（人機(jī)與環(huán)境工程專業(yè)論文）對轉(zhuǎn)渦輪氣動設(shè)計技術(shù)研究.pdf

摘要 abs tract t h e c o u n t e r - r o t a t i n g g a s t u r b i n e i s a n e w t y p e t u r b i n e f o r t h e n e x t g e n e r a t i o n a e r o - e n g i n e . t h i s t y p e t u r b i n e c o u l d h a v e l e s s w e ig h t a n d h i g h e r e f f i c i e n c y t h a n t h e o r d i n a r y t u r b i n e . i t h a s a c h i e v e d t h e e x t e n s i v e a t t e n t i o n a l l o v e r t h e w o r ld . t h i s p a p e r r e s e a r c h e d t h e a e r o d y n a m i c d e s i g n t e c h n o l o g y o f c o u n t e r - r o t a t i n g g a s t u r b i n e . b y u s i n g t h e f r e e - v o r t e x d e s i g n c o n c e p t b a s e d o n t h e s t r e a m l i n e c u r v a t u r e m e t h o d , t h e a e r o d y n a m i c p a r a m e t e r s o f t h e c o u n t e r - r o t a t i n g g a s t u r b i n e w e r e a c h i e v e d . t h e p a r a m e t r i c m e t h o d o f t u r b i n e p r o f i l e d e s i g n i s u s e d t o d e s i g n t h e 2 d p r o f i l e , a n d s t a c k t e c h n o l o g y i s u s e d t o c o n s t r u c t t h e 3 d b l a d e . t h e c f d s o ft w a r e i s u s e d t o a n a l y z e t h e 2 d fl o w f i e l d a n d t h e 3 d v i s c o u s fl o w f i e l d i n t u r b i n e b a s e d o n t h e m e t h o d s d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r , a c o u n t e r - r o t a t i n g t u r b i n e w a s d e s i g n e d . t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s s h o w e d t h a t th e m e t h o d d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r i s e ff e c t i v e a n d f e a s i b l e . k e y w o r d s : c o u n t e r - r o t a t i n g t u r b i n e , s t r e a m l i n e c u r v a t u r e m e t h o d , p a r a m e t r i c m e t h o d o f b l a d e d e s i g n , c f d 1 1 西北丁業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 . 1開展對轉(zhuǎn)渦輪研究的意義 2 0 世紀(jì)7 0 8 0 年代， 美國、 英國、 俄羅斯、 法國等國家研制了推重比7 -8 的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)。 這些現(xiàn)役主力戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)主要有美國的f 1 0 0 , f 1 1 0 和f 4 0 4 發(fā)動機(jī)， 英國的r b 1 9 9 發(fā)動機(jī)， 俄羅斯的a l 3 1 f 發(fā)動機(jī)， 法國的m8 8 發(fā)動機(jī)等。 2 0多年來，這些發(fā)動機(jī)不斷采用新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和改型，已 經(jīng)發(fā)展了 多個系列，目前推重比己達(dá)到 8 .7 - - 1 0 . 0 ，例如 f i 0 0 - p w- 2 2 9 a , f l l 0 - g e - 1 3 2 , f 4 1 4 增推型、 a l 3 7 f u發(fā)動機(jī)等。 2 0 世紀(jì)9 0 年代，西方國家研制了推重比1 0 一級的新一代軍用加力式渦扇發(fā)動機(jī)，包括美國的f 1 1 9和 f 1 2 0 、西歐4國的 e j 2 0 0 、 法國的m8 8 - 2 和俄羅斯的a l 4 1 f 發(fā)動機(jī)等; 還研制了新一代的先進(jìn)民用 渦扇發(fā)動機(jī)， 主要包括g e 9 0 , p w4 0 8 4 , .瑞達(dá)” 8 0 0 和c f m5 6 - 7 發(fā)動機(jī)等。 這些 發(fā)動機(jī)的共同 特點(diǎn)是， 在確保提高發(fā)動機(jī)可靠性、 耐久性和可維護(hù)性的同 時， 采 用了 預(yù)先研究計劃開發(fā)的新材料、 新結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的氣動熱力學(xué)設(shè)計技術(shù)， 大大提 高了發(fā)動機(jī)的推力，減輕了發(fā)動機(jī)乃至飛機(jī)的質(zhì)量，從而提高了發(fā)動機(jī)的性能。 渦輪作為發(fā)動機(jī)重要的核心部件之一， 它的發(fā)展趨勢在兩個方面: 其一是不 斷提高渦輪前燃?xì)鉁囟龋?這是提高渦輪發(fā)動機(jī)推重比 和效率的最有效途徑; 其二 就是增加渦輪負(fù)荷， 減少渦輪葉片排數(shù)。 對于第一種趨勢， 美國等發(fā)達(dá)國家憑借 其先進(jìn)的氣動、 冷卻技術(shù)以 及先進(jìn)的材料和制造技術(shù)， 現(xiàn)役渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪前 燃?xì)鉁囟冗_(dá)到了 1 6 0 0 k 以上，在先進(jìn)發(fā)動機(jī)研制計劃中，燃?xì)鉁囟纫_(dá)到 2 0 0 0 - 2 4 0 0 k 。