● 摘要
航空燃气涡轮发动机的涡轮进口存在严重的温度不均匀性，高温核心（热斑）对涡轮性能以及叶片热负荷有着重要的影响，国外航空强国将涡轮进口热斑作为了重要的研究内容，并将研究成果已被广泛地应用于涡轮冷却方案的设计之中。与之相比，我国在涡轮进口热斑上的研究还颇为不足，对其迁移特性的掌握尚有欠缺。鉴于此，本文针对涡轮进口热斑迁移特性进行了实验和数值研究。
首先，在低速平面叶栅风洞试验台上就热斑迁移特性进行了实验研究。利用5孔针测量了不同热斑进口位置下平面叶栅的出口流场，同时利用总温探针测量了平面叶栅的进出口温度场，结果表明，热斑在涡轮平面叶栅中的迁移特性主要受到通道涡的影响，于此同时，热斑流体在经过叶栅通道过程中处于周向非平衡状态，高温气流会在向压力面迁移以达到平衡状态。由于热斑与周围气流发生不可逆转换热，叶栅20%至70%叶高区域总压损失变大。此外，当涡轮进口热斑正对叶片前缘时，叶片（尤其是压力面）将会承受更大的热负荷。
然后，对进口热斑在低速涡轮中的迁移特性进行了详细的定常/非定常数值模拟研究，揭示了热斑迁移的主要控制因素和进口热斑周向、径向位置对其迁移特性的影响。结果表明，冷热气流的分离效应、通道二次流效应是控制热斑迁移的主要因素，热斑在导叶通道中未发生明显迁移。热斑的引入对导叶流场中马赫数分布以及叶表静压分布影响很小。冷热气流分离效应以及通道二次流效应的作用下冷热气流进入转子通道后的分别具有不同的迁移特性，热斑径向迁移特性与其进口径向位置有直接的联系。热斑进口周向位置的变化不会影响流体在转子动叶中的迁移特性，但是其对导叶与转子叶片的热负荷却会产生影响。
总之，本文针对涡轮进口热斑迁移特性展开了研究，研究结果可为涡轮气动性能的提高和冷却方案的设计优化提供指导，对工程应用具有一定的参考意义。