低压涡轮叶栅流动分离控制及机理研究
本文选题：低压涡轮 切入点：边界层分离 出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文
【摘要】：高空无人机是侦察卫星的重要补充和增强手段,能够持续战略侦察,获取战略情报,对信息化作战具有重要作用,受到各国高度重视,被美国空军列为21世纪的关键技术之一。然而,高空长航时无人机在高空巡航时,由于大气密度的下降,发动机低压涡轮运行雷诺数会降低到0.25 105以下,叶片表面大部分呈现层流状态,容易导致叶片吸力面边界层发生分离,降低发动机的整体性能。为了减小发动机制造和运行成本,提高推重比,低压涡轮叶片负荷不断提高,同时使边界层分离和端壁二次流流动恶化,控制边界层流动分离,研究流动控制机理,对提高低压涡轮性能具有重要意义。为了控制低压涡轮叶栅流动分离,减小损失,研究了增加尾缘厚度(IT)和尾缘偏斜(DT)两种被动控制方式对低压涡轮叶栅损失、气流折转角的影响,揭示了其流动控制机理,研究发现增加尾缘厚度和尾缘偏斜都能增大气流折转角,但仅能在低雷诺数条件下减小叶栅损失。增加尾缘厚度和尾缘偏斜减小了每一级的质量流量,增加栅距,保持主流质量流量不变,增加尾缘厚度和尾缘偏斜同样可以减小叶栅损失,增加气流折转角。增加尾缘厚度和尾缘偏斜一方面使主流发生偏斜,加速了吸力面边界层流动,抑制流动分离,减小了吸力面湍动能;另一方面增强了流动掺混,增加尾缘厚度和尾缘偏斜对损失的影响是两方面综合的结果。考虑到被动控制在高雷诺数时会增加损失,研究和对比了尾缘射流和涡流发生器(VGJs)两种主动控制对低压涡轮叶栅的影响,发现涡流发生器可以用比尾缘射流更少的射流流量控制边界层流动分离,但VGJs促使转捩提前发生,增加了吸力面高湍动能区域面积。为此,将主被动控制结合,研究了VGJs分别和襟翼(VGJs-GT)、尾缘偏斜结合(VGJs-DT)控制边界层流动分离,揭示了其流动控制机理,对比了两者对叶型损失和流动的影响,研究发现VGJs-GT和VGJs-DT都能进一步减小涡流发生器叶栅损失,增加气流折转角,与单独使用VGJs相比,VGJs-DT和VGJs-GT能用更少的射流流量控制流动分离。为了提高低压涡轮叶栅负荷,减小了叶栅稠度,研究了通过尾缘改型(尾缘偏斜、增加尾缘厚度、Gurney襟翼)、VGJs、VGJs-DT和VGJs-GT控制低稠度叶栅流动分离,提高叶栅气动性能,研究发现尾缘改型只能在高雷诺数时控制低稠度叶栅流动分离,VGJs虽然能控制低稠度叶栅流动分离,但损失依然较大。VGJs-GT和VGJs-DT能够控制低稠度叶栅流动分离,进一步降低VGJs低稠度叶栅总压损失,减小低压涡轮稠度12.5%,而不明显增加损失。考虑到低压涡轮叶栅端壁二次流,将边界层流动控制研究成果应用到直列叶栅中,考察其在直列叶栅中流动控制效果,研究了通过端壁射流控制叶栅端壁二次流,揭示了其流动控制机理,襟翼和尾缘偏斜会增加叶栅横向压力梯度,增强端壁二次流,将襟翼、尾缘偏斜、VGJs-GT和VGJs-DT应用于叶展中部,同样能够抑制叶展中部流动分离,减小叶型损失,增加气流折转角,又避免增加端壁损失。端壁射流够产生和通道涡方向相反的流向涡,减弱了通道涡的强度,使通道涡远离吸力面,减弱了通道涡和边界层之间的相互作用,减小端壁损失。端壁射流和端壁涡流发生器结合能够进一步减小端壁损失,其机理是端壁涡流发生器能够增加吸力面边界层能量,减小了边界层厚度,避免通道涡卷吸更多的低能流体,进一步减小端壁损失。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V231;V279
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，本文编号：1675008
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