摘要
近些年来对于预旋系统的优化往往是集中在预旋喷嘴处的结构优化，但是对涡轮盘腔内部的优化研究的较少。通过对盘腔内部增加导流增压叶片，从而能够改善预旋系统出口段的旋流系数和提高增压比，进而提高预旋系统进出口的增压效果并增加预旋系统的温降效果。通过这一种方式从而降低冷却叶片的供气温度，提高叶片寿命并减小冷气使用量，最终提升航空发动机总体性能。把带有叶片的涡轮盘腔结构称作导流增压盘。本文主要是针对在其盘腔内部添加叶片的方式进行优化设计，其技术思路如下：根据盘腔的轮廓来绘制叶片叶型，通过三维建模软件和叶片叶型绘制软件进行绘制，选取航空发动机的实际工况作为仿真条件，最后使用 CFD 软件来进行数值分析。对于叶片的安装位置设计，主要是根据盘腔的实际设计结构将叶片安装位置分为低半径处和高半径处两部分。在低半径处，根据盘腔轮廓设计三种基础叶型，同时对比其总温降和增压效果，选择相对较好的基础叶型进行优化。优化的主要方向是根据其流场进行优化，主要优化手段是修改导流增压叶片进出口安装角。对高半径处的叶片采用同样的优化方法。在前述研究的基础上本文进一步分析和对比两部分导流叶片的差异。然后再根据工程实际应用的可行性，综合分析叶片数，叶片进出口半径和叶片宽度的影响。最终得到叶片设计优化的规律并以此为基础针对叶片叶型进行选优。从而为了导流增压叶片在工程实际应用提供指导意义。本文的研究结果表明叶片叶型结构设计对导流增压盘内部流场的影响较大，导流叶片叶型的差异对总温降和增压效果的影响很明显。叶片叶型的优化对预旋系统整体性起到了一定的优化效果。同时分析对比了不同进出口半径的叶片对导流增压盘的流动的影响，得出了在高半径布置叶片提高整个导流增压盘的增压效果明显优于低半径处的叶片的结论。同时针对叶片的宽度的影响进行了研究，在设计许可范围内叶片宽度的小幅度改变不会对叶片的性能有很大的影响，主要性能参数在不同设计条件下的计算结果近乎一致。叶片数的变化同样对主要性能参数有了一定的影响，叶片数的增加可以提高总温降和增压效果，但是叶片数提升到一定数目上时，增加叶片数的收益逐步降低，且流动损失逐步增加，过多的叶片数甚至会对整机性能造成损失。不同进出口半径的叶片叶型对增压效果同样具有影响，叶片的进口半径的提高可以显著提高了整个导流增压盘的增压效果，但高半径叶片提升了整个预旋系统的功耗。同时叶片的进出口也会影响温降效果，随着叶片进出口半径变短，总体温降效果不断上升。
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