对转涡轮内部流动机理及设计方法研究

作者：赵巍; 隋秀明; 赵庆军; 徐建中^*

来源：中国科学 技术科学, 2020, 50(10): 1376-1390.

• 对转涡轮
• 气动设计
• 流动机理
• 变工况

对转涡轮与常规涡轮相比具有效率高、重量轻和陀螺力矩小的优点,已广泛应用于先进航空发动机,正向着更高效率、级载荷和更优变工况性能方向发展.本文开展了1+1/2, 1+1和1+3/2对转涡轮基元级分析,指出给定转速时,减小涡轮进口导叶出口预旋和增大高压涡轮动叶载荷是使低压涡轮动叶出口气流满足轴向约束的主要手段.根据进口总温1850 K、进口总压2.5 MPa和总膨胀比6等设计点要求,分析讨论了相同转速、进口内径和轮毂比的1+1/2, 1+1和1+3/2对转涡轮通流设计和三维气动设计方法,实现涡轮高低压功比分别为2.0, 1.8和1.5,效率分别为91.7%, 91.8%和92.4%,高压动叶级载荷系数分别为3.2, 2.7和2.4.其中1+1/2对转涡轮高压动叶中径出口相对马赫数达到1.60,采用缩扩流道叶型; 1+1和1+3/2对转涡轮高压动叶出口相对马赫数分别为1.28和1.10,均采用渐缩流道叶型.分析了对转涡轮内部流动损失,指出对转涡轮相比传统涡轮具有更强的激波损失.提出了对转涡轮高压动叶吸力面无遮盖段内凹型线优化方法,降低了对转涡轮尾缘激波强度和尾迹宽度, 1+1/2涡轮效率比采用常规设计方法提高0.3%,达到92.0%.给出了对转涡轮变工况特性,指出对转涡轮在高低压转子90%转速以上具有接近设计点的高效率,全工况性能无急剧衰退.针对1+1/2高低压转速分别为20%和10%工况,提出了低压动叶性能优化方法,提高低压涡轮效率15%、涡轮总效率5%,涡轮在发动机起动过程做功能力得到增强.

• 单位
  中国科学院大学; 航空宇航学院; 中国科学院工程热物理研究所