例如， 在i h p t e t( 綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)計劃)計劃第三階段， 將驗(yàn)證耐溫1 2 0 4 0 c的難熔合金妮和鋁的金屬間化合物高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片材料。 在此基礎(chǔ)上再采取冷卻效果0 . 7 50 .8 5 的冷卻設(shè)計 ( 如內(nèi)部強(qiáng)對流冷卻等復(fù)合冷 卻方法) 、 降溫1 5 0 - 2 0 0 0 c 的隔熱涂層和冷卻空氣預(yù)冷等技術(shù)， 可實(shí)現(xiàn)第三階段 的渦輪前燃?xì)鉁囟饶?標(biāo)il l . 對于第二種趨勢， 單純依靠提高葉片排負(fù)荷已無太大余地， 但是采用對轉(zhuǎn)渦 輪卻有很大的發(fā)展空間。 通過分析美國的現(xiàn)役機(jī)、 驗(yàn)證機(jī)以及預(yù)研計劃可以看出 渦輪的發(fā)展方向?yàn)椤?常規(guī)渦輪 1 + 1 對轉(zhuǎn)渦輪 1 + 1 / 2 對轉(zhuǎn)渦輪” 。 可見對轉(zhuǎn)渦 西北丁業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 . 1開展對轉(zhuǎn)渦輪研究的意義 2 0 世紀(jì)7 0 8 0 年代， 美國、 英國、 俄羅斯、 法國等國家研制了推重比7 -8 的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)。 這些現(xiàn)役主力戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)主要有美國的f 1 0 0 , f 1 1 0 和f 4 0 4 發(fā)動機(jī)， 英國的r b 1 9 9 發(fā)動機(jī)， 俄羅斯的a l 3 1 f 發(fā)動機(jī)， 法國的m8 8 發(fā)動機(jī)等。 2 0多年來，這些發(fā)動機(jī)不斷采用新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和改型，已 經(jīng)發(fā)展了 多個系列，目前推重比己達(dá)到 8 .7 - - 1 0 . 0 ，例如 f i 0 0 - p w- 2 2 9 a , f l l 0 - g e - 1 3 2 , f 4 1 4 增推型、 a l 3 7 f u發(fā)動機(jī)等。 2 0 世紀(jì)9 0 年代，西方國家研制了推重比1 0 一級的新一代軍用加力式渦扇發(fā)動機(jī)，包括美國的f 1 1 9和 f 1 2 0 、西歐4國的 e j 2 0 0 、 法國的m8 8 - 2 和俄羅斯的a l 4 1 f 發(fā)動機(jī)等; 還研制了新一代的先進(jìn)民用 渦扇發(fā)動機(jī)， 主要包括g e 9 0 , p w4 0 8 4 , .瑞達(dá)” 8 0 0 和c f m5 6 - 7 發(fā)動機(jī)等。 這些 發(fā)動機(jī)的共同 特點(diǎn)是， 在確保提高發(fā)動機(jī)可靠性、 耐久性和可維護(hù)性的同 時， 采 用了 預(yù)先研究計劃開發(fā)的新材料、 新結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的氣動熱力學(xué)設(shè)計技術(shù)， 大大提 高了發(fā)動機(jī)的推力，減輕了發(fā)動機(jī)乃至飛機(jī)的質(zhì)量，從而提高了發(fā)動機(jī)的性能。 渦輪作為發(fā)動機(jī)重要的核心部件之一， 它的發(fā)展趨勢在兩個方面: 其一是不 斷提高渦輪前燃?xì)鉁囟龋?這是提高渦輪發(fā)動機(jī)推重比 和效率的最有效途徑; 其二 就是增加渦輪負(fù)荷， 減少渦輪葉片排數(shù)。 對于第一種趨勢， 美國等發(fā)達(dá)國家憑借 其先進(jìn)的氣動、 冷卻技術(shù)以 及先進(jìn)的材料和制造技術(shù)， 現(xiàn)役渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪前 燃?xì)鉁囟冗_(dá)到了 1 6 0 0 k 以上，在先進(jìn)發(fā)動機(jī)研制計劃中，燃?xì)鉁囟纫_(dá)到 2 0 0 0 - 2 4 0 0 k 。例如， 在i h p t e t( 綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)計劃)計劃第三階段， 將驗(yàn)證耐溫1 2 0 4 0 c的難熔合金妮和鋁的金屬間化合物高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片材料。 在此基礎(chǔ)上再采取冷卻效果0 . 7 50 .8 5 的冷卻設(shè)計 ( 如內(nèi)部強(qiáng)對流冷卻等復(fù)合冷 卻方法) 、 降溫1 5 0 - 2 0 0 0 c 的隔熱涂層和冷卻空氣預(yù)冷等技術(shù)， 可實(shí)現(xiàn)第三階段 的渦輪前燃?xì)鉁囟饶?標(biāo)il l . 對于第二種趨勢， 單純依靠提高葉片排負(fù)荷已無太大余地， 但是采用對轉(zhuǎn)渦 輪卻有很大的發(fā)展空間。 通過分析美國的現(xiàn)役機(jī)、 驗(yàn)證機(jī)以及預(yù)研計劃可以看出 渦輪的發(fā)展方向?yàn)椤?常規(guī)渦輪 1 + 1 對轉(zhuǎn)渦輪 1 + 1 / 2 對轉(zhuǎn)渦輪” 。 可見對轉(zhuǎn)渦 第一章緒論 輪是先進(jìn)渦輪發(fā)展的一個重要趨勢。 對轉(zhuǎn)渦輪作為提高發(fā)動機(jī)推重比和飛機(jī)性能的有效手段越來越受到重視。 在 整個i h p t e t計劃中， 對轉(zhuǎn)渦輪方案貫穿始終。 而且己經(jīng)將這項技術(shù)應(yīng)用于第四 代發(fā)動機(jī)f 1 1 9 - p w- 1 0 0 。圖1 為美國i h p t e t計劃對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)發(fā)展情況。 f1 1 9 - pw- 1 0 0 i hp te t p h a s e i i hp t et p h a s e i i 對轉(zhuǎn)渦輪 i hp t e t p h a s e i i i i hp te t p h a s e 1 v 圖1對轉(zhuǎn)渦輪方案及發(fā)展趨勢 對轉(zhuǎn)渦輪是指在雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)中， 相鄰兩級渦輪的旋轉(zhuǎn)方向相反的 渦輪。 由 于可利用前排渦輪轉(zhuǎn)子出口 氣流余弦， 故可減少下游渦輪的導(dǎo)向葉片的 數(shù)量，甚至可以不使用導(dǎo)向葉片。這樣可以 使結(jié)構(gòu)簡單，減少冷卻空氣的使用。 從總體來講，發(fā)動機(jī)的推力將提高， 耗油率會下降。 如果還保持原有來自 壓氣機(jī) 的冷卻空氣量則可以進(jìn)一步提高渦輪前燃?xì)獾臏囟?，從而提高發(fā)動機(jī)的推重比。 如果取掉第二級的導(dǎo)向 葉片則還可以 縮短發(fā)動機(jī)的軸向長度， 對渦輪部件而言 則 幾乎縮短2 5 %。降低因?qū)蛉~片引發(fā)的氣動損失，繼而提高渦輪的效率1 2 1 對轉(zhuǎn)的高、 低壓渦輪還能夠大大減小甚至消除由于單向旋轉(zhuǎn)而引起的吃 機(jī)機(jī) 動飛行時作用在機(jī)匣和飛機(jī)上的陀螺力矩， 從而提高飛機(jī)的機(jī)動性和操縱性。 