【摘 要】
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涡轮的入口由于导叶尾迹的存在具有一定的非均匀性,而基于定常均匀来流条件下的涡轮设计及优化方法会使预测得到的特性与真实性能之间存在一定差异。因此本文采用数值模拟方法对引起非均匀入口条件的导叶非定常尾迹带来的影响进行详细地研究与分析。选取典型现代航空发动机GE-E~3的第一级高压涡轮叶型及工况,在不同叶顶情况下分别进行了三维定常及非定常数值模拟计算。GE-E~3的第一级
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涡轮的入口由于导叶尾迹的存在具有一定的非均匀性,而基于定常均匀来流条件下的涡轮设计及优化方法会使预测得到的特性与真实性能之间存在一定差异。因此本文采用数值模拟方法对引起非均匀入口条件的导叶非定常尾迹带来的影响进行详细地研究与分析。选取典型现代航空发动机GE-E~3的第一级高压涡轮叶型及工况,在不同叶顶情况下分别进行了三维定常及非定常数值模拟计算。GE-E~3的第一级高压涡轮具有46片导叶叶片及76片动叶叶片,在计算过程中为了兼顾计算资源与计算准确性,将导叶数目与动叶数目约化为38:76,即每个计算域中均包含1个导叶通道及2个动叶通道。计算域的边界条件与GE-E~3的环形叶栅试验工况相一致。本文分别对平叶顶、带槽叶顶以及气冷凹槽叶顶的叶尖气动及换热特性展开详细调查,主要分析了定常与非定常特性的差异以及非定常瞬时特性在一个周期内的波动变化情况,以此来识别非定常尾迹带来影响的相对大小。结果显示:非定常尾迹对叶尖的换热系数产生十分明显的周期性影响,叶顶区域的非定常换热系数瞬时变化会超过20%,且叶顶凹槽结构与气膜冷却会使其增加至30%。非定常尾迹引起的气动性能改变在一个周期内会达到平衡,且泄漏流与总压损失的非定常时均值与定常值十分接近。因此基于非定常情况下换热特性的显著变化,在涡轮叶顶气热设计过程中应当考虑前排尾迹引起的非定常特性,这对叶片的结构强度与疲劳预测都具有十分重要的意义。
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