低雷诺数预旋来流条件下宽弦长涡轮导向器置入S型过渡段的流场耦合机制研究

During the current engine design, since the s-shaped transitional duct which positioned between the high pressure & low pressure turbine always suffered from the flow seperation ,and hence flow deterioration senced by the downstream flow, investegated by the international engineering nowadays. Based on the analysis of the flow mechanisms within the s-shaped transitional duct, it is a common sence that with the aid of long-chord & twisted low pressure turbine's nozzle, flow seperation within the s-shaped transitional duct can be supressed. However, such investigation always gained under the uniform incoming flow condition or hypotheis of preswirl condition which is not same comparing with its counterpart real engine's condition. So findings reached by the current investigation results cannot be easily used by the engine designer. So author would like to use low speed double duct experiment rig, use upstream rotor's wake to simulate the low Reynolds number as well as preswirl condition. Investigation will foucus on flow structure and loss mechanisems, and boundary layer's dynamic migration characteristics. Hoping the experiment results can guid the designer to design s-shaped transitional duct and low pressure turbine's nozzle.

现代航空发动机设计中，高低压涡轮间高扩压度S型过渡段因其易产生流动分离及对下游流场畸变度的影响，而倍受国内外研究者关注。申请者在总结和分析S型过渡段内部流场特点的基础上，注意到国外已有将弯曲型宽弦长低压涡轮导向器置入高扩压度S型过渡段中，依靠两构件的流场耦合改变内部涡系结构来抑制管流端壁处流动分离的研究思想。但见诸报道的研究成果大都只是在均匀进气、人为假设的不同进口预旋角度及其沿展向分布规律等前提下获得的，缺乏在发动机真实流场环境下对过渡段及内置导向器自身流动图谱（附面层迁移特性）进行分析，导致所获研究结果难以直接应用于设计。鉴于此，申请者拟利用双环流实验平台，借助上游涡轮转子模拟轮模拟过渡段入口更为真实的低雷诺数、预旋来流条件，研究上游转子尾迹扫掠下两构件耦合流场的流动图谱、损失特性并借助表面热膜测试技术分析叶片表面附面层迁移特性。期望获得可直接指导S型过渡段及内置导向器设计的实验结果。

现代民用高性能航空发动机的涵道比越来越高，为提高发动机推重比、优化低压轴系转子动力学特性，高低压涡轮过渡段朝着更大径向跨距、更短轴向长度和更大进出口面积比的超紧凑过渡段方向发展。超紧凑高低压涡轮过渡段有利于提高涡扇发动机总体性能，但是其内部易于诱导出很强的二次流动，导致流动分离，总压损失增加。本项目借助实验测量及数值模拟方法，进行了以下研究：（1）对高扩压度S型过渡段内部的流场进行了分析，掌握了其内部流动机理。研究发现，受面积分布以及环壁型线曲率变化的影响，在过渡段内部产生较大的逆压梯度，使得壁面附近附面层不断增厚，带来较大的总压损失，同时诱导出对涡，进一步增加了损失的发生；（2）设计了内置宽弦长导向器的一体化过渡段，并对其内部流动机理进行了分析。研究发现，采用宽弦长导向器取代传统短弦长导向器，改变壁面附近静压分布，可以降低流场内出现分离流动的可能性；（3）为了掌握这种布局方式的设计方法，对不同宽弦长导向器叶型加载方式进行了探讨，研究发现，导向器后加载及中部加载方式，气流角变化相对较小，且损失较小；导向器均匀加载时，出口气流角偏离设计最严重，损失也最大。