高 速旋轉(zhuǎn)的物體偏離自 轉(zhuǎn)軸時， 它的各部分質(zhì)量在運(yùn)動中產(chǎn)生的慣性力形成了一個 使物體不斷發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力矩， 這種力矩稱為陀螺力矩13 1 。 發(fā)動機(jī)的核心部件是高 速旋轉(zhuǎn)的葉輪機(jī)， 因此在飛機(jī)帶著發(fā)動機(jī)作機(jī)動飛行時必然伴隨著產(chǎn)生作用在軸 承、 繼而整機(jī)的陀螺力矩。 陀 螺力 矩在軸承上產(chǎn)生力 偶， 而此力偶會影響飛 機(jī)運(yùn) 動，迫使飛機(jī)仰頭或低頭 ( 或側(cè)滑) ，為了保持原來所希望的動作，飛行員就必 須作相應(yīng)操作， 以便使飛機(jī)產(chǎn)生附加空氣動力來平衡這對力偶， 力偶越大所需操 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 作就越困難。 另外， 飛行員必須針對機(jī)動的方向作適當(dāng)?shù)牟僮鳎?否則很容易發(fā)生 事故，高度的神經(jīng)緊張會使戰(zhàn)斗力減弱。即使是對民用飛機(jī)， 高空氣流紊亂， 可 能致使飛機(jī)劇烈抖動 ( 俯仰) ，瞬間之內(nèi)也會有較大的陀螺力矩產(chǎn)生，威脅生命 和財產(chǎn)安全。 因此， 降低陀螺力矩是提高飛機(jī)機(jī)動性能和可靠性所必須的。 對轉(zhuǎn) 無疑成為降低甚至消除陀螺力矩的有力技術(shù)手段。 雙級無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)低壓渦輪是一種革命性的方案， 有許多潛在的優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計權(quán) 衡表明， 這種方案特別適合未來軍用飛機(jī)的推力要求。 然而， 對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計面臨 低壓渦輪固有的高周疲勞問題， 高負(fù)荷跨聲速高壓渦輪氣動設(shè)計與雙級無導(dǎo)葉對 轉(zhuǎn)低壓渦輪的優(yōu)化需要完善的多學(xué)科組合， 包括氣動、 傳熱、 和結(jié)構(gòu)動力學(xué)。從 高壓渦輪來的跨聲速流的強(qiáng)迫響應(yīng)需要與低壓渦輪的氣動性能、 冷卻和結(jié)構(gòu)響應(yīng) 綜合考慮。 1 . 2國內(nèi)外對轉(zhuǎn)渦輪研究的狀況 西方各國 對航空動力技術(shù)的預(yù)先研究一向給予極大重視， 開展了一系列大型 研究計劃。 如美國軍方早從5 0 年代中期就開始實(shí)施航空推進(jìn)技術(shù)探索發(fā)展計劃; 7 0 年代初至8 0 年代又相繼實(shí)施了 先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)計劃 ( a t f e ) 、先進(jìn)渦 輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計劃 ( a t e g g )和飛機(jī)推進(jìn)分系統(tǒng)綜合計劃;7 0 年代末以 來， 美國 政府 ( 由n a s a主持) 也先后實(shí)施了 發(fā)動機(jī)部件改進(jìn)計劃、高效節(jié)能 發(fā)動機(jī)計劃 ( e 3 ) 、 先進(jìn)螺旋槳計劃和發(fā)動機(jī)熱端部件技術(shù)計劃 ( h o s t ) 。 特別 是，美國在研制第四代f 1 1 9 發(fā)動機(jī)的同時，從1 9 8 8 年起又投入了5 0 億美元巨 資，由軍方與政府聯(lián)合主持實(shí)施 “ 綜合高性能發(fā)動機(jī)計劃， ;英國則著手進(jìn)行先 進(jìn)軍用核心發(fā)動機(jī)第n階段計劃 ( a c me -1 1 ) ，其共同目 標(biāo)是利用計算流體力 學(xué) ( c f d ) ,結(jié)構(gòu)力學(xué)、 燃燒、 傳熱、新材料、新工藝、電 子調(diào)節(jié)和計算機(jī)仿真 等方面的 最新成就， 使推進(jìn)系統(tǒng)的能力在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番， 預(yù)計2 0 2 0 年后研 制出第四代推重比1 5 - 2 0 的發(fā)動機(jī)。這意味著它們用1 5 年左右的時間， 在推重 比、 耗油率、 成本等方面的技術(shù)進(jìn)步， 取得相當(dāng)于過去3 0 - - 4 0 年的成就， 充分表 明世界航空發(fā)動機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。 日本早就與美國合作生產(chǎn)第三代f 1 1 0發(fā)動機(jī)，并參與世界一流水平的大型 民用渦扇發(fā)動機(jī)的國際合作研制，目 前又與美、 英合作研制飛行速度5 倍于聲速 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 作就越困難。 另外， 飛行員必須針對機(jī)動的方向作適當(dāng)?shù)牟僮鳎?否則很容易發(fā)生 事故，高度的神經(jīng)緊張會使戰(zhàn)斗力減弱。即使是對民用飛機(jī)， 高空氣流紊亂， 可 能致使飛機(jī)劇烈抖動 ( 俯仰) ，瞬間之內(nèi)也會有較大的陀螺力矩產(chǎn)生，威脅生命 和財產(chǎn)安全。 因此， 降低陀螺力矩是提高飛機(jī)機(jī)動性能和可靠性所必須的。 對轉(zhuǎn) 無疑成為降低甚至消除陀螺力矩的有力技術(shù)手段。 雙級無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)低壓渦輪是一種革命性的方案， 有許多潛在的優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計權(quán) 衡表明， 這種方案特別適合未來軍用飛機(jī)的推力要求。 然而， 對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計面臨 低壓渦輪固有的高周疲勞問題， 高負(fù)荷跨聲速高壓渦輪氣動設(shè)計與雙級無導(dǎo)葉對 轉(zhuǎn)低壓渦輪的優(yōu)化需要完善的多學(xué)科組合， 包括氣動、 傳熱、 和結(jié)構(gòu)動力學(xué)。從 高壓渦輪來的跨聲速流的強(qiáng)迫響應(yīng)需要與低壓渦輪的氣動性能、 冷卻和結(jié)構(gòu)響應(yīng) 綜合考慮。 1 . 2國內(nèi)外對轉(zhuǎn)渦輪研究的狀況 西方各國 對航空動力技術(shù)的預(yù)先研究一向給予極大重視， 開展了一系列大型 研究計劃。 