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微型整体叶片式导向器设计方法研究

邱建  
【摘要】:本文以微型涡轮发动机研究为背景,对整体叶片式导向器的设计方法进行了研究,并在此基础上对16cm级MTE-C发动机的导向器进行了改型设计。 首先,通过三维粘性数值模拟的方法研究了12cm级MTE-B发动机导向器叶片角分布和轴向径向尺度比对导向器性能的影响,得出同等量级微型发动机导向器最佳叶片角分布的大致规律:叶根叶片角分布对导向器性能影响较大,叶根叶片角采用近似线性分布和下凹型分布的导向器性能参数和流场明显优于其它两个方案;导向器性能随着无量纲参数轴向径向尺度比B的增加呈现先上升后下降的趋势,B的最佳值在1.9左右。 其次,对MTE-C发动机的原型导向器进行数值模拟,研究其总体性能和流场特性,得到原型导向器在设计上的不足之处,以此为依据,并根据叶片角分布规律,对原型导向器进行改型设计,改进型导向器性能得到了明显提升,总压恢复增大从而使速度系数提高了2.45%,落后角减小了4o,导向器出口流场品质大大提高。分别对原型和改进型涡轮整级进行数值模拟,对比改进前后涡轮整级的流场特性和整级性能,涡轮在设计点的效率由70.9%提高到84.2%,轮缘功由139kJ/kg增加到166kJ/kg,换装导向器后涡轮的性能大大提升。 然后,对换装导向器前后的MTE-C发动机进行典型共同工作点的性能仿真分析和台架运行试验。仿真分析显示发动机在设计点的推力由349N提高到405N,耗油率由0.044 g/(N·s)下降到0.037 g/(N·s),整机性能得到了明显提升。对换装导向器和喷管的改进型发动机进行整机台架试验,运行到5万转/分,对比改进前后发动机的性能参数,涡轮的效率和整机性能都有了一定的提升。 最后,对MTE-C导向器的出口几何角和轴向径向尺度比进一步优化,数值模拟结果表明,导向器出口几何角优化后涡轮在设计点的效率和轮缘功分别达到了89.3%和175kJ/kg,导向器性能随着参数B的变化趋势与12cm级微型发动机导向器的研究结果一致,但是B的最佳值取值有所不同。


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