某11对转涡轮的气动设计及其流动特性的初步分析.pdf

中国工程热物理学会 热机气动热力学 学术会议论文 编号：092015 某1+1 对转涡轮的气动设计及其流动 特性的初步分析 1，2 1 1 乔加飞 赵庆军 徐建中 （1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院研究生院，北京 100190） （TEL：010 E-mail: qiaojiafei@mail.etp.ac.cn） 摘要：本文设计出了一个膨胀比为3.4，流量为13kg/s 的1+1 对转涡轮，并利用三维计算程序对其流 场进行了定常和非定常的数值模拟。研究结果揭示了，在低压静子中，1+1 对转涡轮与常规涡轮有着 不同的尾迹输运方式：上游尾迹在通道中有着从吸力面前移压力面的趋势。数值结果还表明，跟定常 结果相比，非定常的低压转子性能变化较大；两排静子尾缘的压力波动比转子更加规律；相比上游叶 排，低压转子的前缘和通道内的压力波动幅度要小，但更加紊乱；相比叶栅的尾部，低压转子的前部 的非定常性更强。 关键词：对转涡轮；气动设计；非定常计算；数值模拟 0 前 言 对转涡轮技术作为提高飞机发动机性能的有效技术越来越受到重视。在美国的综合 高性能涡轮发动机技术( IHPTET)和先进可承受通用涡轮发动机(VAATE)计划中，很多验 证机都采用了对转涡轮技术方案。 WintuckyStewart[1]最早开展了对转涡轮技术的研究工作，研究表明1+1 对转涡轮 的低压静子折转角比较小，其效率高于常规涡轮。20 世纪70 年代初，RR 公司便在Pegasus 发动机上开始采用1+1 对转涡轮，GE 公司的Genx 发动机，PW 公司的F119-PW-100 和一些小型发动机上也应用了1+1 对转涡轮技术[2]。由此可知，在国外，1+1 对转涡轮 气动设计技术已成熟。 在国内，也有学者对 1+1 对转涡轮进行了相关研究[3-5]。对转涡轮有着比常规涡轮 显著的非定常性，因此对其非定常流场的关注就很必要。国内学者对此的研究大都针对 于1+1/2 对转涡轮[6-8]，而对1+1 对转涡轮的非定常性探索只能看见很少的文献 [9] 。 为此，本文对所设计的1+1 对转涡轮进行了非定常的数值模拟并对计算结果进行了初步 分析。 1 涡轮的气动设计 涡轮的设计要求为：总膨胀比3.4，流量13kg/s，进口总温为 1200K，进口总压954239 Pa ，高压转子转速-24828 rpm，低压转子转速21963 rpm 。 1.1 S2 计算 图1 给出了该对转涡轮的子午流道示意图，四排叶栅分别命名为S1，R1 ，S2，R2 。 基金项目：中国科学院院长奖获得者科研启动专项资金，吴仲华奖励基金 图1 子午流道示意图 图2 出口气流角径向分布 图3 相对马赫数的径向分布 图4 总温的径向分布 利用 S2 计算程序得到了各排叶栅的出口气动参数，如图2—图 4 。图 2 表示的是 各排叶栅的出口角度沿径向的分布，静子出口给出的是绝对角度，转子出口给出的是相 对角度。图 3 表示的是各排叶栅的出口相对马赫数沿径向的分布，四排叶栅的出口沿着 径向均未出现超音的情况。图 4 给出的是各排叶栅的出口总温沿径向的分布，因为在 S2 计算中R1 与S2 出口的总温分布相同，故两者只给出了R1 出口的总温分布。 1.2 叶型设计 根据 S2 的计算结果，利用涡轮叶片造型程序进行平面造型。该程序的思想是用任 意圆锥曲线作为基本曲线实现几何成型[10]。沿叶高方向选取七个平面，根据气动要求 造出相应的平面叶型，之后进行径向积叠。最后成型的三维叶片如图5 。 图5 三维叶片 2 定常计算数值分析 2.1 数值方法分析