摘 要

航空涡轮发动机是飞机最重要的部件，涡轮发动机的研究对我国的航空事业的发展有极大的推动作用。而叶片又是发动机中最重要的部件，涡轮的叶片所处部位是工作温度最高，应力最为复杂，环境最为恶劣的地方。数量众多的压气机叶片和涡轮叶片对气体进行的压缩和膨胀作用从而产生强大的动力推动飞机的前进。涡轮叶片的数量多，形状复杂，工作要求高，加工难度大并且是故障多发的零件，一直都是发动机生产制造中的关键所在。本文根据涡轮发动机的原理，利用CAD绘图软件绘制出所设计叶片截面的曲面图形。用COMSOL多物理场仿真软件对所设计的叶片截面的曲面图形进行仿真建模，建立一个矩形框来模拟进行风洞实验。通过对速度、压强、剪切速率以及雷诺系数方面的分析，来进行图形角度或者形状方面的改进。再与原图进行对比分析并得出最合理的叶片截面的形状，完成优化设计。

关键词：涡轮叶片；Comsol；优化设计

Abstract

Aviation turbine engines is the most important parts of aircraft, turbine engine study on the development of China's aviation industry has a great role in promoting. The blade is one of the most important parts in the engine, in which parts of the turbine blade is the maximum operating temperature, the most complex stress, the most hostile environment areas, the worst place environment. Large Numbers of compressor blades and turbine blades was carried out on the gas compression and expansion effect can have a powerful motivation to push forward of the plane. Turbine blade number, complex shape, the work requirement is high, the processing difficulty is big and frequent failure parts, has been the key in the engine manufacturing. This paper, based on the principle of turbine engine, use CAD drawing software designed to map the surface of blade section graph. Use COMSOL much physical field simulation software for the design of blade section surface graphics simulation modeling, a rectangular box to simulate the wind tunnel experiments. By means of velocity, pressure, shear rate and the coefficient of Reynolds number aspects of analysis, for graphics Angle or shape. Compared with the original image analysis and the most reasonable blade section shape, complete the optimization design.

Keywords：turbine blade ；Comsol ; optimization design

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2国内外发展现状 1

1.3国内外研究现状对比 2

1.4涡轮发动机工作原理 3

1.5涡轮叶片介绍 4

第2章研究方案 5

2.1 Comsol软件介绍 5

2.2研究方法 5

2.3优化方法 6

2.4涡轮叶片截面的造型 6

2.5章节小结 7

第3章叶片仿真结果分析 8

3.1叶片仿真结果分析 8

3.1.1速度分析 9

3.2.2雷诺系数分析 11

3.2.3剪切速率分析 12

3.2.4压强分析 14

3.2本章小结 16

第4章 对比分析讨论与总结 17

4.1对比分析 17

4.2总结 18

第5章总结与展望 19

5.1总结 19

5.2展望 19

参考文献 21

致谢 22

第1章 绪 论

1.1课题研究目的及意义

发动机就相当于飞机的"心脏",发动机的先进性能指标是衡量国家的工业水平和技术能力的一个非常重要标志。发动机高压部件的其中之一就包括了涡轮部件。不仅存在很高的压力，同时还会有相当大的温度催涡轮部件产生影响，超过了金属融化的温度的好几百度。涡轮部件的第一个麻烦题就是相当高的高温，大约两千多度的高温就是叶片所处的工作环境。而涡轮叶片则更是从一开始的实心叶片，到现在的需要在很小的叶片上添加成千上百个冷却孔来对叶片进行冷却。这无疑是难上加难。经过了半个多世纪的漫长发展,航空涡轮发动机的制造，材料等相关技术取得了跨越式的进步，大大促进了航天和航空工业技术等方面的的蓬勃发展，航空工业蒸蒸日上。在这方面我国被欧美国家拉后了很多年，为了能够取得在未来时间段内军事和商业等方面竞争的主动权，从而可以和欧美国家能够抗衡，发动机的研究无可厚非的尤为重要。

1.2国内外发展现状

中国在航空发动机这个领域，可以说是既面临着严峻的挑战也同时又有着十分良好的发展机遇。经过了从建国开始到现在的建设发展，中国航空动力研究领域已经掌握了一些技术支持和物质基础，现在我国已拥有比较强的实验能力和制造能力。我国在1986年的时候成功研发出了出涡喷-14，这是第一台自行设计研发的航空涡轮发动机。到目前为止，涡扇-15发动机也是已经在2011年完成了验机的过程，并且实现了交付。五代机歼-20和歼-31等大型飞机成功完成首飞。这标志着我国在航空发动机方面可以通过自己研发的进程上迈出了振奋人心的一大步^[1]。很久以来，我国自产的“太行”发动机系列因为经验不足和可靠性能比较差，导致了一直不能装备到奸10战斗机上，一直都在靠外汇购买俄制的发动机。但是俄制的发动机可靠性依旧不稳定。中国空军涂装歼-10B战斗机上就使用了国产的“太行”发动机，这标志着中国成为美国、俄罗斯之后第三个世界上可以独立研制大推动力发动机的，而且将其成功应用于自产第三代战机的国家。至此，单发战机这个中国从未涉及到的领域也是彻底被攻克了。

国外航空发动机技术比较先进的国家正在实施先进的航空涡轮发动机技术发展打算。美国预备开发一种航空和航天推进能力的高速涡轮技术。可以应用在高超声速巡航飞行器和反应式太空系统的重复使用TBCC发动机研制。西欧方面尤其是以英国为主国家也都运行先进军用发动机技术计划，主旨是在21世纪初的时候可以达到推重比20、耗油率下降30％，并且成本下降35％的涡轮发动机技术，估量该量级发动机能够于2020年左右投入使用^[2]。美国还策划从2006年开始实施多功能、经济良好的涡轮发动机规划。最终期望达到效率与成本之比是F119的十倍左右。同时，在民用发动机方面，欧美也在致力改善。例如美国从1999年开始准备非常高效的发动机战略，这一计划目的在降低发动机的油耗指标，减轻一氧化氮释放量，提高发动机的性能以及效率^[3]。这些方针都将会极大地推进航空工业领域的发展。

1.3国内外研究现状对比

航空发动机这个行业需要拥有很高的技术和较高的投入，但是同时要面临着很高风险。仅是一台普通发动机的研发就需要10亿美元左右的投入，而且周期时间也至少需要十年。当然，发动机的研究能带来的回报也是相当可观。所以，欧美国家一直都很注重研发更高性能的发动机，该领域的研发技术受到很高重视，并且投入大量的资金，通过一次次试验失败来改进技术，由于这些投入和努力，才有现在欧美领先我国很多的现象。这在早些年的中国是很难达到的，不过随着国家国力的增强， 我国投入的资金也在逐年增长，正在加速缩小与欧美国家之间的差距。资金方面只是其中之一，总体看来，还有很多方面仍需要不断努力。