微型轴流涡轮掠叶型及后加载叶型设计技术研究

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近年来,为了适应微型涡喷发动机具备高性能、高能量利用率的要求。作为其核心动力部件的微型涡轮,则需要具有高效率、高通流能力、质量轻等特点。但是随着尺寸的缩小,微型化效应的影响使得微型轴流涡轮损失显著增加,损失结构比重发生明显变化,使得微型涡轮效率远远低于常规涡轮,其中二次流损失显著增加并占据总损失主要地位。因此,本文以降低微型轴流涡轮二次流损失为主要目的,以南航微发所MTE17微型涡喷发动机单级涡轮部件为基础,开展微型轴流涡轮掠叶型及后加载叶型设计技术研究,确定了适合此涡轮级的掠叶型及后加载叶型,本文主要研究内容主要包括:1、开展了微型轴流涡轮静叶掠叶型设计技术研究,首先对此静叶流场进行分析,进而结合掠叶型技术对流场的作用机理,最后确定只对叶根处进行掠的处理。通过对比了不同掠的形式对静叶通道流场的影响,确定了适合此叶轮的掠形式。同时分析了不同掠角(20°,30°,40°)以及不同掠高(0.2,0.5,0.8)对涡轮静子通道二次流动,流动损失以及下游流动的影响。结果表明,随着后掠掠角的增加,根部端壁区改善效果越明显。而通道中部损失则呈增加趋势,当掠角超过20°时损失增加幅度快于叶根的改善幅度。对于掠高,其作用效果与掠角类似,但是当掠高超过0.5时,其根部改善效果变得不明显。最终,通过以上研究结果确定了适合此涡轮级的最佳后掠掠叶型为后掠掠角20°,掠高0.5,并通过转静子优化匹配使得最终涡轮效率由90.4%提高到90.6%。2、开展了微型轴流涡轮转子后加载叶型设计技术研究,研究了攻角、前缘半径、中弧线形式以及叶型厚度分布对叶型载荷分布、二次流动以及叶轮性能的影响。研究结果表明:攻角变化对前缘载荷影响较大,前缘半径的增加能够降低叶片近前缘处约10%轴向弦长的横向载荷;中弧线是影响载荷分布的最主要因素,随着中弧线最大曲率位置的后移,载荷重心逐渐后移,叶根二次流动强度被削弱,流动总损失得到降低,其最大曲率最佳位置为约38%轴向弦长处;叶型厚度分布则起到辅助中弧线的作用,随着型面曲率的减小,叶片载荷逐渐降低,且适当增加叶型厚度不会降低叶轮性能;只有当这四种几何因素共同作用时,才能使叶轮呈现典型的后部加载特征。最终,本文确定了适合此微型轴流涡轮的最佳后加载叶型。
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