计及动静干涉的涡轮气动性能变化及其诱发振动机理研究

摘要

随着对航空发动机性能要求的不断提高，对涡轮气动设计也提出了更高的要求。目前，已有涡轮设计部门在进行设计时考虑动静干涉效应的影响，并成功提高了大型客机低压涡轮的气动载荷。但由于非定常计算周期长、以往设计中的惯性思维等因素的存在，尽管非定常气动机理研究取得不少的进展，但大多数涡轮气动设计仍欠于或没有考虑非定常效应的影响。同时，周期性的非定常效应不仅在某种程度上改变叶片的气动性能，同时也对叶片振动与噪声有重要影响。为了促进在涡轮设计中考虑非定常动静叶干涉，本文通过定常与非定常计算的对比与分析，从气动、振动与噪声三个方面研究设计中考虑加入干涉效应影响的重要性和必要性，同时在一些问题上进一步研究了动静叶干涉机理。
　　首先，在保证了数值方法可靠性的基础上，对某高负荷低压涡轮进行了定常和非定常条件下的数值模拟，并将计算结果进行了对比分析，表明定常和非定常时均值计算结果存在差异，并说明了造成这种差异的原因，并指出上游二次流对下游端区二次流损失具有抑制作用；给出了动静干涉效应影响下游动叶表面压力波动的主要因素，并详细分析了这些因素在动叶不同叶高截面上的影响力。
　　然后，对不同轴向间距条件下动静干涉效应的变化进行了分析，给出了轴向间距变化与势流干涉、二次流掺混的变化规律，并对上游二次流对下游端区二次流损失的抑制作用进行了机理分析，得出了端区动量掺混导致的“逆效应”现象。接着，对动叶叶顶间隙变化对动静干涉效应的影响进行了研究，结果表明随着叶顶间隙的增加，泄漏损失将取代动静干涉效应成为叶顶主要的能量损失，且其影响范围也将沿叶高逐渐向叶根方向延伸；与此同时，动静干涉效应对叶顶泄漏流动具有明显的影响，它使得叶顶泄漏流动发生周期性变化。
　　由于上级各列叶栅内的非定常效应和集中涡系结构对下级各列叶栅的影响更加复杂，仅仅只对单级进行分析显然是不够的。因此，本文对某两级高压涡轮进行了数值模拟，分析了定常和非定常条件下气动性能的变化，证实了“逆效应”现象在高压涡轮级中的存在；详细分析了动静干涉条件下各列叶栅集中涡系结构的生成、发展以及对下列叶栅的影响等情况，并发现了在此涡轮模型下，通道涡将端区二次流诱导至其上方形成诱导涡的流动现象；并通过减小背压的方法，研究了势流干涉对叶片表面压力波动的影响情况。最终明确了叶片表面压力波动的变化情况和影响因素。
　　为了进一步说明动静干涉效应的重要性，本文对周期性非定常压力脉动诱发的叶片振动进行了研究工作。通过对动静干涉引起的压力变化与叶片受力之间的关系进行研究，给出了非定常作用力模型；采用此模型对非定常气动力作用下涡轮叶栅的振动情况进行了模拟分析，给出了动、静叶的振动极值出现位置；对非定常力诱发的离散噪声进行了分析，确定了级间势流干涉和叶顶泄漏流动是涡轮叶栅内部主要噪声源。
　　最后，本文对叶片表面压力脉动的控制方法展开了研究。采用增加轴向间距和第一级静叶采用正弯叶片造型的方法对涡轮叶片非定常压力脉动进行控制。结果表明两种方法对减小涡轮叶片表面压力脉动都是有益的，但作用机理和影响范围则是不同的。增加轴向间距是通过减弱动静干涉效应来达到减小压力脉动的作用，其作用主要体现在上游静叶尾缘，对下游动叶前缘也有一定改善，然而对于叶顶泄漏引起的压力脉动则无能为力；采用正弯叶片则是通过改变静叶出口的位流场与尾迹流动分布状态，减小动静叶栅相互作用，起到减少压力脉动的效果。
　　总之，上述工作进一步的说明了在涡轮设计中考虑动静叶干涉效应影响的重要性和必要性，同时对动静干涉效应的一些机理进行了新的探讨，应是促进涡轮考虑动静干涉非定常设计的一个有新意的工作。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2叶轮机械内部的真实流动

1.3叶轮机械非定常气动计算方法的发展

1.4叶轮机械气动设计发展与三维计算分析

1.5国外非定常研究现状

1.6国内涡轮非定常研究现状

1.7论文主要内容

第2章 数值方法及可靠性验证

2.1引言

2.2数值方法

2.3数值方法的可靠性验证

2.4本章小结

第3章 动静干涉效应对高负荷涡轮气动参数的影响

3.1引言

3.2数值方法与数据处理

3.3定常与非定常下计算结果分析

3.4动静干涉效应对叶片表面非定常脉动的影响

3.5本章小结

第4章 轴向间距和叶顶间隙对动静干涉效应的影响

4.1引言

4.2轴向间距变化对动静干涉效应的影响

4.3动叶叶顶间隙变化对动静干涉效应的影响

4.4本章小结

第5章 动静干涉下高压涡轮非定常气动性能与涡系结构分析

5.1引言

5.2几何模型

5.3动静干涉下涡轮级非定常气动性能分析

5.4动静干涉下集中涡系结构分析

5.5势流干涉对非定常气动性能与涡系结构的影响

5.6本章小结

第6章 周期性非定常压力脉动诱发叶片振动研究

6.1引言

6.2叶片受力分析

6.3叶片非定常气动力诱发振动分析

6.4非定常气动力诱发噪声初步研究

6.5动静叶轴向间距对非定常作用力的影响

6.6弯曲叶片造型对非定常作用力的影响

6.7本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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