工程熱物理所超緊湊高低壓渦輪級間過渡段研究取得進展

　　為了追求更高經濟性（高推進效率、低燃油消耗率等）和環(huán)境友好性（低污染排放、低噪音等），現代高性能民用渦扇發(fā)動機通常采用較高的涵道比。低壓渦輪與風扇共軸，因為受到風扇葉尖線速度（進口激波、噪聲以及強度）的限制，低壓轉速往往不可能設計得太高?？紤]到低壓渦輪輸出功率的要求，轉速的降低將會為低壓渦輪的氣動設計帶來困難。為了解決這個矛盾，通常需要提升低壓渦輪轉子的徑向位置，導致高低壓渦輪轉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現轉接。

　　中國科學院工程熱物理研究所輕型動力實驗室科研人員以高擴壓度S型過渡段與彎曲型寬弦長低壓渦輪導向器流場耦合測試分析為主題，借助中國科學院輕型動力重點實驗室搭建成的大尺度（低速）環(huán)形風洞實驗平臺（圖1），在模擬發(fā)動機真實環(huán)境的低雷諾數、預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參數的動態(tài)數據采集手段，分析S型過渡段通道內及導向器下游的流場結構；利用多通道表面熱膜動態(tài)實驗數據測試分析手段，掌握內置在S 型過渡段內部寬弦長低壓渦輪導向器表面的附面層動態(tài)遷移特性；并在特定工況下，根據實際需要在實驗過程中利用三維熱線和油流顯示法進行流場測試。

　　通過實驗測量以及數值模擬方法，取得了如下進展：1.一體化超緊湊S型高低壓渦輪過渡段采用寬弦長導向器耦合設計，是常規(guī)高低壓渦輪過渡段的有效替代方案。借助寬弦長導向葉片改善過渡段內通道面積，緩解了超緊湊過渡段由于機匣對渦引起的三維分離現象，有利于降低超緊湊過渡段內的流動損失；2.在寬弦長導向器通道后半段，受機匣指向輪轂的強徑向壓力梯度作用，通道渦發(fā)生較大的徑向遷移，在導向器出口，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渦，導致總壓損失增加；3.為減少寬弦長導向器的流動損失，可以通過改變導向器葉型積疊方式，包括：（1）適度的葉片反傾，通過葉片反傾可減小機匣端壁的周向壓力梯度，有利于削弱葉頂通道渦強度，但隨傾角增大，導向器后半段由機匣指向輪轂的徑向壓力梯度增強，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。寬弦長導向器葉頂通道渦在出口葉中區(qū)域與誘導渦相互干涉使二次流損失增大，通過葉片反彎構建主流區(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，可減小寬弦長導向器通道的二次流動損失。

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

　　圖1 大尺度（低速）環(huán)形風洞實驗平臺

　　圖2 寬弦長導向器通道內渦系結構示意圖