如美國軍方早從5 0 年代中期就開始實(shí)施航空推進(jìn)技術(shù)探索發(fā)展計劃; 7 0 年代初至8 0 年代又相繼實(shí)施了 先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)計劃 ( a t f e ) 、先進(jìn)渦 輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計劃 ( a t e g g )和飛機(jī)推進(jìn)分系統(tǒng)綜合計劃;7 0 年代末以 來， 美國 政府 ( 由n a s a主持) 也先后實(shí)施了 發(fā)動機(jī)部件改進(jìn)計劃、高效節(jié)能 發(fā)動機(jī)計劃 ( e 3 ) 、 先進(jìn)螺旋槳計劃和發(fā)動機(jī)熱端部件技術(shù)計劃 ( h o s t ) 。 特別 是，美國在研制第四代f 1 1 9 發(fā)動機(jī)的同時，從1 9 8 8 年起又投入了5 0 億美元巨 資，由軍方與政府聯(lián)合主持實(shí)施 “ 綜合高性能發(fā)動機(jī)計劃， ;英國則著手進(jìn)行先 進(jìn)軍用核心發(fā)動機(jī)第n階段計劃 ( a c me -1 1 ) ，其共同目 標(biāo)是利用計算流體力 學(xué) ( c f d ) ,結(jié)構(gòu)力學(xué)、 燃燒、 傳熱、新材料、新工藝、電 子調(diào)節(jié)和計算機(jī)仿真 等方面的 最新成就， 使推進(jìn)系統(tǒng)的能力在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番， 預(yù)計2 0 2 0 年后研 制出第四代推重比1 5 - 2 0 的發(fā)動機(jī)。這意味著它們用1 5 年左右的時間， 在推重 比、 耗油率、 成本等方面的技術(shù)進(jìn)步， 取得相當(dāng)于過去3 0 - - 4 0 年的成就， 充分表 明世界航空發(fā)動機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。 日本早就與美國合作生產(chǎn)第三代f 1 1 0發(fā)動機(jī)，并參與世界一流水平的大型 民用渦扇發(fā)動機(jī)的國際合作研制，目 前又與美、 英合作研制飛行速度5 倍于聲速 第一章緒論 的h y p r -9 組合循環(huán)發(fā)動機(jī)，力圖在高超聲速推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域搶占領(lǐng)先地位;印 度自 行研制的 g t x -3 5 v s雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)，推重比 在 7 .5左右，預(yù)計 2 0 0 0 年裝在他們自 行設(shè)計的l c a輕型殲擊機(jī)上首飛; 他們還準(zhǔn)備引進(jìn)4 0 架裝有推力 矢量噴管的俄制s u -3 0 m k i 戰(zhàn)斗機(jī)，并計劃在 1 5 年內(nèi)生產(chǎn)2 0 0 架:臺灣尚未 獨(dú)自 研制航空發(fā)動機(jī)， 但在美國人幫助下，合資研制了t f e 1 0 4 2渦扇發(fā)動機(jī)， 并成功地應(yīng)用于“ 經(jīng)國號” 輕型戰(zhàn)斗機(jī)， 此外繼購買了1 5 0 架f -1 6 之后， 又引 進(jìn)6 0 架幻影-2 0 0 0 ，明顯提高了 裝備水平增強(qiáng)了 空軍實(shí)力a 我國 航空動力方面的發(fā)展同世界先進(jìn)水平的差距正在加大， 航空發(fā)動機(jī)己 成 為制約軍、 民用飛機(jī)發(fā)展的“ 瓶頸” 技術(shù)。 特別是從近年來的戰(zhàn)爭中看到了空戰(zhàn) 的重要地位，也已經(jīng)加大了對航空發(fā)展的投入力度。在航空動力方面制定了 a p t d( 航空推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證) 計劃，下大力度搞好預(yù)先研究工作，充分開展基礎(chǔ) 理論研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究， 力圖從氣動、 結(jié)構(gòu)、 強(qiáng)度、 材料、 傳熱等方面加大技 術(shù)儲備。 1 . 2 . 1國外對轉(zhuǎn)渦輪應(yīng)用狀況 國 外關(guān)于對轉(zhuǎn)渦輪的資 料， 最 早可以 追 溯到1 9 1 3 年由l j u n g s t r o m制造的 第 一臺徑流式對轉(zhuǎn)渦輪，但是關(guān)于軸流式對轉(zhuǎn)渦輪的文獻(xiàn)資料是比較少的1 5 1 美國 將對轉(zhuǎn)渦輪裝備于飛機(jī)并已 經(jīng)開始服役，最具代表性的就是f 1 1 9以 及 f 1 2 0 . f 1 1 9 和f 1 2 0 發(fā)動機(jī)的高、低壓渦輪都采用對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)， 但f 1 1 9 沒有取消 高、 低壓渦輪間的導(dǎo)向葉片， 而f 1 2 0 取消了導(dǎo)向葉片， 低壓渦輪驅(qū)動兩級風(fēng)扇， 高壓渦輪驅(qū)動 5 級壓氣機(jī)。 用于f - 2 2 的普惠公司的f 1 1 9 - p w - 1 0 0 發(fā)動機(jī)是世界上技術(shù)最先進(jìn)的飛機(jī)發(fā) 動機(jī)， 滿足了 新的武器裝備系統(tǒng)對于速度高、 重量輕的 要求。 推力在3 5 , 0 0 0 磅， 發(fā)動機(jī)是雙軸對轉(zhuǎn)渦扇發(fā)動機(jī)， 保證飛機(jī)在不加力的條件飛行馬赫數(shù)達(dá)到1 .4 ( 超 音速巡航) ，而且發(fā)動機(jī)的使用壽命比其他發(fā)動機(jī)長。先進(jìn)的發(fā)動機(jī)技術(shù)包括飛 推綜合控制、二維推力矢量噴管，這些使 f - 2 2的機(jī)動性得到空前的發(fā)展。 f 1 1 9 - p w - 1 0 0 是飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的一次革命性的發(fā)展。 在超音速條件下的推力是h 前發(fā)動機(jī)的兩倍，在不加力條件下的推力大于常規(guī)發(fā)動機(jī)加力下的推力。 另外， c f m國際公司在t e c h 5 6 計劃下研制了兩種對轉(zhuǎn)的高、低壓渦輪， 第一章緒論 的h y p r -9 組合循環(huán)發(fā)動機(jī)，力圖在高超聲速推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域搶占領(lǐng)先地位;印 度自 行研制的 g t x -3 5 v s雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)，推重比 在 7 .5左右，預(yù)計 2 0 0 0 年裝在他們自 行設(shè)計的l c a輕型殲擊機(jī)上首飛; 他們還準(zhǔn)備引進(jìn)4 0 架裝有推力 矢量噴管的俄制s u -3 0 m k i 戰(zhàn)斗機(jī)，并計劃在 1 5 年內(nèi)生產(chǎn)2 0 0 架:臺灣尚未 獨(dú)自 研制航空發(fā)動機(jī)， 但在美國人幫助下，合資研制了t f e 1 0 4 2渦扇發(fā)動機(jī)， 并成功地應(yīng)用于“ 經(jīng)國號” 輕型戰(zhàn)斗機(jī)， 此外繼購買了1 5 0 架f -1 6 之后， 又引 進(jìn)6 0 架幻影-2 0 0 0 ，明顯提高了 裝備水平增強(qiáng)了 空軍實(shí)力a 我國 航空動力方面的發(fā)展同世界先進(jìn)水平的差距正在加大， 航空發(fā)動機(jī)己 成 為制約軍、 民用飛機(jī)發(fā)展的“ 瓶頸” 技術(shù)。 