低稠度叶尖涡轮的气动设计与试验研究

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1、中图分类号：V231.3论文编号：102870218-S121学科分类号：082502硕士学位论文低稠度叶尖涡轮的气动设计与试验研究研究生姓名王远庆学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向叶轮机气体动力学指导教师傅鑫副研究员南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringAerodynamicDesignandExp

2、erimentalStudyofLowSolidityTip-turbineAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyWangYuanqingAdvisedbyAssociatedProf.FuXinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究

3、成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要本课题组提出了一种新型气驱涵道风扇结构，能够较好地解决涡扇发动机涵道比增大带来的风扇和低压涡轮转速不匹配的矛盾，其核心部件叶尖涡轮具备极

4、低稠度和极低展弦比的特征，稠度低至0.6（常规稠度1.2~1.6），展弦比低至0.4（常规展弦比1.5~2.0）。目前对该特征叶尖涡轮的流动机理和设计技术并没有形成完善的理论体系。本文基于新型气驱涵道风扇结构原理样机，采用数值模拟的方法开展了低稠度叶尖涡轮流动特征以及其设计技术的研究，同时搭建相关原理试验台，为后续发展新型大涵道比推进动力系统奠定理论基础。主要工作包括：1、针对一种可以极大提高涵道比的新型气驱涵道风扇结构开展研究，采用数值模拟手段分析其核心部件叶尖涡轮的损失构成和流动特征，并结合其非定常流动特

5、性，阐明其流动损失机理，初步探究了中弧线的设计规律，为后续发展这种结构奠定理论基础。研究发现:该叶尖涡轮在低稠下主要损失是叶型损失，占到总损失的70%，其损失量是常规稠度下叶型损失的5倍；叶背处产生的大面积分离涡是其叶型损失的主要来源，载荷前移，喉道位置随着稠度降低渐渐推出流道，流动反力度大幅降低是其主要流动特征；大面积分离涡产生的机理来自于两个方面，一方面是喉道位置移动到前缘，分离在前缘过早发生，另一方面是叶盆处的速度势影响范围变小，分离区范围急剧扩大；基于喉道位置的变化特点，将中弧线最大挠度位置前移能够有

6、效的提高叶尖涡轮的效率和能量提取率。2、结合低稠度叶尖涡轮的流动特征提出基于反力度的叶型设计方法来针对性的提高低稠度下叶轮整级的压比和效率，并且对反力度的设计方法和具体影响开展研究，结果表明:高反力度设计能够有效的抑制流道内的流动分离，极低稠度下（0.9以下），无论是做功能力还是效率都占据绝对优势，可以认为高反力度设计是提高极低稠度涡轮转子内部效率和做功能力的有效措施。而低反力度设计不适用于极低稠度;在常规低稠度下（0.9-1.3），高反力度设计与低反力度设计总体上都优于常规反力度设计，高反力度效率有优势，低

7、反力度压比有优势。两者的选取方法是稠度接近0.9选高反力度，稠度接近1.3选低反力度。3、针对新型气驱涵道风扇推进动力系统开展试验研究，搭建了一套可以实现该结构原理的试验台，并且将前文对叶尖涡轮的设计方法应用其中，从而实现该原理结构并且验证该推进系统的实际增推能力，分析其工作特征。结果表明:该试验台工作可靠，高转速下仍能够保持涵道风扇转子的平稳运转；测量准确合理，增推比达到1.5初步验证了该原理样机的增推原理，但仍然有很大提升空间；在效率一定时，涵道放大比确定的时候，涡轮气体单位功越高，风扇推力与功率的比值越

8、低。关键词：气驱涵道风扇；叶尖涡轮；低稠度；低展弦比；流动特征；叶型设计；试验研究I低稠度叶尖涡轮的气动设计与试验研究II南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTResearchgroupproposedanoveladditionalductedfanstructurecansolveSSMI(Spool-SpeedMismatchingIssue)well,andthecorecompone