论文摘要：高推比变循环航空发动机 对转涡轮设计技术研究

高推比变循环发动机在美国第四代军用喷气式战斗机中得到了初步的应用，并已成为其下一代高性能航空发动机的重要发展方向，在军事领域将发挥越来越大的作用；此外，变循环发动机也是民用超音速巡航领域和空间技术领域的理想动力，具有重大的研究意义。而由于变循环发动机的特殊性对其涡轮部件的气动性能也提出了新的要求，需要采用新的设计方法。本文将围绕应用于高推比变循环发动机的对转涡轮进行研究，在完善对转涡轮气动设计方法的基础上，发展该类型对转涡轮的气动设计方法。

首先，需要建立各类型对转涡轮的统一气动设计方法，可以根据具体的设计要求确定最佳的对转涡轮类型、级数和速度三角形参数。为此，发展一种的适用于对转涡轮速度三角形分析的方法，并对具有代表性的1+1、1+1/2和1+3/2对转涡轮进行速度三角形分析，从而掌握对转涡轮气动设计中的关键问题以及各类型对转涡轮所适用的具体条件，同时利用简单的材料强度评估方法和涡轮重量评估手段，考虑强度和重量对于对转涡轮的形式、级数和速度三角形参数的影响，以便确定最合适的对转涡轮气动设计方案。

之后，需要探讨应用于变循环发动机的对转涡轮的气动设计方法。从总体性能的角度分析变循环发动机的特点，给出对涡轮部件气动性能的特殊要求，并利用速度三角形分析对其气动设计方法进行探索：研究对转涡轮的速度三角形参数对于多工况点气动性能的影响，通过速度三角形参数的合理选取使得涡轮部件的气动性能满足变循环发动机的要求；研究几何/气动调节对于对转涡轮气动性能的影响，给出满足变循环要求的调节措施，同时研究速度三角形参数对“调节效果”的影响，以便通过速度三角形参数的合理选择提高“调节效果”。

其后，需要发展适用于对转涡轮的高马赫数叶栅造型方法及激波控制方法。首先提出一种合理的参数化造型方法以及关键造型参数的选取方法，可以用于高马赫数涡轮叶型的造型，并利用实例配合数值模拟对该方法进行验证，之后进一步研究高马赫数涡轮叶型在设计点以及非设计点的性能特点和内部膨胀波/激波系的变化规律，并利用理论分析、数值模拟结合实验研究的方法掌握叶型的特征参数对于激波损失的影响，发展工程适用的高马赫数涡轮叶型的激波控制方法。


然后，利用若干对转涡轮的实例对气动设计方法和叶栅造型方法进行验证。其中验证实例包括了1+1、1+1/2、1+3/2和2+2对转涡轮以及应用了几何调节和气动调节的1+1/2对转涡轮，并配合三维数值模拟的方法，不仅可以验证对于对转涡轮的形式选择、级数选取、速度三角形参数选择和叶片造型的适用性，也可以验证对于应用了几何调节和气动调节的对转涡轮的适用性。

最后，非定常作用对于无导叶对转涡轮气动性能及其气动设计的存在较大的影响。为此，利用非定常数值模拟的方法对某1+1/2对转涡轮进行研究，掌握非定常作用对于该类型无导叶对转涡轮气动性能的影响规律，以及涡轮内部流动的非定常变化规律，并建立了简单的模型对定常数值模拟的结果进行修正，使其更接近非定常数值模拟的结果，以便于应用到该类型对转涡轮气动设计之中。


 

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