中文摘要：

由于可提高航空燃气涡轮发动机推重比及飞机机动性能, 对转涡轮技术越来越受到世界的关注。与常规涡轮及低压级有导叶对转涡轮相比,无导叶对转涡轮具有显著的特点, 如高低压涡轮叶排间的高相对转速、高压动叶出口高相对马赫数等。上述特点决定了无导叶对转涡轮中的进口热斑迁移特性与常规涡轮甚至是低压级有导叶对转涡轮显著不同。因此，深入研究进口热斑在无导叶对转涡轮中的迁移特性具有重要的理论和现实意义。基于此，本项目拟对无导叶对转涡轮中进口热斑效应的影响机制进行理论分析、数值模拟和实验研究，着重分析热斑时序位置、热斑径向作用位置、热斑温度比、热斑通道数比、叶顶间隙泄漏流动和激波等对其迁移特性的影响，探索控制进口热斑迁移的物理机制，揭示进口热斑与冷却气体、激波、尾迹、叶顶间隙泄漏流之间的相互作用机理，构建考虑进口热斑效应的无导叶对转涡轮气动及冷却设计优化准则。

结论摘要：

由于可提高航空燃气涡轮发动机推重比及飞机机动性能，对转涡轮技术越来越受到世界的关注。与常规涡轮及低压级有导叶对转涡轮相比，无导叶对转涡轮具有显著的特点，如高低压涡轮叶排间的高相对转速、高压动叶出口高相对马赫数等。上述特点决定了无导叶对转涡轮中的进口热斑迁移特性与常规涡轮甚至是低压级有导叶对转涡轮显著不同。基于此，本项目对无导叶对转涡轮中进口热斑效应进行了理论分析、数值模拟和实验研究，着重分析了热斑在无导叶对转涡轮中的迁移机理、热斑的时序位置效应、热斑径向作用位置效应、热斑温度比效应、热斑通道数比效应以及热斑对无导叶对转涡轮中流场及其气动性能的影响机理等。通过对热斑迁移控制因素的理论分析，发现热斑在无导叶对转涡轮中的迁移受冷热流体分离效应、二次流效应以及浮力效应等三种效应的综合作用。针对热斑时序位置和径向位置的数值研究，揭示了进口热斑在周向上正对导叶前缘以及在径向上位于50%叶高两种方案皆可有效地降低高压动叶的热负荷。通过对热斑温比效应和热斑通道数比效应的数值研究，揭示了热斑温比的提高以及热斑数/导叶叶片数比的提高皆会加剧高压动叶压力面的热负荷以及热斑在高压转子通道中的二次流效应。针对热斑径向位置效应的实验研究表明，在热斑温比为1.2的条件下，热斑径向位置效应并不能改变高压动叶出口的温度分布趋势，但可以影响高压动叶出口不同径向位置处的温度值。热斑对无导叶对转涡轮流场影响的数值研究表明，热斑的引入加剧了气流在高压转子通道内的径向二次流动，增强了高压转子根部通道涡和尾迹涡的强度，但降低了高压转子顶部泄漏涡的强度。通过研究热斑对无导叶对转涡轮叶表、叶顶以及端壁热负荷的影响效果，发现引入热斑后高压转子叶顶尾部和低压转子叶顶尾部的热负荷因高温气体的掠过而增强，高压转子轮毂后端的热负荷和低压转子轮毂的热负荷因高温气体的径向迁移而增强，迁移至叶顶的高温流体在叶顶泄漏涡的卷吸下远离机匣，从而使得机匣的热负荷在热斑工况下有所下降。关于热斑对无导叶对转涡轮气动性能的影响研究表明，与均匀进口温度工况相比，热斑工况下叶片中展部分高温流体出功增加，而两端低温流体出功降低。同时，由于叶中高温流体在出功的同时还要向两端低温流体输送能量，致使叶中区域的等熵效率降低，而近端壁区的等熵效率升高。本项目的研究为开展考虑热斑效应的涡轮气动优化设计以及冷却优化设计打下了基础。