涡轮叶尖径向间隙主动控制研究

以涡轮为研究对象,综合影响涡轮径向间隙变化的各种因素,对于叶片—轮盘,主要考虑温度和转速对其径向位移的影响,对于机匣,主要考虑温度对其径向位移的影响。利用ANSYS有限元软件,输入随时间变化的边界条件,计算出涡轮在整个时间历程的径向间隙变化情况。对于涡轮在巡航状态下,采用冲击冷却,确定涡轮在冲击冷却下的优化设计数学模型,利用MPOP优化程序综合寻优,达到涡轮在巡航状态下优化设计主动控制的目的。     

动静干涉下高压涡轮外环非定常气膜冷却性能分析

为了探索航空发动机高压涡轮外环非定常气膜冷却性能的影响因素及其作用规律，对叶片高速旋转作用下某航空发动 机高压涡轮外环的非定常气膜冷却过程进行了3维数值模拟。应用滑移网格技术实现了涡轮叶片与涡轮外环壁面之间的相对运 动以及转子与静子之间干涉作用的模拟；分析了叶片的旋转作用、吹风比、气膜射流方向、气膜轴向射流角度等因素对高压涡轮外 环非定常气膜冷却性能的影响规律。结果表明：在高吹风比下应防止叶片前缘上游气膜孔冷却裕度不足现象的发生；逆向排布的 气膜孔更适合在高吹风比下使用；当气膜入射角由45°减小为30°时，外环面平均气膜冷却效率时均值增大18.54%，显著提高了涡 轮外环冷却的冷气利用效率。     

高压涡轮盘疲劳载荷分析与试验

针对航空发动机涡轮盘低循环疲劳寿命受交变热应力影响的问题,对某型高压涡轮盘服役过程的温度场变化情况进行 了研究。根据某型发动机高压涡轮盘试车过程中实测的随时间变化的温度分布,采用有限元方法分析了轮盘温度变化对不同考 核部位应力水平的影响,对发动机工作状态下各考核部位的循环应力进行了计算。制定了试验方案,设计了试验装置,在旋转试 验器上进行了涡轮盘在高温状态下的低循环疲劳试验,按照安全寿命法确定了盘心和螺栓孔部位的安全寿命。结果表明：温度变 化对轮盘考核部位应力的影响明显,瞬态温度沿径向呈“V”型分布,导致螺栓孔部位应力水平比稳态温度分布下的提高了25.9%, 使其成为涡轮盘的限寿部位;轮盘失效模式为低循环疲劳破坏,裂纹起源于螺栓孔的6、12点钟方向,沿径向扩展导致轮盘失效。     

层板冷却导向叶片设计及试验验证

为了提高导向叶片的冷却效率,分析了层板导向叶片的外壁厚、冲击距离和扰流柱直径变化对叶片温度分布的影响,结 果表明：随着冲击距离增加,冲击冷却效率降低,叶片表面温度升高;随着层板叶片外层壁厚度增大,外层壁两侧温差逐步增大;随 着扰流柱直径增大,外层壁两侧平均温度呈现先降低后持平的变化趋势,两侧温差保持不变。结合中国铸造工艺设计了层板冷却 涡轮导向叶片,利用CFX软件对设计的导向叶片流动传热进行计算,利用模拟试验对该导向叶片冷却效果进行验证。计算和试验 结果表明：设计的层板冷却导向叶片冷却温降水平较高,温降均值达到燃气入口温度的40%以上,温降水平计算值比试验值低 7.3%,叶片表面温度分布较均匀,叶片冷却结构设计合理。     

冲击冷却局部换热特性的实验研究

木文研究了用单排圆射流冲出冷却的方法来模拟涡轮叶片前缘的局部换热特性。通过对大量实验数据的分析研究,发现局部换热系数的分布曲线是一个分段函数:驻点区为高斯分布函数,壁射流区为幂函数分布。文中还分析了射流雷诺数、射流孔与试验靶之间的无因次距离、冲击管和试验靶的无因次结构尺寸等对局部换热系数及其分布的影响。最后,用最小二乘法整理出一组描述冲击冷却局部换热特性的经验公式。这些公式对冲击冷却叶片的设计具有一定的工程实用参考价值。      

燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能研究进展

现代燃烧室由于富油燃烧-快速焠熄-贫油燃烧技术和贫油预混燃烧技术导致其出口具有非均匀温度（热斑）分布、强旋流和高湍流度的流动特征,显著影响燃烧室下游高压涡轮级的气热性能。先进高压涡轮级气热性能分析和冷却设计越发依赖于燃烧室和涡轮相互作用下交界面的气热参数非均匀分布特征。论文阐述了燃烧室和涡轮相互作用机理。介绍了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能研究的代表性实验台和数值方法。分别综述了燃烧室和涡轮相互作用下热斑、热斑和旋流、旋流和湍流度对高压涡轮级气热性能的影响特性。给出了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级的气热性能分析及不确定性量化的研究现状。总结了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能的研究成果。展望了非均匀气热参数分布条件下高压涡轮级气热性能可靠性分析和鲁棒性设计需要更加深入研究的方向,为适应先进航空发动机的燃烧室和涡轮一体化设计需求提供参考。     

涡轮集气腔出流流量分配和温度特性研究

采用模型实验和数值方法,针对特定的涡轮集气腔结构进行了出流特性研究。首先,在实验室条件下,进行全尺寸基准涡轮集气腔的模型实验研究并验证数值模拟方法;其次,在接近发动机真实气-热参数条件下进行系列的数值模拟,分析进出口压比、腔室高度、出流孔孔径和出流孔轴向位置等对出流孔流量分配和温度分布的影响。研究表明,除了集气腔出流流量分配的不均匀性之外,气流与热壁面之间的对流换热也导致明显的出流温度不均匀性;改变出流孔轴向位置距离、增加集气腔腔室高度是在不影响集气腔通流能力下改善出流均匀性的有效技术措施,当出流孔轴向偏置距离或集气腔腔室高度达到一定值后,其对改善出流流量分配均匀性的作用趋于微弱,但对于改善出流温度分布均匀性依然有较好的作用。     

脉冲爆震环境下涡轮性能及气热负荷的时序演变规律

针对脉冲爆震发动机涡轮部件对剧烈时变来流条件和爆震波的非定常响应问题，对脉冲爆震发动机典型工况下某单级 涡轮开展了3维非定常数值仿真，详细讨论了脉冲爆震环境对涡轮流通能力、作功能力、流动损失、温度分布及受力等关键气热特 征的影响。结果表明：爆震波在导叶上游的传播和反射会显著影响涡轮的瞬态流通特征，导致涡轮进口流动在正向和逆向间反复 变化；爆震波压缩作功使进口温度大幅升高，而导叶反射波则会使流体温度进一步升高，甚至超过来流温度的峰值；转静子叶片轴 向间隙内呈现复杂的爆震波干涉与反射结构，在此影响下所研究的涡轮转子来流攻角变化范围超过100°，从而引起涡轮流通能 力、流动结构及损失的剧烈时序变化；在爆震波的冲击下，涡轮导叶排瞬态轴向力超过涡轮稳态设计点的120倍，周向负荷超过稳 态设计点的40倍，涡轮动叶轴向力和周向负荷则可达到稳态设计点的6~7倍，给涡轮结构强度造成极大的影响；爆震波和反射波 对工质的压缩作功可使导叶表面流体的最高瞬态温度达到导叶表面流体周期平均温度的3.5倍以上，动叶的也可达到2.8倍以上， 使叶片冷却的难度增大，且可能引发严重的烧蚀问题。     

燃烧室涡轮交互作用尺度自适应模拟

为了揭示燃烧室涡轮交互作用机理,采用尺度自适应模拟方法对某航空发动机燃烧室和燃气涡轮开展了跨部件联合数值模拟研究,分析了燃气涡轮导叶对燃烧室内部流场和温度场的影响、燃烧室出口速度分布和热斑对涡轮气动和传热的影响。结果表明:尺度自适应模拟方法在预测燃烧室和燃气涡轮部件性能方面具有较高精度,并能有效捕捉燃烧室及涡轮流道中的复杂涡系结构。同时,涡轮对燃烧室内部速度场的影响一直可以回溯至导叶上游0.3倍弦长的距离,燃烧室出口速度分布对涡轮内部流动、热斑对燃气涡轮导叶及动叶绝热壁温均有较大影响。      

