涡轮叶片冷却技术的应用和发展

针对航空发动机涡轮叶片的工作环境和使用要求,论述了涡轮叶片冷却技术的应用情况,展望了涡轮叶片冷却技术的发展趋势.阐述了研究涡轮叶片冷却技术必须同时重视改革工艺方法,合理的也是可行的做法应是开发高性能耐高温材料和发展新型高效涡轮叶片冷却技术并重,甚至将其合二为一,发展复合结构设计这一新型设计思想;以及对涡轮叶片根据实用要求用多种材料进行复合结构设计,用力学理论分析和强度实验的方法进行材料组合优化、复合结构优化,充分发挥各种材料特长,形成一种任何单一材料所不具备的优异性能涡轮叶片的观点.     

西北工业大学传热与冷却实验室及课题组简介

实验室由涡轮叶片外流换热及气膜冷却试验室、叶片内流换热试验室、跨声速涡轮叶片传热试验室及测温测压组件加工及标定室组成,主要从事航空宇航推进器高温部件传热与冷却技术研究。 与英国R-R公司和牛津大学签订了《气动与传热大学技术伙伴》协定,建立了长期稳定的合作研究机制。     

航空发动机涡轮叶片疲劳—蠕变寿命试验技术研究

涡轮叶片是航空发动机工作环境最恶劣,结构最复杂的零件之一,也是发动机断裂故障多发件之一。由于发动机工作时涡轮叶片始终在高温下承受复合载荷的作用,因此在涡轮叶片定寿中,不能将叶片的蠕变和疲劳寿命割裂开,而必须充分考虑疲劳—蠕变交互作用的影响。目前理论上对结构疲劳—蠕变寿命的预测方法还很不完善,故对涡轮叶片开展疲劳—蠕变寿命试验研究是叶片设计和定寿工作中的重要环节。本文对涡轮叶片疲劳—蠕变试验技术进行了综合论述。文中特别强调了试验载荷谱确定和叶片模拟试验件设计的关键技术环节,同时还介绍了一种专门适用于叶片疲劳—蠕变试验的基于机电伺服加载系统的疲劳蠕变综合试验器。      

涡轮叶片冷却设计优化方法研究

针对某型发动机高压涡轮工作叶片,采用试验设计方法,通过对内腔边界条件的主效应分析,对涡轮叶片截面温度分布进行优化。同时,对影响叶片内腔不同流动与换热类型的冷却结构元件换热系数的几何参数进行敏度分析。最后通过综合优化,获得在原设计基础上的优化结果。结果表明,该方法可以把原设计的截面最大温差有效降低。另外,通过对涡轮叶片冷却设计优化方法的探索,还获得了影响叶片冷却设计结果的参数关系曲线,该方法及结果可在涡轮叶片冷却设计时参考使用。     

iSIGHT优化方法在涡轮叶片冷却设计中的应用

针对现有航空发动机涡轮叶片内冷结构的快速改进,在对叶片冷却设计方法集成的基础上,建立了一类冷却叶片的优化模型,并成功将该优化模型应用在航空发动机涡轮叶片设计中。结果表明,在相同冷却空气用量下,叶片表面最高温度降低了72.4℃,叶片温差减小了110.4℃,优化效果明显。同时,将近似技术成功应用到叶片优化设计中,提高了任务分析效率,为现有发动机涡轮叶片快速改进提供了一种有效手段。     

带热障涂层涡轮冷却叶片冷却特性计算方法研究

阐述了航空发动机高温涡轮冷却叶片热防护系统流体动力与冷效特性计算方法。计算方法考虑了叶片隔热涂层对发动机气冷叶片冷却效果的影响,在发动机过渡态工作过程中考虑了叶片和隔热涂层的瞬态热传导,建立了瞬态带隔热涂层复合涡轮冷却叶片流体动力与冷效特性计算的计算模型,并完成了相应的程序编制。     

GENX发动机采用革新的涡轮

GENX发动机采用了革新的材料、涂层和结构的涡轮。该涡轮的特点是：采用先进的设计程序和高效的叶片结构，利用较少的叶片取得了很高的效率，并且大大减轻了质量和降低了费用；采用粉末冶金盘、特制的涂层、革新的冷却结构和叶片材料，获得了很高的性能和较高的寿命；采用GE公司在YF120发动机和TECH56技术计划研制并验证的对转涡轮技术，使部件减少、质量减轻和效率提高。     

