高负荷跨声速涡轮激波损失机理及控制技术研究.pdf

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1、第40卷第1期2014年2月航空发动机AeroengineV01．40No．1Feb．2014高负荷跨声速涡轮激波损失机理及控制技术研究向欢1，陈云z，葛宁t(1．南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016；2．中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015)摘要：为了指导高性能、高负荷跨声速涡轮的设计，对其叶栅内的流场结构、尾缘波系结构、减小激波损失的机理及其控制技术进行了分析研究。结果表明：跨声速涡轮尾缘流场结构复杂，存在分离膨胀波、分离激波、基底区、再附激波、尾迹、吸力面反射波甚至激波边界层相互干扰等流动现象。通过采用收缩一扩张通道，喉道后采用直线型

2、吸力面，减小吸力面尾缘弯折角、尾缘厚度和尾缘附近局部修型等措施，从而减弱激波强度，减小激波损失。关键词：高负荷跨声速涡轮；尾缘激波；激波损失机理；损失控制技术中图分类号：V23文献标识码：Adoi：10．13477／j．cnki．aeroengine．2014．01．010ResearchofShockLossMechanismandControlTechnologyforHighly-loadedTransonicTurbineXIANGHuanl，CHENYun2，GENin91(1．C011egeofEnergyandPowerEngineering，Na

3、njingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China；2．AVICShenyangEngineDesignandResearchInstitute，Shenyang110015，China)Abstract：Inordertoguidethedesignofhighperformanceandloadingfortransonicturbine，theflowpathinthetransonicturbinecascade，thetrailingedgeshockstructure，the

4、mechanismandcontroltechnologyofshocklosswerestudied．Theresultsshowthatthetrailingedgeflowstructureiscomplicated，existingtheseparatingexpansionwave，separatingshock，baseregion，reattachmentshock，wake，andshockboundary-layerinteractionintherearpartofthetransonicturbine．Thestrengthandlosso

5、fthetrailingedgeshockdecreasedandreducedusingtheconvergent—divergentthroatpassage，flatsuctionshapeafterthethroat，reducingrearsuctionturningangle，thicknessoftrailingedgeandlocalbladeshapemodification．Keywords：highly—loadedtransonicturbine；trailingedgeshock；shocklossmechanism；losscontr

6、oltechnology0引言跨声速涡轮叶栅叶型损失主要由叶片表面边界层、尾迹和尾缘激波损失等组成，尾缘激波及其与叶片边界层和尾迹相互作用带来的损失比单独的叶片表面边界层损失大得多，当出口马赫数达到1．2时，激波及其掺混损失可使总损失增大l倍左右。为了减小涡轮部件的质量及叶片数，美国NASA和GE公司合作提出了高负荷涡轮研究(删曲ly—LoadedTurbineResearchProgram，HLTRPl计划11-2】，其中很重要一部分的工作就是设计膨胀比高达5．5的单级高负荷高压涡轮。涡轮级负荷的大大增大使得涡轮工况马赫数也有较大提升，从而带来严重的激波损失问

7、题。该计划通过优化叶栅通道形式将原始的纯收缩叶型改成收缩扩张叶型、叶片尾缘型面修型、减小尾缘厚度的直线型叶背、优化安装角和落后角等，有效地减小了尾缘激波强度及其损失，使得该高压涡轮在负荷系数增大33％的情况下效率也提高2％。本文以HLTRP计划为契机，对高负荷跨声速涡轮的波系结构、激波损失机理和如何削弱激波损失等方面进行深入研究，以指导商l生能高负荷跨声速涡轮设计。1问题描述HLTRP计划中原始和优化叶型的流场压力分布对比如图l所示。后者有效地减弱了尾缘激波强度，减小了激波损失，但对具体的叶型设计过程、数据和收稿日期：2012—10—22作者简介：向欢(1987

8、)，男，在读硕士研究生，