特別是從近年來的戰(zhàn)爭中看到了空戰(zhàn) 的重要地位，也已經(jīng)加大了對航空發(fā)展的投入力度。在航空動力方面制定了 a p t d( 航空推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證) 計劃，下大力度搞好預(yù)先研究工作，充分開展基礎(chǔ) 理論研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究， 力圖從氣動、 結(jié)構(gòu)、 強(qiáng)度、 材料、 傳熱等方面加大技 術(shù)儲備。 1 . 2 . 1國外對轉(zhuǎn)渦輪應(yīng)用狀況 國 外關(guān)于對轉(zhuǎn)渦輪的資 料， 最 早可以 追 溯到1 9 1 3 年由l j u n g s t r o m制造的 第 一臺徑流式對轉(zhuǎn)渦輪，但是關(guān)于軸流式對轉(zhuǎn)渦輪的文獻(xiàn)資料是比較少的1 5 1 美國 將對轉(zhuǎn)渦輪裝備于飛機(jī)并已 經(jīng)開始服役，最具代表性的就是f 1 1 9以 及 f 1 2 0 . f 1 1 9 和f 1 2 0 發(fā)動機(jī)的高、低壓渦輪都采用對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)， 但f 1 1 9 沒有取消 高、 低壓渦輪間的導(dǎo)向葉片， 而f 1 2 0 取消了導(dǎo)向葉片， 低壓渦輪驅(qū)動兩級風(fēng)扇， 高壓渦輪驅(qū)動 5 級壓氣機(jī)。 用于f - 2 2 的普惠公司的f 1 1 9 - p w - 1 0 0 發(fā)動機(jī)是世界上技術(shù)最先進(jìn)的飛機(jī)發(fā) 動機(jī)， 滿足了 新的武器裝備系統(tǒng)對于速度高、 重量輕的 要求。 推力在3 5 , 0 0 0 磅， 發(fā)動機(jī)是雙軸對轉(zhuǎn)渦扇發(fā)動機(jī)， 保證飛機(jī)在不加力的條件飛行馬赫數(shù)達(dá)到1 .4 ( 超 音速巡航) ，而且發(fā)動機(jī)的使用壽命比其他發(fā)動機(jī)長。先進(jìn)的發(fā)動機(jī)技術(shù)包括飛 推綜合控制、二維推力矢量噴管，這些使 f - 2 2的機(jī)動性得到空前的發(fā)展。 f 1 1 9 - p w - 1 0 0 是飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的一次革命性的發(fā)展。 在超音速條件下的推力是h 前發(fā)動機(jī)的兩倍，在不加力條件下的推力大于常規(guī)發(fā)動機(jī)加力下的推力。 另外， c f m國際公司在t e c h 5 6 計劃下研制了兩種對轉(zhuǎn)的高、低壓渦輪， 西北工業(yè)大學(xué)碩 卜 學(xué)位論文 高壓渦輪采用了三維氣動設(shè)計的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片、 刷式密封件和先進(jìn)材料， 低壓渦輪采用高負(fù)荷氣動葉片。與c f m5 6 發(fā)動機(jī)的高壓渦輪相比，新的高壓渦 輪的負(fù)荷提高了 1 5 %、葉片數(shù)減少了 1 0 %、冷卻空氣用量減少了2 2 %、前緣激 波強(qiáng)度降低了5 0 %、效率提高了 1 %:與c f m5 6 發(fā)動機(jī)的低壓渦輪相比，新的 低壓渦輪的葉片數(shù)減少了1 9 %、效率提高了近1 %. 為減少冷卻的需要并提高效率，在波音 7 e 7發(fā)動機(jī)的設(shè)計中，普 惠公司還 將采用高低壓渦輪的對轉(zhuǎn)設(shè)計。 對轉(zhuǎn)渦輪的基礎(chǔ)設(shè)計己 在p w6 0 0 0 項目 上鑒定合 格。 美國在研的“ 聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)” f - 3 5 ， 選取了兩種發(fā)動機(jī)方案， 一種是普惠 公司的f 1 3 5 ，另一種是g e和羅一羅公司合作研制的f 1 3 6 . f 1 3 6 采用了許多美 國國防部實(shí)施的綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù) ( i h p t e t )計劃中的新技術(shù)。在渦 輪設(shè)計中采用對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)去掉了最后級高壓渦輪和第一級低壓渦輪之間的導(dǎo) 向器葉片。由于導(dǎo)向器葉片通常需要最好的冷卻方式， 去掉導(dǎo)向器意味著簡化了 冷卻。 可以看出， 國外的對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善， 而且對于對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)也是 相當(dāng)重視的。 1 . 2 . 2我國對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)研究狀況 國內(nèi)對于渦輪部件的研究還限于常規(guī)渦輪，而且遠(yuǎn)沒有達(dá)到世界先進(jìn)水平。 而關(guān)于對轉(zhuǎn)渦輪，我國現(xiàn)處于理論研究階段。 在我國 關(guān)于航空 燃?xì)廨啓C(jī) 對轉(zhuǎn)渦輪的 文 獻(xiàn)最 早出 現(xiàn)于1 9 9 2 年的 6 , 蔡 睿賢 院士在文獻(xiàn)中討論了對轉(zhuǎn)渦輪基元級的自 變量， 并定義了不同類型的典型對轉(zhuǎn)渦 輪基元級， 同時， 初步比較了 對轉(zhuǎn)級與常規(guī)級的基元級效率， 認(rèn)為對轉(zhuǎn)渦輪的單 位葉列負(fù)荷系數(shù)可比常規(guī)級有成倍的 增長而且有更高的效率。 1 9 9 2 年他在文獻(xiàn) 7 l 中模擬常規(guī)渦輪定義了1 6 種可能的典型級， 分析了各種典型級的使用情況。 2 0 0 1 年他在文獻(xiàn) 8 中 提出了以 前沒有注意的氣動熱力設(shè)計問題: 基于高低壓軸壓氣 機(jī) ( 含風(fēng)扇) 各自 需要的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速、 壓比匹配的實(shí)用可能， 來選擇基元級與葉 柵， 提出比較適合對轉(zhuǎn)渦輪使用的發(fā)動機(jī)系統(tǒng); 以及特大轉(zhuǎn)折角葉柵與基本切向 特小折轉(zhuǎn)角葉柵的需要可能性與設(shè)計等。 西北工業(yè)大學(xué)碩 卜 學(xué)位論文 高壓渦輪采用了三維氣動設(shè)計的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片、 刷式密封件和先進(jìn)材料， 低壓渦輪采用高負(fù)荷氣動葉片。與c f m5 6 發(fā)動機(jī)的高壓渦輪相比，新的高壓渦 輪的負(fù)荷提高了 1 5 %、葉片數(shù)減少了 1 0 %、冷卻空氣用量減少了2 2 %、前緣激 波強(qiáng)度降低了5 0 %、效率提高了 1 %:與c f m5 6 發(fā)動機(jī)的低壓渦輪相比，新的 低壓渦輪的葉片數(shù)減少了1 9 %、效率提高了近1 %. 