尾迹扫掠下超高负荷涡轮叶片附面层特性及粗糙度流动控制

现代高涵道比涡扇发动机中，为了追求更高的推重比，减少低压涡轮级（叶片）数已经是必然的趋势，这促使了低压涡轮叶片向超高升力（Zweiful数1.4以上）的设计方向发展。叶片吸力面逆压梯度不断地增加，再加上低压涡轮在高空巡航状态下工作时雷诺数较低，即使在引入了上游尾迹的扫掠作用后，超高负荷低压涡轮叶片内仍然不可避免地存在着流动分离，损失急剧增加。因此，亟需结合尾迹的扫掠作用，引入新的流动控制方法来抑制超高负荷低压涡轮叶片吸力面附面层的分离。叶片表面粗糙度流动控制是一种很好的能实现上述设想的控制策略。通过结合上游尾迹的周期性扫掠对超高负荷低压涡轮叶片吸力面附面层分离及转捩过程影响机制的认识，利用优化配置粗糙度大小和粗糙度位置，在尾迹周期性的扫掠下实现对分离点附近流动的控制，借助二者的耦合作用最大限度地提高叶片负荷，为下一代高推重比发动机的超高负荷低压涡轮的设计提供基础性技术支撑。

通过高负荷叶型设计减少低压涡轮叶片数目是减轻低压涡轮重量、提高发动机推重比的一种有效途径。然而随着低压涡轮叶片负荷的进一步增大，叶片吸力面附面层内逆压梯度的增大不可避免，加之低压涡轮在高空巡航状态下工作时雷诺数较低，叶片表面附面层增厚并极易分离，而叶片表面附面层一旦分离，将导致损失急剧增加，涡轮效率急剧下降。随着航空发动机对高推重比的追求，超高升力、大转折角叶片成了低压涡轮设计的一个新趋势，对于这类Zweifel数1.4以上超高负荷低压涡轮叶片而言，如何深入理解叶片表面附面层的时空演化规律和内部流动机理，并采取一定的控制策略有效地控制低压涡轮叶片表面附面层的转捩和分离过程，特别是叶片表面的非再附式分离，将是低压涡轮设计中最为关键的技术之一。. 本项目针对超高负荷低压涡轮附面层特性及流动控制问题，以具有不同负荷分布的超高负荷涡轮叶片（Zweifel数1.4）为研究对象，以平行于叶栅的等距圆柱扰动条平动模拟周期性尾迹扫掠，借助表面热膜、热线和静压探针等测试手段，同时辅以高精度数值模拟手段，研究了尾迹周期性扫掠下超高负荷低压涡轮叶片吸力面附面层的非定常表现，深入分析了尾迹与附面层的相互作用过程以及尾迹扫掠下叶片吸力面附面层非定常分离和转捩机制。在此基础上，设计了具有不同粗糙度大小和布置方式的粗糙度，深入研究了叶片表面粗糙度对超高负荷低压涡轮叶片吸力面附面层特性的影响规律和机制，在此基础上，探索了粗糙度流动控制、尾迹周期性扫掠和超高负荷低压涡轮附面层之间耦合作用机制，反复优化配置粗糙度参数，在尾迹周期性的扫掠下实现对分离点附近流动的控制，借助二者的耦合作用实现了超高负荷低压涡轮叶片附面层的分离流动控制，在不增加结构复杂性的前提下最大限度地抑制超高负荷叶片吸力面附面层的层流分离，提高超高负荷叶片的气动性能，为下一代高推重比发动机的超高负荷低压涡轮的设计提供基础性技术支撑。研究成果已经应用于具有完全自主知识产权的1000公斤推力民用涡扇发动机中，达到了有效减少低压涡轮的零部件数和重量，大幅度提高发动机的推重比的效果。