[發明專利]一種大擴張角通道內的流動控制方法

無效

• 申請號: 200910089252.5
• 申請日: 2009-07-10
• 公開（公告）號: CN101598036A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 葉建;張偉昊;鄒正平;劉火星
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D9/04
• 分類號: F01D9/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 成金玉;盧 紀

技術領域

本發明涉及一種可廣泛使用的大擴張角通道內的流動控制方法，尤其是涉及航空發動機或燃氣輪機中大擴張角過渡段和渦輪導向器通道內的流動控制方法；本發明還涉及采用該方法設計的擴張流道和包含該流道的各種機械裝置。

背景技術

在未來很長一段時間內，大涵道比渦扇發動機將仍然是大型客機動力的唯一選擇。大涵道比渦扇發動機的風扇所產生的推力占到發動機總推力的60％-80％，因此，保持驅動風扇的低壓渦輪工作于較高的效率狀態對于大涵道比民用發動機來說是至關重要的。

目前民用發動機的涵道比已經發展到9～10，風扇的直徑則超過3米。在這種條件下，一方面，發動機的高壓部件仍然工作于較高的轉速(10000r/min～15000r/min)，這就要求高壓渦輪的直徑較小，另一方面，受風扇葉尖切線速度不能太大的限制，在未采用齒輪變速裝置的情況下，低壓部件的轉速很低(2500r/min～5500r/min)，而為了滿足低壓渦輪的做功能力和高效率的要求，就必須加大低壓渦輪的直徑和葉高。這種高、低壓渦輪對直徑和葉高要求的巨大差異，導致大涵道比發動機不得不采取大擴張角的低壓渦輪子午流道設計，有的發動機還需要在高壓渦輪1，低壓渦輪3之間布置大擴張角的過渡段2，如圖1所示。

大擴張角通道內的流動較為復雜，且難以控制。大擴張角通道的流通面積沿流向迅速增大，亞聲速流體在其中壓力增大，沿流向形成明顯的逆壓梯度。逆壓梯度是造成擴張通道內流動難以控制的主要原因，在其作用下流體的速度不斷減小，當逆壓梯度增大到一定程度，通道內部分流體的速度就會減小到零，進而反方向流動，即出現回流區。一般而言，該回流區最先出現于動能最小的端壁附面層區域，形成所謂的附面層分離。即使逆壓梯度不是很強、沒有造成附面層分離，其作用也會使流體動能減小，導致端壁附面層增厚、流體抵抗橫向壓力梯度的能力減弱，較容易形成二次流(指所有與主流方向不一致的流動)，這些都會引起較大的流動損失。

因而，大擴張角流道設計對于降低流道的氣動損失、提高低壓渦輪的效率是不利的。對于低壓渦輪前的過渡段而言，大擴張角的子午流道造成端壁附面層的明顯加厚和二次流的顯著增強，嚴重影響低壓渦輪的進氣狀態，從而導致低壓渦輪性能的下降。并且，當機匣(即流道外壁)外擴角超過20°時，很可能在低壓渦輪導向器前形成回流區，這不僅使過渡段內的損失增加，而且會嚴重影響到下游渦輪的正常工作。對于采用大擴張角流道的低壓渦輪而言，除了會出現上述不利影響，在某些情況下葉柵流道的收斂度可能不足以彌補子午流道的擴散程度，這還會導致葉柵局部(以前部常見)出現擴壓流動，使渦輪損失增加，效率下降。

為解決大擴張角子午流道所帶來的流動問題，國內外研究者做了大量的工作，所做研究大多關注于子午流道端壁線型的改變(如采用等速度梯度型、等壓力梯度型等)和葉片造型方式的改變(如采用正彎、前傾等)。這些方法能在一定程度上改善大擴張角通道內的流動，但其作用效果是有限的。隨著民用航空發動機涵道比和直徑的不斷增加，高、低壓渦輪的尺寸差異不斷增大，即使采用了上述研究的結果，低壓渦輪和過渡段的子午流道擴張角仍然被限制在較小的范圍內。設計人員不得不通過加大過渡段和渦輪的軸向尺寸以滿足低壓渦輪對半徑和葉高的要求，而這將給設計人員帶來另外一個棘手的問題——發動機重量的增加。可見，航空發動機的發展要求更加有效的控制擴張通道內流動的方法。

發明內容

本發明所提供的技術可以克服上述現有技術的不足，為大涵道比渦扇發動機提供一種新的控制擴張通道內流動的方法，該方法在顯著增大流道的擴張角的同時增強對流動的控制，以提高大涵道比渦扇發動機的氣動性能和降低軸向尺寸和重量。

本發明所提供的技術方案是：一種大擴張角通道內的流動控制方法，其特征在于：在擴張流道內，即機匣(流道外壁)和輪轂(流道內壁)之間布置有導流環或導流板，或同時布置有導流環和導流板，將導流環在圓周方向分割為多個片段，其中的一段或幾段即組成導流板。

所述的導流環或導流板通過支板固定。

所述的導流環或導流板的厚度根據結構和強度的要求確定，一般在0.2mm～2mm。

所述的導流環或導流板的流向尺寸以及在流向和展向，即沿葉片高度的方向，的布置位置根據實際流動的需要確定，在流向應開始于回流區或二次流明顯形成位置之前的0.1～1.5倍葉片高度的位置，并延續至回流區的結束位置附近，或者延續到擴張段的出口附近，導流環或導流板在展向一般位于10％和90％的葉片高度之間。