計(jì)及動(dòng)靜干涉的渦輪氣動(dòng)性能變化及其誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、隨著對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，對(duì)渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。目前，已有渦輪設(shè)計(jì)部門在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)考慮動(dòng)靜干涉效應(yīng)的影響，并成功提高了大型客機(jī)低壓渦輪的氣動(dòng)載荷。但由于非定常計(jì)算周期長(zhǎng)、以往設(shè)計(jì)中的慣性思維等因素的存在，盡管非定常氣動(dòng)機(jī)理研究取得不少的進(jìn)展，但大多數(shù)渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)仍欠于或沒有考慮非定常效應(yīng)的影響。同時(shí)，周期性的非定常效應(yīng)不僅在某種程度上改變?nèi)~片的氣動(dòng)性能，同時(shí)也對(duì)葉片振動(dòng)與噪聲有重要影響。為了促進(jìn)在渦輪設(shè)計(jì)中考慮非定

2、常動(dòng)靜葉干涉，本文通過定常與非定常計(jì)算的對(duì)比與分析，從氣動(dòng)、振動(dòng)與噪聲三個(gè)方面研究設(shè)計(jì)中考慮加入干涉效應(yīng)影響的重要性和必要性，同時(shí)在一些問題上進(jìn)一步研究了動(dòng)靜葉干涉機(jī)理。
　　首先，在保證了數(shù)值方法可靠性的基礎(chǔ)上，對(duì)某高負(fù)荷低壓渦輪進(jìn)行了定常和非定常條件下的數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，表明定常和非定常時(shí)均值計(jì)算結(jié)果存在差異，并說明了造成這種差異的原因，并指出上游二次流對(duì)下游端區(qū)二次流損失具有抑制作用；給出了動(dòng)靜干涉效應(yīng)影

3、響下游動(dòng)葉表面壓力波動(dòng)的主要因素，并詳細(xì)分析了這些因素在動(dòng)葉不同葉高截面上的影響力。
　　然后，對(duì)不同軸向間距條件下動(dòng)靜干涉效應(yīng)的變化進(jìn)行了分析，給出了軸向間距變化與勢(shì)流干涉、二次流摻混的變化規(guī)律，并對(duì)上游二次流對(duì)下游端區(qū)二次流損失的抑制作用進(jìn)行了機(jī)理分析，得出了端區(qū)動(dòng)量摻混導(dǎo)致的“逆效應(yīng)”現(xiàn)象。接著，對(duì)動(dòng)葉葉頂間隙變化對(duì)動(dòng)靜干涉效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著葉頂間隙的增加，泄漏損失將取代動(dòng)靜干涉效應(yīng)成為葉頂主要的能量損失，且

4、其影響范圍也將沿葉高逐漸向葉根方向延伸；與此同時(shí)，動(dòng)靜干涉效應(yīng)對(duì)葉頂泄漏流動(dòng)具有明顯的影響，它使得葉頂泄漏流動(dòng)發(fā)生周期性變化。
　　由于上級(jí)各列葉柵內(nèi)的非定常效應(yīng)和集中渦系結(jié)構(gòu)對(duì)下級(jí)各列葉柵的影響更加復(fù)雜，僅僅只對(duì)單級(jí)進(jìn)行分析顯然是不夠的。因此，本文對(duì)某兩級(jí)高壓渦輪進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了定常和非定常條件下氣動(dòng)性能的變化，證實(shí)了“逆效應(yīng)”現(xiàn)象在高壓渦輪級(jí)中的存在；詳細(xì)分析了動(dòng)靜干涉條件下各列葉柵集中渦系結(jié)構(gòu)的生成、發(fā)展以及對(duì)下列葉柵

5、的影響等情況，并發(fā)現(xiàn)了在此渦輪模型下，通道渦將端區(qū)二次流誘導(dǎo)至其上方形成誘導(dǎo)渦的流動(dòng)現(xiàn)象；并通過減小背壓的方法，研究了勢(shì)流干涉對(duì)葉片表面壓力波動(dòng)的影響情況。最終明確了葉片表面壓力波動(dòng)的變化情況和影響因素。
　　為了進(jìn)一步說明動(dòng)靜干涉效應(yīng)的重要性，本文對(duì)周期性非定常壓力脈動(dòng)誘發(fā)的葉片振動(dòng)進(jìn)行了研究工作。通過對(duì)動(dòng)靜干涉引起的壓力變化與葉片受力之間的關(guān)系進(jìn)行研究，給出了非定常作用力模型；采用此模型對(duì)非定常氣動(dòng)力作用下渦輪葉柵的振動(dòng)情況進(jìn)

6、行了模擬分析，給出了動(dòng)、靜葉的振動(dòng)極值出現(xiàn)位置；對(duì)非定常力誘發(fā)的離散噪聲進(jìn)行了分析，確定了級(jí)間勢(shì)流干涉和葉頂泄漏流動(dòng)是渦輪葉柵內(nèi)部主要噪聲源。
　　最后，本文對(duì)葉片表面壓力脈動(dòng)的控制方法展開了研究。采用增加軸向間距和第一級(jí)靜葉采用正彎葉片造型的方法對(duì)渦輪葉片非定常壓力脈動(dòng)進(jìn)行控制。結(jié)果表明兩種方法對(duì)減小渦輪葉片表面壓力脈動(dòng)都是有益的，但作用機(jī)理和影響范圍則是不同的。增加軸向間距是通過減弱動(dòng)靜干涉效應(yīng)來達(dá)到減小壓力脈動(dòng)的作用，其作用