紧凑式涡轮过渡段气动性能研究和优化设计

The application of aggressive inter-turbine duct (AIDT) will lead to shorter and lighter turbofans. However, the design of AITD also requires higher demand for the aerodynamic design. The current project aims to understand the effects of inlet flows, such as tip leakage flows, secondary flows, inlet swirl and wakes, on the effects of aerodynamic performance. Experimental and numerical methods will be used. The impact of the tip leakage vortex structures and the coupled effect of the tip leakage flow and other inlet conditions will be analyzed in detail. The flow characteristics, such as the transport of the vortex, the turbulent mixing and the separation, will be investigated in detail. The effects of the geometries, such as the casing, the hub and the strut will be investigated. The effects of turbulence levels, Reynolds number and unsteadiness on the aerodynamic performance of AITD will also be studied. Flow control methods will be developed based on aspirated/insprated flow, vortex generator, profiled endwall. Based on the above studies, the aerodynamic optimization methods will be developed. Optimization will be carried out and the design will be validated. The outcome of the project will provide solid understanding of the aerodynamic mechanism of AIDT and provide optimization design methods.

采用紧凑式涡轮过渡段设计可以有效降低发动机长度，减轻发动机重量，不过也对气动设计水平提出了更高的要求。本项目拟通过实验和数值模拟的方法，系统研究紧凑式过渡段的气动性能机理，并发展优化设计的方法。首先将研究过渡段来流条件对其气动性能的作用机理，重点分析理解来流中叶顶泄漏流的作用。之后将研究过渡段机匣、端壁和支板叶片等几何结构的作用，并理解湍流度、雷诺数、进口非定常效应等因素的作用。研究中将深入理解紧凑式过渡段中涡系演化，湍流掺混和近壁分离等流动特性，揭示流动损失机理。随后，将针对紧凑式过渡段中的流动特点，发展抽吸气、涡旋发生器和非对称端面等流动控制技术。在此基础上，发展紧凑式过渡段的气动优化设计方法，开展优化设计并进行验证。最终为我国大涵道比涡扇发动机高低压涡轮过渡段的设计打下坚实的理论基础，并提供设计方法。

在现代大涵道比涡扇发动机中，通常采用紧凑式S型过渡段连接高低压涡轮级。缩短过渡段长度能够给降低过渡段重量，从而提升发动机的整体性能。但过渡段的长度变短时，逆压梯度变得更强，这将会导致边界层分离，带来更大的损失。另外，过渡段上游来流包括叶顶泄漏涡、端壁二次涡和尾迹等结构，这些复杂流动再加上过渡段的曲线外形以及压力梯度，使得流动在过渡段内的发展更加难以预测。总而言之，理解过渡段内的流动机理是未来过渡段设计的关键。.本研究采用实验和数值模拟相结合的方法，从以下几个方面对高低压涡轮间过渡段进行研究和探索，并且得出了一些结论，具体内容如下：. 1）研究过渡段机匣和轮毂、支板叶片等几何结构对流动特性和气动性能的作用机理。讨论进口气流偏角、湍流度、雷诺数、马赫数、非定常效应等因素的作用。通过这些研究，深入理解紧凑式过渡段的流动特性和损失机理。. 2）研究上游来流在过渡段内的发展，重点分析进口叶顶泄漏流的作用。理解泄漏流在过渡段内的演化过程和对机匣近壁流动分离的作用；揭示进口叶顶泄漏流和尾迹等进口条件耦合情况下，过渡段中的流动特性和流动损失机理。研究涡旋发生器对过渡段流动控制的机理和效果，评估这些方法在紧凑式过渡段中的应用前景，并给出具体建议。. 3）研究过渡段内损失生成机制，过渡段的粘性剪切是衡量流动损失的重要参数。通过过渡段边界拟涡能流分析，得出了优化端壁压力谷值区域能够有效降低总损失的结论。基于此结论，发展了一套过渡段优化的设计方法。. 本项目的成果包括SCI论文13篇，发明专利1项。