大载荷跨音速高温涡轮复合式气冷叶设计、试验和分析研究 （二）试验研究

设计，加工了四套大载荷跨音速涡轮复合式气冷叶片（多种气膜孔方案），成功地进行了290小时试验。试验结果表明，导叶在2－8％，动叶在1－6％宽广的冷气流量比范围内，具有良好的冷却特性。在试验中，测取了系统的热损失，并对叶片壁温实测值进行了修正。用模化分析方法，将试验值换算到发动机设计状态，导叶绝对冷却效果为335－422℃，动叶为256－319℃。并且壁温分布均匀，经过与美国节能发动机（E^3)气冷叶片比较，其冷却性能相当。     

基于涡轮叶栅数据库的叶片设计系统开发与应用

涡轮叶栅数据库的建设和应用,可为航空发动机设计体系中的叶片造型设计提供支持。本文介绍了包含涡轮叶栅设计参数和损失特性的数据库的建设方法及应用,并基于该数据库,开发了叶片设计系统。该系统能实时计算出损失特性曲线支持造型设计,具有叶型设计质量评测、参数优化及参数选择推荐等实用功能。经试验数据验证及算例校核,初步验证了其准确性和易用性。     

旋转状态下气膜冷却效率试验研究

以某型发动机高压涡轮转子叶片吸力面腮区气膜孔为研究对象,通过模拟发动机状态的模型试验,研究了旋转数、吹风比和主流雷诺数对气膜孔冷却效率的影响。结果表明,旋转会导致气膜覆盖区域向高半径方向偏转,且旋转数越大,偏转角度越大,气膜冷却效率越低;同时,旋转会弱化吹风比、主流雷诺数等对气膜冷气效率的影响。研究获得的旋转状态下涡轮转子叶片型面典型区域气膜冷却特性的试验数据,可为发动机转子叶片冷却设计提供参考。     

涡轮冷却叶片热-固耦合分析与优化设计

根据涡轮冷却叶片热-固耦合分析和基于遗传算法-有限元的涡轮叶片优化设计方法,发展了涡轮冷却叶片热-固一体化优化设计方法.以某航空发动机涡轮转子叶片为原型,分析了冷却孔的位置、形状(圆形和四边形)、大小和数量对热应力与冷却效果的影响.结果表明,该方法能有效地降低涡轮叶片的应力、改善其冷却效果;四边形孔具有更好的冷却效果和更低的最大应力;随着冷却孔大小和数量的增加,最高温度下降,而最大应力上升.      

前缘气膜孔布局对涡轮转子叶片流动传热的影响

为了研究不同前缘气膜孔布局对叶片内部冷却系统、温度场分布的影响,针对某典型冲击-对流-气膜复合冷却高压涡轮转子叶片,保持叶片主体冷却结构不变,通过改变叶片前缘各列气膜孔的数量形成5种结构方案,完成了1维流动换热及3维有限元温度场计算。并模拟发动机工况,试验研究了叶片内腔流量特性、叶片中下部2个截面的平均冷却效果随压比、流量比的变化规律。计算及试验结果均表明:涡轮转子叶片前缘气膜孔数量及布局对叶片前腔冷气量、前缘温度分布影响明显,而对后腔冷气量、尾缘温度影响较小。     

涡轮冷却叶片参数化建模及多学科设计优化

建立了一个涉及结构、气动、传热、振动、强度和寿命等学科的涡轮冷却叶片多学科设计优化系统, 进行了单孔薄壁冷却叶片的多学科设计优化.提出了单孔薄壁冷却叶片的参数化造型方法, 叶片叶型采用5次多项式构造, 气动与传热为三维耦合分析;叶片体积平均温度与最高温度为优化目标, 强度、振动和寿命等学科相关参数为约束, 模拟退火与序列二次规划组合算法进行叶片参数空间寻优, 在保持冷却气体流量不变的条件下, 优化提高了冷却效果, 降低了叶片材料的性能要求.      

