短尺寸、大曲率中介机匣的设计方法研究

摘要

双转子结构是目前航空涡扇发动机的主流，中介机匣是涡扇发动机中连接高、低压压缩部件的重要过渡通道和主要承力件。通常低压压气机转速低、半径大,而高压压气机转速高、半径小，为适应高、低压压气机之间的流道高度落差，中介机匣需采用“S”造型。在尽量短的轴向长度内使得高、低压压气机顺利过渡，这样不仅可减轻过渡段和相关周边附件的重量，而且还使得高、低压转子的长度缩短，从而减轻发动机中转子系统的强度负荷，发动机的可靠性得到了保障。基于目前国内外在中介机匣气动设计方面缺乏完整设计准则和成熟工程经验，本文对中介机匣相关结构参数进行设计研究，分析对比其流场特征，最终得到中介机匣设计规律。
　　本文中首先采用两个实验算例对所应用的数值计算方法进行了校验，表明k-w SST湍流模型对大扩张流道的研究模拟有一定的准确性。然后建立了S形中介机匣子午流道几何的参数化描述方式，将子午流道几何归结为内外壁拐点轴向位置的函数，这一方法可以快速对子午流道进行设计研究。在此过程中探索了某一尺寸二维中介机匣设计规律，研究结果表明：子午流道压力损失主要来源于轮毂和机匣端壁附面层造成的沿程压力损失，并且轮毂壁面损失比机匣大；流道面积为先扩张后收缩的分布可减小流道内的逆压力梯度，进而使得性能提高。
　　接着本文对三维带支板中介机匣进行了研究。对于“0.35-0.65”这一流道而言，增加支板后总压损失明显增大，总压恢复由99.5％减小到99.1%。其总压损失来源除了轮毂、机匣端壁附面层损失外，还有支板所引起的叶型损失和二次流等。此外研究发现，支板最大厚度位置到支板尾缘这段距离内，支板厚度减小和轮毂端壁曲率变化共同作用造成轮毂端壁和支板形成的角区内出现大逆压力梯度，进而使得此区域内流体出现分离。并且受到径向从轮毂到机匣的顺压力梯度的影响，此低能流体逐渐远离轮毂端壁，向机匣方向发生径向偏移。在此研究基础上，本文还对支板安装位置和后掠角进行了设计研究，结果表明：当支板前缘距进口t为0.1L时，得到的中介机匣性能比较好。而t选取为0.15L和0.2L两个位置时，中介机匣性能有所下降，但是这两个方案的差距不是太大；当后掠角θ为00时，中介机匣性能最高，而当掠角为250时，总压恢复比较低。最后，本文还对中介机匣实验件进行了模型设计。

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注释表

缩略词

第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3研究目标与主要内容

第二章 模型校验

2.1 计算方法介绍

2.2扩压通道的湍流模型校验

2.3中介机匣数值仿真方法校验

2.4本章小结

第三章 子午流道设计

3.1子午流道的参数化设计

3.2计算条件

3.3计算物理模型与网格

3.4结果对比分析

3.5本章小结

第四章 带支板三维中介机匣设计研究

4.1几何构型

4.2网格划分

4.3计算方法

4.4三维中介机匣设计研究

4.5本章小结

第五章 中介机匣实验模型设计

5.1 实验模型

5.2本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文总结

6.2展望与建议

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文