工程熱物理所在無(wú)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)載荷研究方面取得進(jìn)展

2025-01-04 14:08:54來(lái)源：國(guó)家能源風(fēng)電葉片研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心閱讀量：16243 評(píng)論

　　多級(jí)無(wú)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪是本課題組自主原創(chuàng)提出的適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新型氣動(dòng)布局渦輪。該渦輪取消了全部導(dǎo)向葉片，4排展向全超音動(dòng)葉實(shí)現(xiàn)了總膨脹比10，效率達(dá)到92%，葉片排數(shù)相比常規(guī)渦輪減少50%，能夠明顯降低渦輪軸向長(zhǎng)度和重量，是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比及降低耗油率的一種可行途徑。多級(jí)無(wú)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的第一級(jí)動(dòng)葉因沒(méi)有導(dǎo)葉提供預(yù)旋，具有安裝角較大、吸力面無(wú)遮蓋段長(zhǎng)的特點(diǎn)。第一級(jí)動(dòng)葉的吸力面長(zhǎng)無(wú)遮蓋段與相鄰葉片尾跡形成縮擴(kuò)型流道，在第一級(jí)動(dòng)葉吸力面近尾緣處已有外伸激波的基礎(chǔ)上形成了尾跡流道激波，在第一級(jí)動(dòng)葉尾緣外伸激波及內(nèi)伸激波反射波基礎(chǔ)上，新的尾跡流道激波同步作用于下游轉(zhuǎn)子，顯著改變下游轉(zhuǎn)子葉表的壓力脈動(dòng)幅值及動(dòng)應(yīng)力水平，容易誘發(fā)下游轉(zhuǎn)子葉片的疲勞失效問(wèn)題。

　　基于上述研究背景，工程熱物理研究所先進(jìn)推進(jìn)動(dòng)力團(tuán)隊(duì)采用非定常數(shù)值模擬及瞬態(tài)流固耦合方法，對(duì)級(jí)間干涉對(duì)動(dòng)葉葉表壓力脈動(dòng)特性、動(dòng)應(yīng)力及壽命的作用機(jī)制開(kāi)展了研究工作。研究表明尾跡流道激波、內(nèi)伸激波反射波單獨(dú)作用于葉表時(shí)，由于受到尾跡干涉作用，激波強(qiáng)度減弱，對(duì)載荷的影響與外伸激波存在差距。兩道激波共同作用產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)峰值則達(dá)到同位置外伸激波的81.2%，對(duì)葉片載荷的影響僅次于外伸激波。

　　針對(duì)壓力脈動(dòng)特性，內(nèi)伸激波反射波與尾跡流道激波的壓力脈動(dòng)峰值和與外伸激波在折轉(zhuǎn)處引起的壓力脈動(dòng)峰值相近，兩者都是前緣主要的激勵(lì)源且彼此作用時(shí)間相差1/2的上游葉片掃掠周期，因此在R2葉表氣動(dòng)激勵(lì)以?xún)杀兜纳嫌稳~片掃掠頻率為主。

　　研究發(fā)現(xiàn)尾跡/激波轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)級(jí)間非定常干涉引起葉片載荷劇烈變化，高頻高強(qiáng)度的載荷波動(dòng)導(dǎo)致葉片動(dòng)應(yīng)力的增大，疲勞壽命縮減。這系列研究工作針對(duì)多級(jí)無(wú)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)級(jí)間干涉對(duì)下游葉片氣動(dòng)載荷的影響進(jìn)行研究，明晰多道激波/尾跡對(duì)下游轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)激勵(lì)機(jī)制，對(duì)葉片的安全工作具有重要的意義。

　　本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(52336002)；國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(J2019-III-0011-0031)資助。相關(guān)研究成果已以封面文章形式發(fā)表于《航空學(xué)報(bào)》。

圖1 尾跡流道圖

圖2 第二級(jí)動(dòng)葉表面壓力脈動(dòng)時(shí)空?qǐng)D

圖3 R2葉表壓力頻譜分析

圖4 動(dòng)靜應(yīng)力對(duì)比

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