对转涡轮通流部分流场匹配技术与流场结构特性研究.pdfVIP

摘要

摘要

由于对转涡轮中高、低压涡轮动叶旋转方向相反，可以有效利用高压涡轮出

口气流预旋。通过减少低压涡轮的进口导叶，能提高涡轮的效率和推重比，从而

提升航空发动机的性能。本文根据对转涡轮技术在民用领域和军用领域的应用，

分别以PW公司的高、低压对转涡轮和某1+1/2通流结构的对转涡轮为研究对象，

研究了跨音速对转涡轮的设计方法和流场匹配技术。

在完成高、低压对转涡轮的一维和准三维设计后，分析了中间机匣和低压涡

轮的全三维流场，发现支板的吸力面有较大范围的流动分离，导致损失较大；然

后根据对转涡轮的结构特点，分两种方案进行优化设计研究。

方案一是针对支板吸力面的流动分离问题，优化支板的中弧线，提高涡轮效

率；方案二是以提高推重比为目标，去掉第二级涡轮静叶，优化中间机匣支板。

优化过程中方案一采用支板和第二级涡轮静叶联合优化的方法，方案二采用支板

和第二级涡轮动叶联合优化的方法。并且根据高压涡轮出口处的气动参数设定计

算域进口的边界条件，从而保证了支板进/出口的气动参数分别和高压涡轮及低压

涡轮的流场相匹配。在完成优化方案之后，在多级涡轮中进行了全三维流场分析，

验证支板和高压涡轮及低压涡轮的匹配效果。

方案一增加了支板出口几何角度，消除了吸力面流动分离的问题，有效提高

了涡轮效率。方案二中的支板由扩压型叶片改为落压型叶片，出口气动参数和原

型中第二级涡轮静叶的出口气流条件相接近，和第二级涡轮动叶具有良好的匹配

效果。

对于1+1/2通流结构的对转涡轮，本文通过一维和准三维设计，计算出了涡轮

通道内的气动参数和初步的几何结构；在完成三维叶片造型后，分析了涡轮通道

的全三维流场。该涡轮设计中，有效地利用了第一级涡轮动叶出口的气流预旋，

使得涡轮的结构更为紧凑。但初步设计出的涡轮通道中有明显的激波产生，而且

静叶和第二级涡轮动叶的吸力面都存在二次流动，严重影响了涡轮的性能。针对

此问题，以提高涡轮效率为目标，将三列叶片一起计算，采用多列叶片联合优化

设计方法，保证了优化过程中各列叶片进/出口气动参数的相互匹配。优化后涡轮

效率提高了3.54%，有效减小了涡轮通道内部的激波损失和二次流动。

关键词:对转涡轮；几何-流动匹配；二次流动；激波；气动优化设计

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Abstract

Abstract

Inthecounter-rotatingturbine,becausetherotationdirectionsofthebladesinthe

high-pressureturbineandlow-pressureturbineareopposite,thepre-swirloftheairflow

attheoutletofthehigh-pressureturbinecanbeeffectivelyutilized.Byreducingthe

vanesattheinletofthelow-pressureturbine,theefficiencyandthrust-weightratiocan

beimproved,thusimprovingtheperformanceoftheaeroengine.Thisarticlestudiedthe

designmethodandflowmatchingtechnologyoftransoniccounter-rotatingturbines

basedontheirapplicationsincivilandmilitaryfields,withPW’scounter-rotating

turbineconsistingofahighstageandfourlowstagesanda