模型下進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。其次利用Fluent與CFX軟件對二維圓柱與三維葉柵進(jìn)行了非定常計算,研究了各自的噪聲輻射特性。研究發(fā)現(xiàn)圓柱繞流噪聲頻譜峰值頻率與卡門渦街脫落頻率一致,而高壓渦輪動靜干涉噪聲則主要集中于葉片通過頻率及其倍頻。在入口注入熵波會對動靜干涉產(chǎn)生影響,熵波頻率越低該影響越明顯。最后通過渦聲方程分析了渦輪級噪聲的流動機(jī)理。然后簡化并改型靜葉冷卻結(jié)構(gòu),設(shè)計出四種縫寬的對開縫、半開縫尾緣結(jié)構(gòu),通過定常數(shù)值計算研究了在不同尾緣結(jié)構(gòu)、吹氣流量與劈縫寬度下尾緣吹氣對下游流場的影響。發(fā)現(xiàn)與劈縫寬度及尾緣結(jié)構(gòu)相比,吹氣流量對流場影響最明顯,不同吹氣流量下得到的結(jié)論不同。依次增加吹氣流量形成四種典型尾跡:純尾跡(θ/d0,BR=0.0%)、弱尾跡(θ/d0,BR≠0.0%)、無動量虧損尾跡(θ/d≈0)和射流尾跡(θ/d0),在該過程中總壓損失先增大后減小且峰值向吸力側(cè)偏移,靜葉出口氣流角減小,吸力側(cè)附面層厚度增加,對尾緣的冷卻效果變差。當(dāng)形成無動量虧損尾跡(BR=8.0%)時尾跡速度虧損被最大程度消除,尾跡對下游流動影響最小。最后通過非定常計算研究了純尾跡、無動量虧損尾跡和射流尾跡對動葉通道流動及噪聲輻射的影響。發(fā)現(xiàn)無動量虧損尾緣吹氣相比于原型可以加強(qiáng)尾跡與主流的摻混并減弱尾跡與動葉的干涉,吸力側(cè)干涉渦尺度減小,對下游流動的阻塞減弱,動葉表面靜壓波動峰值與偶極子噪聲源強(qiáng)度降低,射流尾跡時流動狀況反而惡化。從總聲壓級的結(jié)果來看,無動量虧損尾跡總聲壓級降低了約2.48dB,射流尾跡總聲壓級增加了約0.96dB。
【圖文】：

動通過對流傳播至下游渦輪葉柵，，在葉柵通道的作用下被加速、扭曲并發(fā)射聲波，這就是間接燃燒噪聲的產(chǎn)生機(jī)理[4]。間接燃燒噪聲的影響是雙向的，一方面聲波向下游傳播會與發(fā)動機(jī)其他結(jié)構(gòu)相互作用；另一方面向上游傳播的聲波會影響燃燒室內(nèi)的熱聲特性從而改變直接燃燒噪聲。因此間接燃燒噪聲是大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)噪聲的重中之重。此外靜子葉柵的尾跡沖擊高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、渦輪級中一系列脈動的激波以及旋渦脫落都會誘導(dǎo)出間接燃燒噪聲。Unsteady heat releaseTurbine stagesAcoustic waves Entropy wavesDirect combustionnoiseIndirect combustionnoise (a) 直接噪聲和間接噪聲分類

從而達(dá)到提高渦輪氣動性能與降噪的目的，國內(nèi)外學(xué)者究。主要的降噪手段有轉(zhuǎn)靜子間距控制、增大噴嘴幾何出氣角學(xué)鋸齒尾緣與尾緣吹氣等。但是在航空發(fā)動機(jī)中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極更改區(qū)間太小故而降噪效果有限，而增大幾何出氣角則會嚴(yán)重動性能亦不可取，附面層吸除是一種主動控制方式，但在航空發(fā)一定困難。葉片尾緣鋸齒改型實現(xiàn)降噪是近幾年比較熱門的課氣冷渦輪在航空發(fā)動機(jī)上的成功應(yīng)用而具有先天優(yōu)勢。接下來兩種降噪方案的研究進(jìn)展。鋸齒降噪的研究進(jìn)展在發(fā)明新設(shè)備發(fā)展新技術(shù)的時候，總是會借鑒自然界已有生物這就是所謂的仿生學(xué)。湍流噪聲在自然界中普遍存在，研究發(fā)在幾百萬年乃至上千萬年的進(jìn)化中形成了一套用于流動控制的行貓頭鷹的翅膀結(jié)構(gòu)具有消聲作用（見圖 1-2），座頭鯨的鰭肢3）。因此，在航空發(fā)動機(jī)噪聲控制研究中，仿生學(xué)帶來的新思路鋸齒
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V231

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本文編號：2666247