為減少冷卻的需要并提高效率，在波音 7 e 7發(fā)動機(jī)的設(shè)計中，普 惠公司還 將采用高低壓渦輪的對轉(zhuǎn)設(shè)計。 對轉(zhuǎn)渦輪的基礎(chǔ)設(shè)計己 在p w6 0 0 0 項目 上鑒定合 格。 美國在研的“ 聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)” f - 3 5 ， 選取了兩種發(fā)動機(jī)方案， 一種是普惠 公司的f 1 3 5 ，另一種是g e和羅一羅公司合作研制的f 1 3 6 . f 1 3 6 采用了許多美 國國防部實(shí)施的綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù) ( i h p t e t )計劃中的新技術(shù)。在渦 輪設(shè)計中采用對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)去掉了最后級高壓渦輪和第一級低壓渦輪之間的導(dǎo) 向器葉片。由于導(dǎo)向器葉片通常需要最好的冷卻方式， 去掉導(dǎo)向器意味著簡化了 冷卻。 可以看出， 國外的對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善， 而且對于對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)也是 相當(dāng)重視的。 1 . 2 . 2我國對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)研究狀況 國內(nèi)對于渦輪部件的研究還限于常規(guī)渦輪，而且遠(yuǎn)沒有達(dá)到世界先進(jìn)水平。 而關(guān)于對轉(zhuǎn)渦輪，我國現(xiàn)處于理論研究階段。 在我國 關(guān)于航空 燃?xì)廨啓C(jī) 對轉(zhuǎn)渦輪的 文 獻(xiàn)最 早出 現(xiàn)于1 9 9 2 年的 6 , 蔡 睿賢 院士在文獻(xiàn)中討論了對轉(zhuǎn)渦輪基元級的自 變量， 并定義了不同類型的典型對轉(zhuǎn)渦 輪基元級， 同時， 初步比較了 對轉(zhuǎn)級與常規(guī)級的基元級效率， 認(rèn)為對轉(zhuǎn)渦輪的單 位葉列負(fù)荷系數(shù)可比常規(guī)級有成倍的 增長而且有更高的效率。 1 9 9 2 年他在文獻(xiàn) 7 l 中模擬常規(guī)渦輪定義了1 6 種可能的典型級， 分析了各種典型級的使用情況。 2 0 0 1 年他在文獻(xiàn) 8 中 提出了以 前沒有注意的氣動熱力設(shè)計問題: 基于高低壓軸壓氣 機(jī) ( 含風(fēng)扇) 各自 需要的負(fù)荷與轉(zhuǎn)速、 壓比匹配的實(shí)用可能， 來選擇基元級與葉 柵， 提出比較適合對轉(zhuǎn)渦輪使用的發(fā)動機(jī)系統(tǒng); 以及特大轉(zhuǎn)折角葉柵與基本切向 特小折轉(zhuǎn)角葉柵的需要可能性與設(shè)計等。 第一章緒論 航空航天部1 1 所的顏?zhàn)映踉? 9 9 1 年的文獻(xiàn) 9 中 介紹了應(yīng)用于液體火箭發(fā)動 機(jī)的渦輪泵主要采用的兩種對轉(zhuǎn)渦輪: 復(fù)速級沖擊式和反力沖擊式。 前一種渦輪 的效率比一般復(fù)速級渦輪高2 - 4 %，在日 本 1 0 0 k r推力的氫氧發(fā)動機(jī)上得到應(yīng) 用。后一種的效率可望比一般復(fù)速級沖擊式渦輪高，也比前一種渦輪的效率高。 工程熱物理研究所的季路成對 卜1 和 卜1 / 2 兩種對轉(zhuǎn)渦輪都進(jìn)行了基本分析 和初步設(shè)計1 1 0 )1 11 12 1 ， 認(rèn)為對轉(zhuǎn)渦輪仍是立足于常規(guī)渦輪設(shè)計基礎(chǔ)， 1 + 1 對轉(zhuǎn)渦輪 效率高于常規(guī)渦輪，低壓渦輪導(dǎo)葉折轉(zhuǎn)角很小，葉片稠度和葉片數(shù)目明顯減少， 從而可以 減輕渦輪重量、 提高推重比， 認(rèn)為1 + 1 和1 + 1 / 2 兩種對轉(zhuǎn)渦輪之間沒有 繼承關(guān)系。 北航開展了對轉(zhuǎn)渦輪研究課題1 2 113 114 1 ，設(shè)計并 制造了高低壓對轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn) 件， 和6 0 8 所合作建立了對轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)臺， 可以進(jìn)行軸流式、 雙轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)及 反向旋轉(zhuǎn)的渦輪氣動性能試驗(yàn)。 總之我國對于對轉(zhuǎn)渦輪尚處于理論研究階段， 距離真正的對轉(zhuǎn)渦輪的設(shè)計和 應(yīng)用還有一段漫長的路要走。 1 . 3本文工作簡介 本論文就是在上述的背景下而進(jìn)行的， 主要進(jìn)行了對轉(zhuǎn)渦輪的氣動設(shè)計以及 葉型設(shè)計方面的探索工作。 力圖找到對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計中的難點(diǎn)和重點(diǎn)， 以 及應(yīng)注意 的問題，希望為以 后對轉(zhuǎn)渦輪的設(shè)計提供一定的依據(jù)。 本文在常規(guī)渦輪氣動設(shè)計方法的基礎(chǔ)上， 成功地發(fā)展了對轉(zhuǎn)渦輪氣動設(shè)計方 法和軟件，包括基于流線曲率法計算的對轉(zhuǎn)渦輪s 2流面設(shè)計計算方法和軟件、 基于參數(shù)法的 對轉(zhuǎn)渦輪葉型設(shè)計方法和軟件等， 并應(yīng)用商用c f d軟件開展了對 轉(zhuǎn)渦輪s 1 流場和全三維粘性流場數(shù)值計算研究。 本文參考某型發(fā)動機(jī)渦輪的 性能參數(shù)， 利用所發(fā)展的設(shè)計體系進(jìn)行了 對轉(zhuǎn)渦 輪的設(shè)計。 所設(shè)計的對轉(zhuǎn)渦輪包括高壓渦輪和低壓渦輪兩級， 每一級都是由導(dǎo)向 葉片和轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)成的完整的渦輪級， 其中高、 低壓轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)。利用 “ 可控 渦”方法進(jìn)行了s 2 流面的氣動設(shè)計，具體的計算方法為流線曲率法，可以得到 渦輪的總體性能參數(shù)， 以及詳細(xì)的氣動參數(shù)如進(jìn)出口速度三角形、 進(jìn)出口氣流角、 壓力分布、溫度分布以及馬赫數(shù)分布等。然后根據(jù)s 2 流面的 氣動參數(shù)結(jié)果應(yīng)用 第一章緒論 航空航天部1 1 所的顏?zhàn)映踉? 9 9 1 年的文獻(xiàn) 9 中 介紹了應(yīng)用于液體火箭發(fā)動 機(jī)的渦輪泵主要采用的兩種對轉(zhuǎn)渦輪: 復(fù)速級沖擊式和反力沖擊式。 前一種渦輪 的效率比一般復(fù)速級渦輪高2 - 4 %，在日 本 1 0 0 k r推力的氫氧發(fā)動機(jī)上得到應(yīng) 用。