非轴对称端壁造型技术在高压涡轮中应用的机理分析及试验研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：非轴对称端壁造型技术在高压涡轮中应用的机理分析及试验研究作者：那振喆学科专业：航空宇航科学与技术指导教师：刘波2017年11月Title:AerodynamicMechanismAnalysisandExperimentalResearchofNon-AxisymmetricEndwallinaHighPressureTurbineByNaZhen-zheUndertheSupervisionofProfessorLiuBoADissertationSubmittedtoNorthwesternPo

2、lytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofAerospaceScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaNov2017摘要摘要随着现代航空燃气涡轮发动机性能的不断提升，对作为核心机关键部件之一的燃气涡轮提出了更为苛刻的要求，因此发展新的高性能燃气涡轮气动设计技术至关重要。然而燃气涡轮内部流场具有极强的复杂性，而高性能燃气涡轮的研制又要求其级数更少、叶片负荷更高、压力和温度梯度更大，并且金属材料冷却，轮毂、

3、叶冠封严等冷气系统也会进一步加剧涡轮内部流场的复杂性。常规的涡轮气动设计手段已经难以满足高性能燃气涡轮对流场组织提出的更高的需求，因此有必要有针对性地探讨涡轮内部精细化流动组织方式，研究适用的流动控制技术。目前，非轴对称端壁造型技术作为一种有效的端区二次流流动控制技术，已成为高性能燃气涡轮研制的重要技术储备之一，因此，开展非轴对称端壁造型技术研究，深入探索非轴对称端壁对涡轮内部流场的影响规律和改善流场品质的流动机理，对高性能燃气涡轮的设计具有重要意义。本文针对非轴对称端壁造型技术开展的研究工作可归纳如下：首先开展了非轴对称端壁的造型方法研究，

4、根据非轴对称端壁造型思想发展了一种“Bezier曲线法”的造型方法。通过对几种典型非轴对称端壁造型方法的改进和整合，建立了一套集多种造型方法于一体的“非轴对称端壁造型设计平台”，并集合了网格划分、流场求解等自动化操作，对端壁造型后的涡轮环形叶栅进行了数值计算。对比分析了各造型方法在改善流场品质、降低流动损失方面的效果，系统研究了不同造型方法中各造型参数对涡轮叶栅气动性能和内部流场的影响规律。研究发现，不同端壁造型方法中各造型参数对涡轮叶栅流场结构和流动损失的影响规律各不相同，但对于能够降低出口总压损失的造型方法而言，造型参数均存在最佳匹配关系

5、，即非轴对称端壁的上凸（下凹）曲面应远离叶片表面，并且其峰值（谷值）一般在2%～4%叶高范围内。然后开展了非轴对称端壁的优化设计研究，采用基于近似模型的改进遗传算法对某一高亚声速高压涡轮导向器的机匣和轮毂进行了非轴对称端壁优化设计，详细分析了优化获得的非轴对称端壁对高压涡轮导向器端区流场结构的影响规律，揭示了非轴对称端壁在改善端区流场结构、降低流动损失方面的流动机理。研究发现，非轴对称端壁通过有针对性地改变端区局部静压场分布，重新调整了端壁附面层的迁移规律和端区各涡系的走势，减少了爬升到吸力面上的低能流体，从而达到了降低端区二次流损失的目的。

6、对于优化后的轮毂端壁，通道喉部下游吸力面附近的上凸曲面对气流的加速作用增加了当地低能流体的动量、降低了吸力面尾缘附近的动量厚度，从而推迟了分离涡的形成，降低了分离涡的尺度和强度，由此减小了轮毂端区内的二次流损失。并且，当导向器同时应用非轴对称机匣和轮毂端壁时，出口总压损失可降低10%以上。随后以国防科技重点实验室——西北工业大学翼型/叶栅空气动力学实验室的连续式高亚声速叶栅风洞为平台，将原平面叶栅风洞改造为扇形叶栅风洞，建立了一套适用I西北工业大学博士学位论文于扇形叶栅吹风试验的测控系统。针对优化获得的非轴对称端壁开展了高压涡轮导向器扇形叶栅

7、吹风试验，分析了试验工况下非轴对称端壁对叶片表面气动性能以及栅后出口气动性能的影响。试验结果表明，两套采用非轴对称端壁的扇形叶栅在出口马赫数0.75工况下总压损失系数相比于原型分别降低了2.11%和5.88%，尤其是栅后出口上端区内的流动损失降低的较为显著，上端区内的气动性能也得到了有效提升。最后针对具有非轴对称端壁的高压涡轮导向器开展了级环境下的数值研究，讨论了非轴对称端壁导向器对高压涡轮级性能的影响，考察了级环境下非轴对称端壁导向器的气动性能，深入分析了具有非轴对称端壁的导向器对下一排动叶气动性能的影响。研究发现，级环境下，单排环境中优化

8、获得的非轴对称机匣端壁能够更加显著地降低高压涡轮导向器出口的总压损失，而且在动叶出口截面处，由叶尖泄漏涡和机匣端区内的通道涡形成的熵峰值也明显降低，并且这两种涡系的