某双级高压涡轮全三维计算

采用自主研发的全三维黏性涡轮设计体系对某双级高压涡轮进行了反设计,并利用商业软件CFX12.0在采用二方程湍流模型SST(shear stress transportation)模型、考虑冷气和转捩等条件下对反设计得到的叶型进行了全三维计算分析,采用源项模拟技术处理气膜冷却流动.计算结果与试验数据进行了对比,结果表明计算得到的效率与试验值吻合,中等负荷高压涡轮气冷叶型采用后部加载设计技术可有效控制流动损失.      

涡轮复杂气冷叶盘结构变形分析模型简化方法

基于高压转子开展高压(HP)涡轮转子叶片叶尖变形分析可提高叶尖间隙的数值模拟精度，而高压涡轮转子叶片由于其复杂的气冷结构，有限元分析网格数量巨大；叶片和轮盘的榫接结构属于非线性分析，也需要足够的计算机时。针对该问题提出了一种复杂气冷叶片的简化方法和榫接结构接触计算简化方法，在不影响计算精度的前提下提高计算效率。采用该方法对典型结构高压涡轮转子进行了变形分析，与采用复杂气冷叶片模型和接触分析方法的变形分析结果进行比较。结果表明:涡轮叶片叶尖最大径向变形相对误差为0.47%，计算机时减少99%，证明简化方法和计算方法的有效性。      

密度比对涡轮叶片表面气膜冷却换热系数的影响

 采用放大的叶片模型，利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行试验，测量了涡轮工作叶片表面不同位置处气膜孔下游叶片表面的换热系数，研究了不同吹风比、密度比和雷诺数的影响。风洞试验段由3个叶片组成，其中中间的叶片为试验叶片。试验叶片表面上开有6排气膜孔，其中吸力面1排，前缘区3排，压力面2排。试验结果表明：密度比对叶片表面气膜孔下游换热系数有影响，以往采用空气作为主流及二次流，在低温差下进行试验，所获得的叶片表面气膜孔下游的换热系数在用于涡轮叶片气膜冷却的实际设计时，必须进行修正。     

基于叶尖定时的航空发动机涡轮叶片振动测量

介绍了基于叶尖定时的非接触振动测试系统应用于涡轮转子叶片的技术瓶颈,突破高温传感器结构设计、安装以及冷却等技术难点,通过设置系统触发信号保持时间,解决H型涡轮转子叶片对叶尖定时信号的二次触发问题,并给出核心机状态下转速基准实现方法。将非接触振动测量技术成功应用在某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片振动监测中,有效获取涡轮转子叶片共振时的振动频率和幅值,并与应变计测量叶根动应变结果进行比对。结果显示:基于叶尖定时的非接触振动测试系统和接触式动应力测试系统均可监测涡轮转子叶片振动,成功辨识转子叶片8 200 r/min时的12阶激励阶次激发的一弯振动模态,两种分析方法识别共振频率相对误差在4%以内。     

基于综合设计的涡轴发动机热力循环方案研究

为了对比研究不同热力循环参数的涡轴发动机方案,建立集总体性能设计、尺寸流路设计、部件初步气动设计和重量估算的总体/部件为一体的综合设计模型,利用部件效率/气动负荷耦合设计和涡轮冷气量计算模型,实现发动机总体/部件的耦合设计。结果表明:在现有的设计技术水平下,低压比方案、高涡轮进口总温方案以及低压比和高涡轮进口总温的组合方案各具优势;高热力参数方案的设计必须以技术的进步为前提;未来涡轴发动机的总体设计将会沿着高热力循环参数和低热力循环参数两种方向发展。     

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

定向凝固高温合金涡轮冷却叶片的热应力分析

1 引言 现代航空发动机的燃气温度愈来愈高,涡轮叶片采用复杂的冷却结构和耐高温的各向异性材料。在发动机工作状态循环变化中,将引起热疲劳损伤。所以,必须对涡轮叶片中周期性变化的热应力进行分析。由于其结构形状复杂,采用有限元素法进行分析是一种有效的方法。如对整个叶片进行瞬态温度场和各个瞬间的应力场进行分析,将需要很大的内