后一種的效率可望比一般復(fù)速級沖擊式渦輪高，也比前一種渦輪的效率高。 工程熱物理研究所的季路成對 卜1 和 卜1 / 2 兩種對轉(zhuǎn)渦輪都進(jìn)行了基本分析 和初步設(shè)計1 1 0 )1 11 12 1 ， 認(rèn)為對轉(zhuǎn)渦輪仍是立足于常規(guī)渦輪設(shè)計基礎(chǔ)， 1 + 1 對轉(zhuǎn)渦輪 效率高于常規(guī)渦輪，低壓渦輪導(dǎo)葉折轉(zhuǎn)角很小，葉片稠度和葉片數(shù)目明顯減少， 從而可以 減輕渦輪重量、 提高推重比， 認(rèn)為1 + 1 和1 + 1 / 2 兩種對轉(zhuǎn)渦輪之間沒有 繼承關(guān)系。 北航開展了對轉(zhuǎn)渦輪研究課題1 2 113 114 1 ，設(shè)計并 制造了高低壓對轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn) 件， 和6 0 8 所合作建立了對轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)臺， 可以進(jìn)行軸流式、 雙轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)及 反向旋轉(zhuǎn)的渦輪氣動性能試驗(yàn)。 總之我國對于對轉(zhuǎn)渦輪尚處于理論研究階段， 距離真正的對轉(zhuǎn)渦輪的設(shè)計和 應(yīng)用還有一段漫長的路要走。 1 . 3本文工作簡介 本論文就是在上述的背景下而進(jìn)行的， 主要進(jìn)行了對轉(zhuǎn)渦輪的氣動設(shè)計以及 葉型設(shè)計方面的探索工作。 力圖找到對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計中的難點(diǎn)和重點(diǎn)， 以 及應(yīng)注意 的問題，希望為以 后對轉(zhuǎn)渦輪的設(shè)計提供一定的依據(jù)。 本文在常規(guī)渦輪氣動設(shè)計方法的基礎(chǔ)上， 成功地發(fā)展了對轉(zhuǎn)渦輪氣動設(shè)計方 法和軟件，包括基于流線曲率法計算的對轉(zhuǎn)渦輪s 2流面設(shè)計計算方法和軟件、 基于參數(shù)法的 對轉(zhuǎn)渦輪葉型設(shè)計方法和軟件等， 并應(yīng)用商用c f d軟件開展了對 轉(zhuǎn)渦輪s 1 流場和全三維粘性流場數(shù)值計算研究。 本文參考某型發(fā)動機(jī)渦輪的 性能參數(shù)， 利用所發(fā)展的設(shè)計體系進(jìn)行了 對轉(zhuǎn)渦 輪的設(shè)計。 所設(shè)計的對轉(zhuǎn)渦輪包括高壓渦輪和低壓渦輪兩級， 每一級都是由導(dǎo)向 葉片和轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)成的完整的渦輪級， 其中高、 低壓轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)。利用 “ 可控 渦”方法進(jìn)行了s 2 流面的氣動設(shè)計，具體的計算方法為流線曲率法，可以得到 渦輪的總體性能參數(shù)， 以及詳細(xì)的氣動參數(shù)如進(jìn)出口速度三角形、 進(jìn)出口氣流角、 壓力分布、溫度分布以及馬赫數(shù)分布等。然后根據(jù)s 2 流面的 氣動參數(shù)結(jié)果應(yīng)用 西北下業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 “ 參數(shù)造型法”進(jìn)行了二維葉型的設(shè)計， 設(shè)計的同時進(jìn)行si 流面的繞流分析， 通過觀察馬赫數(shù)和壓力的分布來進(jìn)行葉型的修改。 將設(shè)計好的二維葉型沿徑向 進(jìn) 行堆疊得到三維葉片。為了真實(shí)反映對轉(zhuǎn)渦輪內(nèi)部流場的情況，利用商用 c f d 軟件進(jìn)行了三維流場的計算分析。 本論文主要包括五個章節(jié)。第一章 “ 緒論” ，主要介紹了開展本論文研究的 意義以及國內(nèi)外對轉(zhuǎn)渦輪的發(fā)展?fàn)顩r。 第二章“ 對轉(zhuǎn)渦輪s 2 流面氣動設(shè)計方法” ， 主要介紹了如何應(yīng)用流線曲率法 實(shí)現(xiàn)對對轉(zhuǎn)渦輪子午流場的設(shè)計計算。 第三章 “ 二維葉型設(shè)計和三維葉片成型的方法” ，其中二維葉型設(shè)計采用英 國國家燃?xì)鉁u輪研究院d u n h a m提出的 “ 參數(shù)造型法” ，三維葉片是在二維葉型 的基礎(chǔ)上沿徑向積疊得到的。 第四章是利用上述的方法， 根據(jù)某型常規(guī)渦輪的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了 對轉(zhuǎn)渦輪的 氣動設(shè)計，驗(yàn)證考核了本論文所發(fā)展的設(shè)計方法和程序。 第五章是對論文工作的總結(jié)。 第二章對轉(zhuǎn)渦輪 s 2 流面設(shè)計方法 第二章對轉(zhuǎn)渦輪 s 2 流面設(shè)計方法 2 . ，引言 對轉(zhuǎn)渦輪的s 2 流面設(shè)計是對轉(zhuǎn)渦輪氣動設(shè)計的第一步，設(shè)計的結(jié)果將直接 影響到渦輪的氣動性能。 從物理機(jī)理上可以看出對轉(zhuǎn)渦輪同常規(guī)渦輪并沒有木質(zhì) 的區(qū)別，進(jìn)行s 2 流面設(shè)計時只是將常規(guī)渦輪低壓級的轉(zhuǎn)速看成是負(fù)的即可。經(jīng) 過s 2 設(shè)計計算得到葉片排間隙處的各個氣動參數(shù)， 確定葉片進(jìn)出口 處的速度三 角形， 為下一步的葉型設(shè)計提供必要的參數(shù)， 如進(jìn)出口氣流角、出口 氣流馬赫數(shù) 等。 2 0 世紀(jì)6 0 年代中期開始采用完全徑向平衡方程計算渦輪流場，并 采用“ 可 控渦” 設(shè)計， 這樣的設(shè)計能保證禍輪具有較大的做功能力， 而且在根部截面不至 于出 現(xiàn)負(fù)反力度。 這已 成為當(dāng)前航空燃?xì)鉁u輪設(shè)計廣泛應(yīng)用的方法。 s 2流面設(shè)計的過程是根據(jù)總體對渦輪的性能要求，初步給定子午流道及流 道中各葉片排沿徑向變化的初始損失， 經(jīng)過多次s 2 流面調(diào)整， 在滿足渦輪功率、 效率要求和滿足禍輪氣動設(shè)計準(zhǔn)則要求的前提下， 獲得渦輪各葉片排進(jìn)出口沿徑 向各截面的速度三角形、氣動熱力參數(shù)、級參數(shù)和渦輪總參數(shù)。 本章主要介紹了對轉(zhuǎn)渦輪s 2 流面設(shè)計所用到的方法流線曲率法，介紹 了所用到的控制方程， 以及所使用的計算程序， 包括程序的框圖、 程序的求解過 程等。 2 . 2控制方程 2 . 2 . 1在圓柱坐標(biāo)系下無粘流體運(yùn)動基本方程 燃?xì)庠跍u輪中流動遵守質(zhì)量守恒、 動量守恒、 能量守恒三大定律并服從氣體 狀態(tài)方程。因此， 求解流場就是要得出滿足基本方程組的數(shù)值解。 在圓柱坐標(biāo)系 下，基本方程組的形式為: 第二章對轉(zhuǎn)渦輪 s 2 流面設(shè)計方法 第二章對轉(zhuǎn)渦輪 s 2 流面設(shè)計方法 2 . ，引言 對轉(zhuǎn)渦輪的s 2 流面設(shè)計是對轉(zhuǎn)渦輪氣動設(shè)計的第一步，設(shè)計的結(jié)果將直接 影響到渦輪的氣動性能。 