工程熱物理所超緊湊高低壓渦輪級間過渡段研究取得進(jìn)展

　　為了追求更高經(jīng)濟(jì)性（高推進(jìn)效率、低燃油消耗率等）和環(huán)境友好性（低污染排放、低噪音等），現(xiàn)代高性能民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用較高的涵道比。低壓渦輪與風(fēng)扇共軸，因?yàn)槭艿斤L(fēng)扇葉尖線速度（進(jìn)口激波、噪聲以及強(qiáng)度）的限制，低壓轉(zhuǎn)速往往不可能設(shè)計(jì)得太高。考慮到低壓渦輪輸出功率的要求，轉(zhuǎn)速的降低將會(huì)為低壓渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)帶來困難。為了解決這個(gè)矛盾，通常需要提升低壓渦輪轉(zhuǎn)子的徑向位置，導(dǎo)致高低壓渦輪轉(zhuǎn)子之間的徑向高度差增大，在高壓渦輪和低壓渦輪之間依靠曲率變化較大的過渡段實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接。

　　中國科學(xué)院工程熱物理研究所輕型動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室科研人員以高擴(kuò)壓度S型過渡段與彎曲型寬弦長低壓渦輪導(dǎo)向器流場耦合測試分析為主題，借助中國科學(xué)院輕型動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室搭建成的大尺度（低速）環(huán)形風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1），在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)環(huán)境的低雷諾數(shù)、預(yù)旋來流的上游入口來流條件下，采用七孔探針和多截面氣動(dòng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集手段，分析S型過渡段通道內(nèi)及導(dǎo)向器下游的流場結(jié)構(gòu)；利用多通道表面熱膜動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試分析手段，掌握內(nèi)置在S 型過渡段內(nèi)部寬弦長低壓渦輪導(dǎo)向器表面的附面層動(dòng)態(tài)遷移特性；并在特定工況下，根據(jù)實(shí)際需要在實(shí)驗(yàn)過程中利用三維熱線和油流顯示法進(jìn)行流場測試。

　　通過實(shí)驗(yàn)測量以及數(shù)值模擬方法，取得了如下進(jìn)展：1.一體化超緊湊S型高低壓渦輪過渡段采用寬弦長導(dǎo)向器耦合設(shè)計(jì)，是常規(guī)高低壓渦輪過渡段的有效替代方案。借助寬弦長導(dǎo)向葉片改善過渡段內(nèi)通道面積，緩解了超緊湊過渡段由于機(jī)匣對渦引起的三維分離現(xiàn)象，有利于降低超緊湊過渡段內(nèi)的流動(dòng)損失；2.在寬弦長導(dǎo)向器通道后半段，受機(jī)匣指向輪轂的強(qiáng)徑向壓力梯度作用，通道渦發(fā)生較大的徑向遷移，在導(dǎo)向器出口，影響范圍移至約45%葉高位置（圖2），并在其與輪轂通道渦之間形成誘導(dǎo)渦，導(dǎo)致總壓損失增加；3.為減少寬弦長導(dǎo)向器的流動(dòng)損失，可以通過改變導(dǎo)向器葉型積疊方式，包括：（1）適度的葉片反傾，通過葉片反傾可減小機(jī)匣端壁的周向壓力梯度，有利于削弱葉頂通道渦強(qiáng)度，但隨傾角增大，導(dǎo)向器后半段由機(jī)匣指向輪轂的徑向壓力梯度增強(qiáng)，引起葉頂通道渦徑向遷移，不利于降低二次流損失；（2）葉片反彎。寬弦長導(dǎo)向器葉頂通道渦在出口葉中區(qū)域與誘導(dǎo)渦相互干涉使二次流損失增大，通過葉片反彎構(gòu)建主流區(qū)域指向端壁的徑向壓力梯度，抑制葉頂通道渦向葉中方向的發(fā)展，可減小寬弦長導(dǎo)向器通道的二次流動(dòng)損失。

　　以上研究得到了國家自然科學(xué)基金的支持，相關(guān)研究成果發(fā)表在Science China 和Thermal Science上。

　　圖1 大尺度（低速）環(huán)形風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　圖2 寬弦長導(dǎo)向器通道內(nèi)渦系結(jié)構(gòu)示意圖