新型低稠度叶尖涡轮流动机理及叶型设计技术研究
本课题组提出的新型附加涵道风扇结构能够较好地解决涡扇发动机涵道比增大带来的风扇和低压涡轮转速不匹配的矛盾，其核心部件叶尖涡轮具备低稠度和低展弦比特征，稠度低至0.6(常规稠度1.2～1.6)，展弦比低至0.4(常规展弦比1.5～2.0)。目前对该特征叶尖涡轮的流动机理和设计技术并没有形成完善的理论体系。本文基于新型附加涵道风扇结构原理样机，采用数值模拟的方法开展了低稠度叶尖涡轮流动特征以及其设计技术的研究，并为后续研发新型大涵道比推进动力奠定理论基础。主要工作包括： 1、基于新型附加涵道风扇推进动力概念，重点分析附加涵道风扇的技术特点，并在此基础上对其核心部件叶尖涡轮开展了数值研究，深入分析其低稠度气动特性与做功机制。研究表明：稠度降低将导致叶栅通道中气动喉道逐步移出流道，使得气流膨胀加速能力丧失；低展弦比特征下间隙泄漏流往下侵入叶根，造成主流流动损失加剧；提出有效提能区和能量提取率来阐明其做功机理并表征叶尖涡轮的出功能力强弱。稠度低至0.6时，叶轮能量提取率降为55.7%，有效提能区面积占流道面积比仅为50%左右。 2、开展适用于新型大涵道比附加涵道风扇动力系统的低稠度前加载叶型设计技术研究，通过叶型中弧线最大挠度位置和叶根前缘直径两个因素来分析叶栅喉道位置和径向压差变化对叶尖涡轮流场和性能的影响。结果表明：当中弧线最大挠度位置靠近前缘时，能够在低稠度涡轮叶栅通道内形成良好的气动喉道，对提升低稠度叶栅中气流膨胀加速能力作用显著；前缘直径选取适当时，能够降低叶片径向压差，缓解叶顶泄漏涡团和根部抬升低能流涡团的掺混，降低流动损失；最终，当中弧线最大挠度位置为轴向10%，叶根前缘直径为1.5mm时，低稠度叶尖涡轮性能最佳，相比原叶型，效率提升了3%左右。 3、探索串列叶栅技术在低稠度叶尖涡轮中扩大叶片强影响区域的应用效果，重点研究串列叶栅周向位置和轴向重合度对叶尖涡轮能量提取和出功性能的影响。周向偏距的变化可缩减低稠度叶轮尾缘附近的分离涡尺度，增强气流偏转能力；轴向重合度的合理分布可进一步扩大叶片的强影响区域，增强叶片对气流的束缚能力。当串列叶栅周向偏距为0.8t，轴向重合度为0时，该方案性能最佳。最佳方案的能量提取率相比原单排低稠度叶栅提升8%，提取率参照值达到0.92，出口截面有效提能区面积占比提升至90%以上，低稠度叶尖涡轮性能提升明显。
涡扇发动机;大涵道比涡扇;低稠度;叶尖涡轮流动;串列叶栅;叶型设计
南京航空航天大学
硕士
工程热物理
黄国平
2017
中文
V231.3;V235.13
84
2018-09-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）