從物理機(jī)理上可以看出對轉(zhuǎn)渦輪同常規(guī)渦輪并沒有木質(zhì) 的區(qū)別，進(jìn)行s 2 流面設(shè)計時只是將常規(guī)渦輪低壓級的轉(zhuǎn)速看成是負(fù)的即可。經(jīng) 過s 2 設(shè)計計算得到葉片排間隙處的各個氣動參數(shù)， 確定葉片進(jìn)出口 處的速度三 角形， 為下一步的葉型設(shè)計提供必要的參數(shù)， 如進(jìn)出口氣流角、出口 氣流馬赫數(shù) 等。 2 0 世紀(jì)6 0 年代中期開始采用完全徑向平衡方程計算渦輪流場，并 采用“ 可 控渦” 設(shè)計， 這樣的設(shè)計能保證禍輪具有較大的做功能力， 而且在根部截面不至 于出 現(xiàn)負(fù)反力度。 這已 成為當(dāng)前航空燃?xì)鉁u輪設(shè)計廣泛應(yīng)用的方法。 s 2流面設(shè)計的過程是根據(jù)總體對渦輪的性能要求，初步給定子午流道及流 道中各葉片排沿徑向變化的初始損失， 經(jīng)過多次s 2 流面調(diào)整， 在滿足渦輪功率、 效率要求和滿足禍輪氣動設(shè)計準(zhǔn)則要求的前提下， 獲得渦輪各葉片排進(jìn)出口沿徑 向各截面的速度三角形、氣動熱力參數(shù)、級參數(shù)和渦輪總參數(shù)。 本章主要介紹了對轉(zhuǎn)渦輪s 2 流面設(shè)計所用到的方法流線曲率法，介紹 了所用到的控制方程， 以及所使用的計算程序， 包括程序的框圖、 程序的求解過 程等。 2 . 2控制方程 2 . 2 . 1在圓柱坐標(biāo)系下無粘流體運(yùn)動基本方程 燃?xì)庠跍u輪中流動遵守質(zhì)量守恒、 動量守恒、 能量守恒三大定律并服從氣體 狀態(tài)方程。因此， 求解流場就是要得出滿足基本方程組的數(shù)值解。 在圓柱坐標(biāo)系 下，基本方程組的形式為: 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 連續(xù)方程a p 十 夕 ( rp c 旦 + 巫 e 衛(wèi)十 改r a r r a o a (一p c 2_ 0( 2 - 1 ) 運(yùn)動方程 a c . a c 十c， a t a r a c + c a t a c . a r 十c +c 1 a p p a r ( 2 - 2 a ) c 廠 c. 十 r 璽 尸 刁d ( 2 - 2 b ) +c ll ( 2 - 2 c ) 氣ca叭 十+ 氣一加 玉次 能量方程 狀態(tài)方程 d h 1 即 d t p a t p =p r t 2 . 2 . 2渦輪葉排間隙中定常無粘流動方程 針對禍輪葉排軸向間隙中的流動過程對基本方程進(jìn)行簡化處理， 建立適合在 葉排間隙中求解基本方程組的坐標(biāo)系，新建立的坐標(biāo)系如圖2 - 1 所示。 m 一鄉(xiāng)多沖 一凡 v 一 一 一 一 一 一 - - - 一 - - - 一 -2一- -一 - 一 圖2 - 1適用于求解葉排間隙流動的坐標(biāo)系 圖中:r - z 平面子午面，r 為徑向方向、z 為軸向方向; m 流線在子午面上的投影: c 子 午 速度; 尹 流 線 傾斜 角， 子 午 速度c ,， 與z 軸的 夾角 ; w 計算站與: 軸方向的夾角; 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 連續(xù)方程a p 十 夕 ( rp c 旦 + 巫 e 衛(wèi)十 改r a r r a o a (一p c 2_ 0( 2 - 1 ) 運(yùn)動方程 a c . a c 十c， a t a r a c + c a t a c . a r 十c +c 1 a p p a r ( 2 - 2 a ) c 廠 c. 十 r 璽 尸 刁d ( 2 - 2 b ) +c ll ( 2 - 2 c ) 氣ca叭 十+ 氣一加 玉次 能量方程 狀態(tài)方程 d h 1 即 d t p a t p =p r t 2 . 2 . 2渦輪葉排間隙中定常無粘流動方程 針對禍輪葉排軸向間隙中的流動過程對基本方程進(jìn)行簡化處理， 建立適合在 葉排間隙中求解基本方程組的坐標(biāo)系，新建立的坐標(biāo)系如圖2 - 1 所示。 m 一鄉(xiāng)多沖 一凡 v 一 一 一 一 一 一 - - - 一 - - - 一 -2一- -一 - 一 圖2 - 1適用于求解葉排間隙流動的坐標(biāo)系 圖中:r - z 平面子午面，r 為徑向方向、z 為軸向方向; m 流線在子午面上的投影: c 子 午 速度; 尹 流 線 傾斜 角， 子 午 速度c ,， 與z 軸的 夾角 ; w 計算站與: 軸方向的夾角; 第二章對轉(zhuǎn)渦輪 s 2 流面設(shè)汁 方法 n 由v/ 角決定的方向; r ,. 流線在子午面投影的曲 率半徑，定義為1 / r 。 二 一 a cp l a m o ， 二 ，、 ， 、一， 。 _日 1 ， _a s 田熱 刀 早 弟 一 足 偉 州c 一t 一 = . d次 生 沈 a x a t 1 a c 2 a r 一 “ p a r + 2 ， a r 所以有 a x 一 t a s _ 生 a c = 擊a r 2 擊 ( 2 - 5) 將 ( 2 - 5 )代入 ( 2 - 2 a ) a c , , a c , a c , 、a c , 十 c_ 一 ， + c. a t“ 一 a z a r“r aft 1 a ( r c ) - 2 r - a r ( 2 - 6) 由于c , = c m s in q ) 及d rp / d t = c , / r ,n c o s 必 呱-氏 d c m s i r價一 二 下 一 o dcr一由 將上式代入 ( 2 - 6 )式可得 s i n價 a c . at 氏m +c, s m尹二 丁 一 口n 勺 c o s 職+s m卯 a c m r a h i a c n 2 a r i a ( r c ) z 2 r z 擊 _ t a s _ a ht -_ - 擊 a r 嶸一氣 十 ( 2 - 7 ) 在葉片排軸向間隙中進(jìn)行定常與軸對稱假設(shè)， 即認(rèn)為氣流參數(shù)隨時間的導(dǎo)數(shù) =0， ， 。一，、a r rv a j iwj - i i t 麗= 。 。 則基本方程簡化為下面的形式: 口一次 變 不 連續(xù)方程 a ( rp c 2 十 r a r a ( pc a ) = 0( 2 - 8 ) 運(yùn)動方程 a c a c e 1 a c _ a s o h c _ 一 一 = +c ， 一一一= i ， 一 “a z貪2 a z虎虎 ( 2 - 9 a ) a c m c ,n s i n 尹下一 舊i i ac c u s p一百一萬 一 乙or i a ( rc ) 一 _ t a s 一 a h( 2 - 9 b ) 2 r 擊汰質(zhì) a ( r c , ) a m ( 2 - 9 c ) 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 能量方程 ( 2 - 1 0 ) 2 . 3 s 2 流面可控渦設(shè)計方法流線曲率法 流線曲率法最早是由吳仲華和 w o l f e n s t e i n提出的，在軸向間隙中求解基本 方程組，是目 前 s 2 流面反問題計算廣泛采用的方法。徑向平衡方程包括徑向分