雷诺数对航空燃气涡轮流动及性能影响的研究进展_高丽敏大作业.pdfVIP

雷诺数对航空燃气涡轮流动及性能影响

的研究进展

小明2014123456西北工业大学动力与能源学院

摘要随着航空发动机工作范围的不断扩大，考虑其进口条件变化对发动机内部流动及性能

的影响非常必要。国内外众多相关试验和计算表明，雷诺数对发动机性能的影响越来越重要。本

文就半个世纪以来研究雷诺数对航空燃气涡轮发动机影响的实验和数值模拟进行了评述，根据作

者掌握的文献，着重在以下三个方面展开综述:雷诺数对航空发动机总体性能的影响、雷诺数对

压气机特性和内部流场的影响以及低雷诺数下涡轮性能的研究。文中分别阐述了国内外学者在上

述几个方面的主要成果，并进一步指出了当前探索雷诺数效应的不足及未来的研究方向。

关键词雷诺数，航空燃气涡轮发动机，研究进展，内部流动

1引言

雷诺数Re是衡量流体粘性对航空发动机增压及涡轮部件性能影响的重要准

则之一。一般来说，当涡轮喷气或涡轮风扇发动机进口气流的雷诺数Re大于某

一临界值时,雷诺数对发动机各部件(包括风扇、压气机和涡轮)的影响可以忽略，

因此增压部件的流量、压比和效率也将基本不受雷诺数变化的影响；但当发动

机进口雷诺数小于此临界值时，雷诺数的变化对各部件的影响逐步显现，并对

发动机各性能参数均带来直接影响。用于衡量雷诺数效应影响的临界值被称为

临界雷诺数，而雷诺数的变化对发动机各部件工作性能的影响也被称为低雷诺

数效应[1]。

随着飞机飞行高度升高，入口气流的压力和密度均显著降低，由由表1中各数据

可见，相对于海平面，20km高空的大气压力仅为标准大气压力的5.46%，使得表征

叶轮机雷诺数的叶弦雷诺数大大降低，流场特征也会偏离设计状态，可能会使发动

机的工作性能严重恶化。不同的发动机流道和叶型设计具有不同的临界雷诺数（一

般临界雷诺数的量级为左右），且雷诺数效应对不同型号发动机的影响程度和方

式也不尽相同。

表1不同海拔高度大气物理性能变化[2]

图1-1是某型涡轮风扇发动机在正常条件下各个部件的雷诺数，可以明显的

看到，低压涡轮的工作雷诺数处以整个发动机的最低水平[3]，压气机的工作雷

1/12

诺数也不太高。典型的压气机雷诺数范围一般在之间[4]。在高空环境下，

空气的密度、压力会有很大程度的降低，从而导致雷诺数也降低，可能会低于临界

雷诺数。在这种雷诺数下，会很大程度上影响发动机的性能。

图1某涡扇发动机各部件工作雷诺数[5]

在低空高雷诺数状态下，发动机风扇进口叶弦雷诺数高于临界雷诺数并处于自

模区，雷诺数对风扇叶栅的流动特性几乎不受影响。但在高空低雷诺数状态下，叶

弦雷诺数低于此临界值。叶栅流动将以分离泡的形式实现从层流向湍流的转捩,同时

损失上升、叶片力减小、落后角增加，当闭式分离泡在进一步降低的叶弦雷诺数下

转而变为大尺度开式分离时。风扇叶栅通道逐步丧失其应有的流动特征。叶栅流动

损失急剧上升，燃油消耗率迅速上升，使发动机性能严重恶化。不同的风扇叶型设

计具有不同的临界雷诺数。且临界雷诺数明显地受到流动湍流强度的影响。当湍流

强度高于1.5%时,临界雷诺数通常会在以下。研究发现:雷诺数效应问题的本质是

边界层由层流流动向湍流流动的转捩问题[6]。

处于高空低雷诺数状态的发动机一般用于高空长航时无人机。国外在这方面处

于领先地位，其中最具代表性的是“全球鹰”无人机的AE3007发动机[7]。1999年，普

惠公司和NASA等联合开展了PW545发动机的高空性能试验，以探索商用小涵道比

发动机用作高空长航时无人机动机装置的技术发展途径和可行性[5]。这类发动机的

特点是:(1)采用推力为10～40kN的商用小型大涵道比涡扇发动机，尾喷管面积不可

调；(2)长时间在高空低马赫数(20km,Ma0.7)条件下工作，发动机进口总压低(7.

6kPa)，进口总温低(240K)；(3)由于发动机尺寸相对较小，在高空低马赫数飞行状

态，主要部件(风扇、压气机、涡轮)的流通能力和效率受雷诺数影响比较严重，从

而影响到发动机的调节计划和总体性能[8]。