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申请/专利权人：中国科学院工程热物理研究所

摘要：本发明提供一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流涡轮设计方法，包括轴向布置的环形管道，该管道为超音速轴向无叶涡轮；高速流体以超音速绝对速度V并以围绕管道对称轴的旋转或涡旋运动在入口段进入涡轮；这股来流流动特征在于两个速度分量：一个在轴向，另一个在切线方向；流体流动被限制在两个同心端壁，即转子和机匣内；两个端壁以对称轴为中心，以恒定转速旋转，会在回旋流体和旋转环形管道之间产生相对速度W；这种作用会沿着涡轮轴z方向和在垂直于z的平面上的切线方向产生粘性剪切应力；切向摩擦力产生扭矩，并被传递到连接转子的轴上。该方法结构简单，避免复杂的叶片，加工简单，重量轻，且维护方便；承所需冷气量少，有利于整机循环效率。

主权项：1.一种燃气涡轮发动机超音速无叶轴流涡轮设计方法，其特征在于，包括轴向布置的环形管道，该环形管道为超音速轴向无叶涡轮的管道；高速流体以超音速绝对速度V并以围绕管道对称轴的旋转或涡旋运动在入口段进入涡轮；来流流动包括两个速度分量：一个在轴向，另一个在切线方向；流体流动被限制在两个同心端壁，即转子和机匣内；两个端壁以对称轴为中心，以恒定转速旋转，会在回旋流体和旋转环形管道之间产生相对速度W；这种作用会沿着涡轮轴z方向和在垂直于z的平面上的切线方向产生粘性剪切应力；切向摩擦力产生扭矩，并被传递到连接转子的轴上；流线的曲率在旋转方向上定向；因此，升力的切向分量与转子圆周速度对齐；曲率与旋转方向相反的设计会导致负焓变化；对于无叶片配置，考虑围绕涡轮机入口和出口的控制量；动量守恒可得切向力等于：Ftan＝ρ×S×Rtip-Rhub×VzV2u-V3u1考虑超音速应用，沿轴向的恒定面积会导致相对流速的降低；因此，为了从流动和扭矩中提取焓，W2u应为正；施加在端壁上的切向力在涡轮轴上产生扭矩：t＝R×Ftan2相应的机械功率输出：PWreal＝t×ω＝U×Ftan3U的增加导致流体-壁界面之间的相对切线速度Wu减小，从而导致Ftan上的切线速度减小；高转速场景产生的相对切向速度分量Wu′减小，而较低的圆周速度值则有利于更重要的相对切向分量Wu"；分析得出转子壳体的转速的最佳值，以使从当前的无叶片涡轮机提取的功率最大化；圆周速度U表示为绝对和相对切向速度分量之间的差，得出输出功率的以下表达式：PWreal＝Vsinα-cosαtanβ×Ftan4有用的切向拖动力与流的相对切向速度分量成比例；重新布置此术语，并将其替换为等式4，关于功率的关系如下：PWreal∝V2sinαcosαtanβ-cos2αtan2β5通过将关系式5的右侧根据相对流角β进行微分，获得驱动无叶轮机达到最大功率提取的最佳相对流角；结果是：βopt＝arctantanα26最后，结合等式6利用速度三角形，当转子机壳的角速度设置为时，无叶轮机能够提供最大输出功率；ωopt＝Vsinα-cosαtanβoptR7基于火用分析研究超音速无叶涡轮的效率；本定义提供了相对于系统中可能获得的潜在工作的系统实际工作输出的度量；对于在稳态和绝热流动条件下运行的无叶涡轮，火用率平衡的稳态方程为： 方程左侧的术语表示从涡轮进口到出口的火用能减少，通常定义为 在等式9，T0被视为典型的环境条件T0＝298K；调用等式8，由于提取了特定功，涡轮内的流本能降低，并且系统不可逆性破坏了本能；然后，将无叶片涡轮效率定义为一个参数，该参数可量化将流本能的降低转换为有用的提取功率的效率：

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