某涡喷发动机涡轮导向器的热应力分析

应用有限元方法建立了某涡轮喷气发动机涡轮导向器有限元计算模型,根据实测的温度边界条件计算了涡轮导向器温度分布,在此基础上对涡轮导向器进行了热应力分析。其结果为涡轮导向器叶片设计改进提供了依据。     

高压涡轮主动间隙热控制系统机匣传热特性试验

设计了实际尺寸高压涡轮（HPT）主动间隙控制（ACC）系统机匣组件试验件,模拟ACC系统在高温、高压条件下的工作状态,研究了HPT机匣的温度分布规律,以及机匣温度随冷气雷诺数的响应特性,验证了供气总管及冲击冷却管的流动特性。结果显示:供气总管压力分布均匀,冲击冷却管从进气端至封闭末端的沿程压力逐渐升高,但管内压力随冲击冷却管开孔面积比的增大而接近一致;当ACC系统不工作和工作时,机匣周向单点温度与平均温度最大相对偏差分别为48%和58%;而在ACC系统工作时,随冷气雷诺数的变大,涡轮外机匣温度能显著降低,试验工况中,机匣各冷却部位平均温度的降幅可达16%～37%,达到预期效果。基于试验测试数据,验证并改进了HPT机匣组件换热分析模型,该模型具有较高精度和良好适用性。      

带冠和冷却小孔涡轮叶片振动特性分析

某发动机第一级涡轮叶片是带有矩形冠和9小孔冷却涡轮叶片,为分析该级叶片振动特性,建立了有限元模型,分析了小孔、均匀温度场和非均匀温度场下、叶冠边界条件等对振动特性的影响。同时,依据共振疲劳损伤寿命理论确定叶冠的最佳间隙值,来增加使用寿命。计算结果表明:在无真实的温度场时,考虑工作时的平均温度是有效的工程处理方法;小孔对叶片振动特性的影响是较微弱的。      

脉冲爆震燃烧室管壁冲击冷却效果的数值研究

根据实验测量的脉冲爆震燃烧室壁温沿程分布,推算出符合脉冲爆震燃烧室特定频率下的准稳态热流阶梯分布;在此基础上,针对叉排阵列射流冲击冷却的脉冲爆震燃烧室壁面温度分布进行了数值计算.研究表明,由于冷却气流通道端壁效应的影响,靠近爆震燃烧室尾部的射流孔的冲击射流速度较大,热流最大的燃烧室尾部管壁的温度可以得到有效的降低,而燃烧室中部的射流由于受到前排射流形成的横流影响,对管壁的冲击冷却效果较弱,使得壁面温度的峰值向中部转移.在相同的环形冷却通道进口雷诺数下,阵列射流孔宜布置在脉冲爆震燃烧室中部,射流冲击间距比Z_n/d=1.5时,管壁的峰值温度最低而且整体的平均温度最小,较小的冲击孔直径对应的冲击冷却效果较好.      

带有加强肋的涡轮机匣排孔冲击连腔结构内部换热特性研究

为获得涡轮机匣内部表面换热系数分布数据,以带有加强肋的排孔冲击连腔结构为对象进行了瞬态液晶实验。研究了不同射流雷诺数（Re=5.1×10³~1.1×10⁴）、冲击间距比（2.5,5.0,7.5）及轴向间距比（4.0,9.0,14.0）对靶面努塞尔数的影响规律。实验结果表明：增大射流雷诺数对靶面平均努塞尔数的提升最显著。随着冲击间距比的增大,靶面平均努塞尔数逐渐减小,但这种换热削弱效果局限在距冲击驻点2D~3D（D为冲击孔直径）范围内,其它区域的变化很小。在靠近前后端壁的局部区域,表面努塞尔数随冲击间距比的增大而增大。轴向间距比的改变不会影响无出流孔靶面的换热情况,对于有出流孔靶面而言,轴向间距比为9.0的结构换热效果最好。Re=5.1×10³条件下,轴向间距比为9.0结构在有出流孔靶面上的平均努塞尔数相比4.0和14.0结构分别增大了5.7%和8.1%,并且随雷诺数增大,增幅越大。     

