低压涡轮叶栅流动分离控制及其机理研究.pdf

1、 国内图书分类号： TK83 学校代码： 10213 国际图书分类号：621 密级：公开 工学博士学位论文 工学博士学位论文 低压涡轮叶栅流动分离控制及机理研究 博 士 研 究 生 ：李超 导 师 ：王庆超 教授 副 导 师 ：颜培刚 教授 申 请 学 位 ：工学博士 学 科 ：动力机械及工程 所 在 单 位 ：能源科学与工程学院 答 辩 日 期 ：2017 年 6 月 授予学位单位 ：哈尔滨工业大学 摘 要 - I - 摘

2、要 高空无人机是侦察卫星的重要补充和增强手段，能够持续战略侦察，获取战略情报，对信息化作战具有重要作用，受到各国高度重视，被美国空军列为 21 世纪的关键技术之一。然而，高空长航时无人机在高空巡航时，由于大气密度的下降，发动机低压涡轮运行雷诺数会降低到 0.25 105 以下，叶片表面大部分呈现层流状态，容易导致叶片吸力面边界层发生分离，降低发动机的整体性能。为了减小发动机制造和运行成本，提高推重比，低压涡轮叶片负荷不断提高，同时使边界

3、层分离和端壁二次流流动恶化，控制边界层流动分离，研究流动控制机理，对提高低压涡轮性能具有重要意义。 为了控制低压涡轮叶栅流动分离，减小损失，研究了增加尾缘厚度（IT）和尾缘偏斜（DT）两种被动控制方式对低压涡轮叶栅损失、气流折转角的影响，揭示了其流动控制机理，研究发现增加尾缘厚度和尾缘偏斜都能增大气流折转角，但仅能在低雷诺数条件下减小叶栅损失。增加尾缘厚度和尾缘偏斜减小了每一级的质量流量，增加栅距，保持主流质量流量不变，增加尾缘厚度和尾

4、缘偏斜同样可以减小叶栅损失，增加气流折转角。增加尾缘厚度和尾缘偏斜一方面使主流发生偏斜， 加速了吸力面边界层流动， 抑制流动分离，减小了吸力面湍动能；另一方面增强了流动掺混，增加尾缘厚度和尾缘偏斜对损失的影响是两方面综合的结果。 考虑到被动控制在高雷诺数时会增加损失，研究和对比了尾缘射流和涡流发生器（VGJs）两种主动控制对低压涡轮叶栅的影响，发现涡流发生器可以用比尾缘射流更少的射流流量控制边界层流动分离，但 VGJs 促使转捩提前发生

5、，增加了吸力面高湍动能区域面积。为此，将主被动控制结合，研究了 VGJs 分别和襟翼（VGJs-GT） 、尾缘偏斜结合（VGJs-DT）控制边界层流动分离，揭示了其流动控制机理，对比了两者对叶型损失和流动的影响，研究发现 VGJs-GT 和 VGJs-DT 都能进一步减小涡流发生器叶栅损失，增加气流折转角，与单独使用 VGJs 相比，VGJs-DT 和 VGJs-GT 能用更少的射流流量控制流动分离。 为了提高低压涡轮叶栅负荷， 减小了