【儀表網 研發快訊】多級無導葉對轉渦輪是本課題組自主原創提出的適用于航空發動機的新型氣動布局渦輪。該渦輪取消了全部導向葉片，4排展向全超音動葉實現了總膨脹比10，效率達到92%，葉片排數相比常規渦輪減少50%，能夠明顯降低渦輪軸向長度和重量，是提高航空發動機推重比及降低耗油率的一種可行途徑。多級無導葉對轉渦輪的第一級動葉因沒有導葉提供預旋，具有安裝角較大、吸力面無遮蓋段長的特點。第一級動葉的吸力面長無遮蓋段與相鄰葉片尾跡形成縮擴型流道，在第一級動葉吸力面近尾緣處已有外伸激波的基礎上形成了尾跡流道激波，在第一級動葉尾緣外伸激波及內伸激波反射波基礎上，新的尾跡流道激波同步作用于下游轉子，顯著改變下游轉子葉表的壓力脈動幅值及動應力水平，容易誘發下游轉子葉片的疲勞失效問題。
基于上述研究背景，工程熱物理研究所先進推進動力團隊采用非定常數值模擬及瞬態流固耦合方法，對級間干涉對動葉葉表壓力脈動特性、動應力及壽命的作用機制開展了研究工作。研究表明尾跡流道激波、內伸激波反射波單獨作用于葉表時，由于受到尾跡干涉作用，激波強度減弱，對載荷的影響與外伸激波存在差距。兩道激波共同作用產生的壓力脈動峰值則達到同位置外伸激波的81.2%，對葉片載荷的影響僅次于外伸激波。
針對壓力脈動特性，內伸激波反射波與尾跡流道激波的壓力脈動峰值和與外伸激波在折轉處引起的壓力脈動峰值相近，兩者都是前緣主要的激勵源且彼此作用時間相差1/2的上游葉片掃掠周期，因此在R2葉表氣動激勵以兩倍的上游葉片掃掠頻率為主。
研究發現尾跡/激波轉轉級間非定常干涉引起葉片載荷劇烈變化，高頻高強度的載荷波動導致葉片動應力的增大，疲勞壽命縮減。這系列研究工作針對多級無導葉對轉渦輪轉轉級間干涉對下游葉片氣動載荷的影響進行研究，明晰多道激波/尾跡對下游轉子的氣動激勵機制，對葉片的安全工作具有重要的意義。
本研究獲得國家自然科學基金重點項目(52336002)；國家科技重大專項(J2019-III-0011-0031)資助。相關研究成果已以封面文章形式發表于《航空學報》。
圖1 尾跡流道圖
圖2 第二級動葉表面壓力脈動時空圖
圖3 R2葉表壓力頻譜分析
圖4 動靜應力對比
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