通道高度对受限长通道流动特性的影响

为更好地掌握涡轮叶片错排射流冲击受限长通道内的流动结构,了解横流对射流作用的影响,获取沿流动方向通道内的流动特性,对包含12个射流孔和1个出流孔的受限通道流场进行了详细的测量,着重研究受限通道和出流孔内的流动特性,同时获得沿通道密流比、侧壁静压以及孔流量系数的变化规律。实验结果表明:通道高度主导着通道和出流孔内的流动特性,但其影响随着通道高度的进一步增加而减弱;通道高度的增加削弱了横流强度,但也增加了射流流程,使其在下游位置无法对靶面形成有效冲击;随通道高度的增加,沿通道流量分配趋于均匀,密流比呈线性分布,沿程压降趋缓,出流孔流量系数提高。     

射流冲击换热系数的高精度热色液晶测试

采用高精度热色液晶测试技术对阵列射流冲击的冷却表面局部换热系数分布进行试验研究。研究了射流冲击间距、射流孔排列方式和初始横流等因素对换热特性的影响。热图像真实地反映出每一股射流的冲击冷却局部换热特征。热色液晶用于换热系数分布的定性和定量测试是非常有效的。     

阵列射流冲击冷却局部对流换热特性的数值计算与实验研究

运用数值计算的方法对具有初始横流的阵列射流在不同的排列方式、不同的冲击间距和不同的横流/射流质量流量比下的流动换热进行了三维数值研究,并采用热色液晶测试技术对阵列射流冲击的冷却表面温度分布进行了试验研究,获得了每一股射流的冲击冷却局部对流换热系数分布的特征。研究结果表明本文的计算结果与实验特征是基本吻合的。     

狭缝间距变化对冲击-多斜孔壁换热特性影响的数值与试验研究

数值研究了冲击-多斜孔壁复合冷却方式中,狭缝间距在1D* ~4D*(D*为当量直径)范围内变化时对换热特性的影响,并通过试验研究证明了数值模拟结果的正确性.研究发现,狭缝间距变化,使得冲击射流的发展以及狭缝内的气流抽吸、涡旋的形成受到不同程度的影响,换热效果随着间距的增大先增大后减小.研究还发现,流体微团在狭缝中的流动以平动形式为主,在多斜孔和冲击孔孔内以及邻近区域表现为明显的转动特征.微团转动的增强提高了换热效果.      

冲击凹柱面靶板的流场结构实验

采用烟线法研究了冲击凹柱面靶板的流场结构。研究中改变冲击雷诺数Re,冲击距-冲击孔直径比H/d以及冲击靶面相对曲率d/D等参数,利用数码摄像机拍摄流场结构随这些参数的变化规律。研究结果表明:上述参数均影响了冲击凹柱面靶板的流场结构,而且影响规律表现出较强的关联性。实验中,随冲击雷诺数Re的增加或冲击距-冲击孔直径比H/d的减小,在冲击滞止区域两侧形成的稳定旋流结构与冲击靶板分离处的圆心角增大,分离推迟;同时在实验中发现冲击靶板的曲率半径和冲击导管直径之间存在一定的匹配关系(d/D)使流体沿壁面运动的距离最长。     

基于高压涡轮叶片寿命损耗的航空发动机功率控制

提出了基于高压涡轮（HPT）叶片寿命损耗计算的功率控制策略.通过飞机和发动机模型在不同环境条件下进行飞行任务仿真,得到推力需求及HPT叶片温度等参数,采用逆向工程方法进行HPT叶片寿命损耗计算.结果表明:在满足推力需求的同时,采用降低HPT叶片温度的控制策略能明显减少在不同环境条件下HPT叶片寿命损耗.通过不断调整发动机高压涡轮环境温度使之工作在推力需求基线附近,达到了有效延长发动机寿命的目的,验证了高压涡轮叶片寿命损耗计算方法简单可行.表明基于HPT叶片寿命损耗的发动机功率控制降低发动机寿命周期成本的有效性.