可变喷嘴涡轮增压器因具有降低发动机的燃油消耗和排放,以及在全工况范围内实现与发动机的良好匹配等优点而受到广泛应用。然而在涡轮导叶制动以及某些小开度工况下,喷嘴叶片尾缘会产生较强的激波。在转静子干涉作用下,激波扫掠转子前缘形成周期性的交变荷载,激励叶轮叶片发生振动或导致其高周疲劳失效。同时由于活塞式发动机工作的不连续性,使得涡轮进口呈现脉冲进气,这种低频脉动会对喷嘴叶片尾缘激波的形成、形态以及扫掠规律产生低频影响。因此,脉冲进气与激波耦合作用会使得涡轮内部气流激振特性呈现新的特点。本文首先通过数值仿真方法研究了脉冲进气条件下喷嘴叶片开度、膨胀比对涡轮内激波的形成机理、扫掠规律以及其对叶轮叶片上游气流参数扰动的特征;探讨了涡轮进气脉冲低频非定常效应与转静子干涉高频非定常效应共同作用下涡轮喷嘴叶片内部复杂的非定常流动以及激波特征,揭示了脉冲进气对涡轮瞬态特性、流场频域特性以及叶轮叶片上游气流激振力的影响。其次通过纹影试验和数值仿真方法验证了平面叶栅喷嘴叶片尾缘激波的演变特性,在此基础上,提出了喷嘴叶片表面开置凹槽以改变激波形态、弱化激波强度的激波抑制方法,并开展了不同凹槽结构对激波形态和激波抑制效果的研究。主要研究内容及成果如下:脉冲进气对可变喷嘴涡轮流动特性影响的研究。通过对发动机实际排气压力曲线进行合理简化,设计了正弦变化的压力脉冲波作为涡轮脉冲进口条件。通过脉冲进气的涡轮非定常流动计算,研究了脉冲进气对涡轮瞬态性能、频率特性以及流动损失等的影响。结果表明:脉冲进气导致可变喷嘴涡轮瞬态性能发生较大变化。在脉冲周期内,瞬态流量曲线呈现环状并且位于定常流量曲线的下方,相同的膨胀比下,涡轮瞬态流量小于定常情况下的流量;瞬态效率曲线呈现环状并且将定常效率曲线包围。在叶轮叶片前缘区域,脉冲进气导致的流场非定常特性弱于转静子干涉非定常性,但转静子干涉导致的非定常波动在叶轮内具有更快的耗散速度;脉冲进气对喷嘴叶片间隙泄漏流造成较大的影响,间隙泄漏流会导致流道中流动损失的增加;在一个脉冲周期内,随着脉冲进气压力的增加,攻角引起的流动分离使得流动损失增加。均匀进气条件下喷嘴叶片尾缘激波的演变特征及影响因素的研究。通过对JK90S可变喷嘴涡轮开展均匀进气条件下的非定常数值模拟,研究了激波的演变规律以及转静子干涉、膨胀比、尾迹以及导叶开度对激波特性的影响机理。研究表明:当可变喷嘴涡轮处于中小叶片开度、大膨胀比工况下,喷嘴叶片尾缘激波的形成与转静子的相对位置有着密切关系。当叶轮叶片前缘距离喷嘴叶片尾缘一定距离时,激波强度最强;距离较近或较远时,激波减弱。喷嘴叶片尾缘激波对叶轮进口形成较大的静压梯度波动,导致叶轮叶片前缘载荷发生明显变化,成为诱发叶轮叶片高周疲劳的主要诱因。激波和尾迹相互干涉时,会造成总压损失增加;激波对叶轮叶片前缘的影响远大于尾迹造成的影响;激波和喷嘴尾迹均会导致喷嘴出口速度亏损;随着膨胀比的增加,激波强度逐渐增加,激波产生位置向喷嘴叶片尾缘方向移动;同时喷嘴叶片开度越小,激波强度越强。脉冲进气与激波耦合作用下涡轮内气流激振特性研究。通过对不同脉冲进气时刻的静压分布以及马赫数分布进行分析,揭示了脉冲进气条件下喷嘴叶片尾缘激波的特性。同时对叶轮叶片不同叶高位置的载荷分布进行了探讨,分析了脉冲进气对叶轮叶片激振力的影响。研究表明:脉冲进气对喷嘴叶片尾缘激波强度和位置存在较为明显的影响,在脉冲周期内,喷嘴叶片尾缘激波位置呈小幅低频周期性波动,波动频率与脉冲进气频率相同;在相同的叶轮叶片前缘和喷嘴叶片尾缘相对位置下,高脉冲压力使得激波位置沿喷嘴叶片吸力面向尾缘方向移动,激波强度增强;而低脉冲压力时激波位置沿喷嘴叶片吸力面向上游方向移动,激波强度减弱;脉冲进气压力变化10kPa,对应尾缘激波强度变化幅度约为7%;脉冲进气对喷嘴叶片激波的影响使得叶轮叶片前缘载荷产生较大波动,变化幅度高达20%以上。喷嘴叶片平面叶栅尾缘激波形态演变的研究。通过平面叶栅的纹影试验和数值模拟研究,明确了膨胀比和间隙尺寸对喷嘴叶片尾缘激波的影响机理。研究表明:沿叶展方向接近端壁区域的位置,在间隙泄漏流流动的影响范围内,受间隙泄漏涡的影响,激波结构被挤压变形,激波形状向逆着主流流动方向弯曲。同时激波被截断;随着膨胀比的增加,间隙泄漏流的影响范围和强度逐渐增加,进一步加强了激波与间隙泄漏流的干涉。激波的强度增加,抗干扰能力加强,激波形状变形逐渐变小,同时激波位置向尾缘方向移动。随着间隙尺寸的增加,间隙泄漏流的影响范围和强度增加,受泄漏流的影响,沿叶展方向在端壁区域激波形状被进一步挤压变形。同时由于间隙泄漏流产生的泄漏涡增加,加重挤压了主流流动的通道空间,造成中间气体流动加速,导致中间叶高位置的激波强度进一步加强,激波形状变形较小;在喷嘴叶片出口截面上,间隙泄漏流与激波的相互干涉会造成较剧烈的静压波动,从而诱导较强的气动激振力作用于叶轮叶片上。凹槽结构叶片对激波形态、激波抑制影响机理的研究。提出了在喷嘴叶片吸力面侧开置凹槽的方法以改变喷嘴叶片尾缘激波的形态和降低激波的强度,并通过纹影试验和数值仿真方法进行了验证。同时研究了不同凹槽结构叶片对激波形态和静压波动的影响机理。研究表明:与光滑叶片相比,凹槽结构叶片会改变流场中激波的形态,可以将正激波转变为多道斜激波,从而降低了激波强度;第一个凹槽位置对激波结构有明显的影响。当第一个凹槽位于喷嘴叶片喉口下游时,斜激波起始位置源自第一个凹槽;随着膨胀比的增加,流场内斜激波的强度和数量进一步增加,凹槽结构叶片对激波的抑制效果更明显;凹槽结构叶片可以显著降低喷嘴叶片下游气流经过激波时的静压波动,凹槽结构叶片对激波的抑制效果取决于膨胀比和距离喷嘴叶片尾缘的位置。同时凹槽结构的尺寸以及形状对激波抑制效果具有明显的影响。凹槽结构叶片宽度相同的情况下,深度越深时,对激波的抑制效果较弱,激波特征越明显;在凹槽结构叶片深度相同的情况下,宽度越宽时,对激波的抑制效果越弱,激波特征越明显。