高亚音微型轴流涡轮叶型设计及叶尖间隙影响研究

摘要

微型涡轮发动机可满足未来微型飞行器对高能量存储密度、高功率推质比动力装置的需求，提高了飞行航程及有效载重。微型轴流涡轮作为其主要核心部件，高通流能力及轻质量能够有效提高其推质比，因此得到了广泛应用。目前，对微型轴流涡轮的研究并没有形成一套完整的体系，其设计理论仍参照常规尺度涡轮，故开展微型轴流涡轮流动特点及设计技术的研究对提高涡轮级及整机性能均具有重大意义。本文基于MTE-D微发原理样机，采用数值模拟的手段开展了微型轴流涡轮流动特点及其设计技术的研究，并通过整机试车试验验证了本文研究所获得的微型轴流涡轮的技术成效。主要工作有：
　　1、开展了厘米级微型轴流涡轮流动特点的研究，分析了尺寸效应对涡轮性能、流场结构、损失构成的影响。研究发现，微型轴流涡轮由于尺寸小、转速高、叶片短，附面层厚，造成粘性损失增大，近轮毂、机匣处的横向二次流及叶表径向二次流动增强，二次流损失显著增加，导向器和转子的损失分别相对增加了31％、12%。
　　2、开展了厘米级微型轴流涡轮稠度影响的研究，分析了不同稠度下导向器及转子的性能、流场结构、损失的变化规律。研究表明，针对高亚音厘米级微型轴流涡轮，导向器较佳稠度范围为1.0~1.3，小于常规轴流涡轮导向器稠度的选取范围，转子较佳稠度范围为1.4~1.7。
　　3、基于MTE-D微型发动机原理样机开展了高亚音微型轴流涡轮叶型设计研究，确定了适用于微型轴流涡轮的导向器叶片出口扭曲规律，优选了转子叶片角分布规律和轴向宽度。同时完成了MTE-D原理样机的直径78.4mm高亚音微型轴流涡轮的方案设计，其设计点性能为：落压比2.12，流量0.358kg/s，效率0.883，单位轮周功203.7kJ/kg。
　　4、开展了高亚音厘米级微型轴流涡轮的流动特点及间隙尺寸对其性能影响的研究，分析了间隙尺寸对泄漏损失、泄漏涡的形成位置、运动轨迹、转子流场结构的影响，确定了间隙尺寸对高亚音微型轴流涡轮性能的影响规律。结果表明，间隙尺寸每增加叶高的1%，微型轴流涡轮效率最多下降1.9%，高于常规轴流涡轮。
　　5、将本文所设计的微型轴流涡轮应用到MTE-D微型发动机中，并成功完成了整机地面试车试验，试验最高转速108krpm（90%设计转速），有效推力118N；确定了用于试验的合理间隙尺寸及不同间隙尺寸微型轴流涡轮整机性能测试试验方案，规划了试验过程、测量方案和数据处理方法。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现况

1.3 研究目标和内容

第二章 微型轴流涡轮流动特点研究

2.1 数值模拟工具计算准确度校验

2.2 叶轮微型化性能对比分析

2.3 微型轴流涡轮导向器流动特点分析

2.4 微型轴流涡轮转子流动特点分析

2.5 本章小结

第三章 考虑加工工艺的微型轴流涡轮流动特点分析

3.1 考虑加工工艺的涡轮微型化特点分析

3.2 微型轴流涡轮最佳稠度影响研究

3.3 本章小结

第四章 高亚音厘米级微型轴流涡轮设计

4.1 MTE-D微型轴流涡轮一维热力设计

4.2 基于MTE-D微型轴流涡轮工作环境的叶轮方案调整

4.3 微型轴流涡轮设计

4.4 本章小结

第五章 叶尖间隙对微型轴流涡轮性能影响分析

5.1 设计间隙尺寸高亚音微型轴流涡轮流场分析

5.2 不同间隙尺寸微型轴流涡轮数值模拟

5.3 叶尖间隙尺寸对涡轮导向器性能的影响

5.4 叶尖间隙尺寸对涡轮转子的影响

5.5 本章小结

第六章 高亚音厘米级微型轴流涡轮整机地面台架试验研究

6.1 微型发动机整机地面台架试验系统

6.2 微型轴流涡轮整机地面台架试验

6.3 不同间隙尺寸微型轴流涡轮的整机性能仿真及试验方案介绍

6.4 本章小节

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要工作及结论

7.2 展望与建议

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文