大型涡扇发动机低压涡轮的气动设计及相关问题研究

发布时间：2017-05-14 19:06

  本文关键词：大型涡扇发动机低压涡轮的气动设计及相关问题研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大型涡扇发动机做为客机和大型运输机的主要动力，在航空发动机领域占据着重要的低位，随着科技的发展，，对大型涡扇发动机的性能以及技术要求越来越高，低压涡轮作为大涡扇发动机的动力来源之一，为风扇和低压压气机提供必要的动力，并且低压涡轮的重量占整个航空发动机的三分之一，多级高负荷低压涡轮的在气动设计方面为该问题提供了一个研究方向，并且已经在实际的航空发动机中得以应用，效果明显。本文的工作主要就是针对大型涡扇发动机的多及低压涡轮进行气动优化设计改进并对低压涡轮中的一些问题进行研究分析。 本文首先对原型的五级低压涡轮的气动设计特点从一维、准三维S2和全三维CFD的三个层面进行计算分析，对原型的低压涡轮的总体性能参数，参数的选择，三维流场以及该低压涡轮的气动设计特点有了一定的认识。对美国高效节能发动机计划的E3低压涡轮进行三维还原计算，对该低压涡轮的气动设计参数予以比较分析。 其次本文以原型计算为基础和依据，对该低压涡轮的叶型进行了气动优化分析，鉴于有限的时间，气动计算的求解器选择工程上已经获得检验的准三维S2程序和拟子午型线回转变厚度S1薄片程序，叶片的造型方式采用两种方式，一种是涡轮设计中比较常用的Pritchard11参数法，另外一种商业软件NUMECA程序包中的AutoBlade。气动优化的结果最终会采用三维CFD计算校核。 最终本文针对低压涡轮气动设计中的一些问题进行了单独的研究，其中包括低压涡轮第一级导叶在较大扩张角流道采用弯叶片技术的研究，第一级导叶低折转设计，以及通过正交试验设计对低压涡轮端壁冷气喷射的影响的研究。通过对这几个问题的研究，来寻求低压涡轮气动性能提升到方法。
【关键词】：低压涡轮 高负荷 气动设计 优化 弯叶片 小弯度叶片 正交试验设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V235.13
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-11
• 第1章 绪论11-34
• 1.1 课题来源11
• 1.2 研究背景与意义11-12
• 1.3 典型大型涡扇发动机的发展状况12-17
• 1.3.1 国外典型大型涡扇发动机简介12-16
• 1.3.2 国内典型大型涡扇发动机简介16-17
• 1.4 大涡扇发动机低压涡轮设计特点与难点17-32
• 1.4.1 低压涡轮级数多18-19
• 1.4.2 过渡段以及流道扩张19-23
• 1.4.3 叶型折转角大、负荷高23-26
• 1.4.4 效率高26-27
• 1.4.5 雷诺数低27-28
• 1.4.6 非定常性、claming 效应28-30
• 1.4.7 间隙控制复杂30-31
• 1.4.8 噪声低31
• 1.4.9 可靠性高、寿命高、成本低、工艺高、维护性良好31-32
• 1.5 本文任务32-34
• 第2章 原型低压涡轮的气动设计分析34-59
• 2.1 引言34
• 2.2 原型涡轮的设计点和几何参数34-36
• 2.2.1 原型低压涡轮的设计点34-35
• 2.2.2 原型低压涡轮的几何参数35-36
• 2.3 一维分析36-38
• 2.3.1 一维程序简介36
• 2.3.2 一维计算与分析36-38
• 2.4 准三维 S2 计算与分析38-44
• 2.4.1 准三维程序简介38
• 2.4.2 S2 计算结果的性能分析38-39
• 2.4.3 S2 计算级参数分析39
• 2.4.4 S2 计算参数沿叶高分布39-44
• 2.5 全三维 CFD 计算与分析44-52
• 2.5.1 数值模拟方法44-45
• 2.5.2 总体气动性能分析45-46
• 2.5.3 级参数分析46-47
• 2.5.4 列参数分析47-51
• 2.5.5 流场分析51-52
• 2.6 GE 公司 E3 低压涡轮核算分析52-54
• 2.6.1 E3 低压涡轮三维核算53
• 2.6.2 E3 低压涡轮的设计特点分析53-54
• 2.7 分层面对比分析原型涡轮的设计特点54-58
• 2.7.1 总性能参数三个层面对比54-55
• 2.7.2 级参数三个层面对比55-58
• 2.7.3 列参数三个层面对比58
• 2.8 本章小结58-59
• 第3章 原型低压涡轮优化及改进工作59-79
• 3.1 引言59
• 3.2 一维优化59-64
• 3.2.1 优化变量及目标59-60
• 3.2.2 优化算法60
• 3.2.3 优化结果及分析60-64
• 3.3 拟子午型线回转变厚度 S1 薄片优化64-69
• 3.3.1 平台介绍64-65
• 3.3.2 优化变量及优化目标65-66
• 3.3.3 优化算法66
• 3.3.4 优化结果分析66-69
• 3.4 准三维 S2 正问题优化设计69-76
• 3.4.1 基于 Pritchard 参数化叶型优化69-72
• 3.4.2 基于 AutoBlade 造型优化72-76
• 3.5 优化比较以及方案定型76-78
• 3.6 本章小结78-79
• 第4章 低压涡轮一导与子午型线结合弯叶片研究79-90
• 4.1 引言79
• 4.2 与子午型线结合弯叶片设计79-81
• 4.2.1 与子午型线结合弯叶片思路79-80
• 4.2.2 弯叶片积叠线与叶片参数化80-81
• 4.3 低压涡轮导叶弯叶片研究策略81-83
• 4.3.1 弯叶片样本空间给定81-82
• 4.3.2 弯叶片计算域的选择82
• 4.3.3 弯叶片批量计算平台82-83
• 4.4 低压涡轮导叶弯叶片应用的影响分析83-89
• 4.4.1 根部弯叶片技术的分析研究84-87
• 4.4.2 顶部弯叶片技术的分析研究87-89
• 4.5 本章小结89-90
• 第5章 低压涡轮低折转导叶初步改进研究90-96
• 5.1 引言90
• 5.2 低折转的设计思想90
• 5.3 低折转导叶的初步设计90-92
• 5.3.1 叶型设计91-92
• 5.3.2 准三维 S2 正问题初步验算92
• 5.4 三维校核与分析92-94
• 5.4.1 总体性能92-93
• 5.4.2 级参数与原型的比较93
• 5.4.3 第一级流场分析93-94
• 5.5 本章小结94-96
• 第6章 低压涡轮端壁冷气对总体气动影响的数值研究96-110
• 6.1 引言96
• 6.2 试验设计简介96-97
• 6.3 冷气几何参数以及试验计划97-100
• 6.3.1 低压涡轮端壁冷气喷射计算的处理97-99
• 6.3.2 正交试验设计计划99-100
• 6.4 冷却对涡轮气动影响的总体分析100-109
• 6.4.1 冷气对该低压涡轮气动性能的影响100-104
• 6.4.2 端壁冷却典型算例三维 CFD 计算结果分析104-109
• 6.5 本章小结109-110
• 结论110-112
• 参考文献112-117
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果117-119
• 致谢119-120
• 个人简历120

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