低雷诺数下高性能多级低压涡轮气动设计与分析

发布时间：2020-05-15 12:42

【摘要】：为追求更高性能的航空发动机,降低重量、提升叶片负荷成为低压涡轮部件重要发展方向,但高负荷叶片在高空低雷诺数工况下出现边界层分离风险显著提高,导致低压涡轮效率迅速衰减,进而影响整个航空发动机推力及耗油率。因此,探讨低雷诺数下多级环境中低压涡轮流动特征,研究叶片边界层转捩、分离及再附等过程对性能的影响,进而发展高性能多级低压涡轮气动设计方法,对自主研制先进航空发动机具有重要的意义。本文首先在CFD求解器NUAA-Turbo中进一步发展γ和γ-Reθ两种转捩模型,适用于叶轮机械中定常及非定常下边界层转捩数值计算分析。在低雷诺数工况下,通过对均匀来流及上游尾迹扫掠下T106-EIZ叶栅数值模拟验证,讨论转捩模型的预测精度;并将分离修正模型应用于γ模型,解决了γ模型预测层流分离泡过大等问题,为多级低压涡轮设计过程中数值校核提供可靠的工具和基础。另一方面,基于曲率控制叶型造型方法,开发和完善多级低压涡轮三维气动设计程序,可实现不同载荷分布叶型设计并保证曲率连续、可导,径向分布规律包含等环量、等α角和变功等设计方案。然后通过不同曲率分布对T106D-EIZ叶型进行重新设计,获得前加载叶型T106D-F和后加载叶型T106D-A,在低雷诺数工况下,T106D-F对分离的抵抗能力得到增强,在上游尾迹作用下喉道分离泡进一步被抑制,而T106D-A由于扩散区逆压力梯度增加,在相同尾迹通过频率下,吸力面边界层仍处于开式分离状态,总压损失系数约为T106D-F的三倍。接着,利用SST-γ模型对典型高性能低压涡轮GE-E3开展数值计算分析,研究表明,带分离修正的γ转捩模型能捕捉多级低压涡轮中二次流诱导转捩、叶尖泄漏流诱导转捩及分离转捩等流动现象,计算得到的低压涡轮等熵效率较全湍流边界层假设的计算结果高2.9%;在低雷诺数工况下,SST-γsep模型预测叶片吸力面出现不同程度开式分离,导致GE-E3 LPT等熵效率较设计点工况降低了3.6%。并利用开发的三维造型程序对GE-E3重新设计,将叶型载荷前移后能在更低的雷诺数工况下提高涡轮等熵效率约0.8%,但同时会导致端区二次流有所增强。最后,本文针对典型后加载高性能五级低压涡轮开展数值研究,探讨高负荷后加载叶型设计特点与流动特征,将各排叶片数减少20%,研究超高载荷叶型高空巡航点工况下多级低压涡轮流场特点,并其中作为损失主要来源的导叶重新设计,结果表明,将喉道位置移至叶型通道时,该后加载叶型仍能保持很好的气动性能,且具有湍流边界层覆盖面积小、端区二次流强度弱等优点;当进一步减小叶片数、提高叶型负荷时,叶片未覆盖区出现层流分离泡并能诱导边界层转捩再附,减少20%叶片数后该五级低压涡轮等熵效率仅降低约0.9%。
【图文】：

示意图,低压涡轮,涡扇发动机,涵道比

第一章绪论1.1 研究背景及意义随着航空发动机设计及制造水平的快速发展，作为功率输出的关键部件低压涡轮，其性能的好坏直接决定发动机的推力、耗油率及可靠性。现如今我国自主研发商用大飞机 C919正逐步走向国际化市场，为配备自主研制的大涵道涡扇发动机，必须使其具备耗油率低、污染小、推力大等特点。目前，，低压涡轮部件重量占到整个发动机的 20%~30%，级数可多达5~7 级[1]，在设计工况下不考虑低雷诺数效应，多级低压涡轮部件效率都在较高的水平上（90%~93%）。航空发动机经过了大约半个世纪的发展，低压涡轮的整体效率大约只提高了13%，目前要想进一步提高低压涡轮效率将会变得非常困难[2]。Wisler 曾在 1998 年说过，当提升发动机效率变得很艰难的时候，通过减少发动机的整机或部件重量，也可以极大的减少发动机油耗、制造等运行成本，从而提高经济效益[3]。这成为低压涡轮技术发展提供了另外一个重要方向，图 1.1 为 GE nx 涡扇发动机示意图，其低压涡轮采用超高升力叶型设计理念。

低压涡轮,叶片数,发展趋势

图 1. 2 GP7000 低压涡轮叶片数发展趋势[6]以中国航发沈阳发动机研究所的科研项目《多级低压涡轮 RANS/LES 三程序研究》为背景，在课题组 CFD 求解器 NUAA-Turbo[7][8]基础上，对 RA型进行数值验证，对低压涡轮中低雷诺数效应及多级叶排中上游尾迹对边进行深入研究和讨论；完善基于叶型曲率控制的涡轮三维造型程序，探讨雷诺数效应的敏感程度，并对现有的多级低压涡轮进行改型或再设计，旨压涡轮气动设计提供一定的指导和借鉴。级低压涡轮设计发展多级低压涡轮部件与风扇、低压压气机相接，为保证足够输出功率，低压平均半径高、叶片长、叶型弯折角大等特点[9]。受到高压涡轮和过渡段流流道扩张角大、叶栅通道收缩比低，气流不断膨胀、密度降低，后面几级数进一步减小，边界层层流化可能在逆压力梯度作用下出现开式分离。低轮机械，随着对内流流动机理的深入理解和计算能力的高速发展，航空叶过去的半个多世纪里得到不断完善和提升，具体流程可以分为一维参数设
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V232

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