涡轮3 维叶尖间隙对典型故障特征的响应特性分析

为了有效地克服传统叶尖间隙在航空发动机涡轮叶盘的健康监测中传递信息能力有限的不足,充分考虑了在航空发动机运行过程中涡轮叶片叶尖的3维特征,提出包含径向间隙、叶片叶尖端面轴向偏转角和周向偏转角在内的涡轮3维叶尖间隙的概念,并将3维叶尖间隙特征参量作为叶片故障信号载体,通过有限元方法分析了3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片典型裂纹故障的响应特性。结果表明:3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片尾缘裂纹的故障特征信息有良好的反映效果。     

热和离心力作用下高压涡轮转子的径向变形

热和离心力变化是引起燃气轮机高压涡轮叶顶间隙变化的重要因素,也是转子设计和强度计算中考虑的基本点之一.为了便于进一步研究叶顶间隙变化规律及对轮盘和叶片进行强度计算,本文建立了在热和离心力作用下燃气轮机高压涡轮转子的径向变形模型.定性分析和定量计算了不同工况下热和离心力分别对叶片、轮盘径向变形的影响,以及两者共同作用下的...     

高压涡轮间隙控制

现代航空燃气涡轮发动机的高压涡轮间隙对发动机效率即经济性和可靠性影响很大。高压涡轮间隙过大,漏气损失增大,发动机效率降低,供油量增加,使发动机高温,对发动机的寿命有不利影响;高压涡轮间隙过小,在大转速时可能使叶片折断,发动机失效。因此,高压涡轮的间隙大小对发动机高效、安全而可靠工作至关重要。本文以CFM56—3民用高涵道比涡扇发动机为例,分析高压涡轮间隙的控制方法以及对发动机性能的影响情况。     

考虑发动机性能退化的涡轮叶尖间隙预估方法研究

针对有主动间隙控制的某型高压涡轮,建立了考虑发动机退化的叶尖间隙预估模型,重点研究了发动机在长期使用、性能退化过程中涡轮前燃气温度和蠕变变形对叶尖间隙的影响。研究中,首先分析了间隙预测中发动机性能退化影响的引入方式,建立了对应的间隙预估流程。随后以某型发动机典型工作历程为对象,对比研究了传统间隙控制方案、考虑发动机性能退化影响两种条件下的涡轮叶尖间隙尺度变化规律,并据此开展了间隙控制策略的优化调整。研究中发现,由于发动机性能的退化,导致涡轮前燃气温度升高,使得机匣、轮盘和叶片的热变形量增大,其中在最大巡航阶段对机匣的影响最大,其伸长量达到了6.914mm,与未退化前相比增大了17%,同时由于发动机的长期使用,叶片和轮盘受蠕变变形影响,导致叶尖间隙的变化。研究结果表明,采用优化后的主动间隙控制方案,各个工况下的叶尖间隙值均控制在合理范围内,尤其在高温起飞阶段,与退化状态下的间隙值相比提高了53%,有效避免了叶片严重碰摩等故障发生。     

CFM56高压涡轮间隙的优化

由法国SNECMA公司和美国GEAE集团组成的CFM国际公司在CFM56发动机研制一开始就努力缩小单级高压涡轮叶片的叶尖间隙而又使其摩擦最小。各型CFM56发动机的验证试验表明,叶尖间隙增大对发动机性能不利。 现在,美国通用电气(GE)公司研制了一种小型不冷却的间隙测量装置,它可以在运转条件下测量高温环境下的高压涡轮叶片的叶尖间隙。该工具与新的分析技术相结合,导致CFM56发动机及其短舱的某些设计更改,通过机匣圆度与转子同心度的改善,发动机性能和性能保持能力得到提高。     

低速模拟技术在高压涡轮级中的应用

借鉴低速模拟技术在航空发动机高压压气机研究中的成功经验,探索了将其应用于高压涡轮部件时的气动设计方法,提出了一种改进的叶型重设计方法.以此方法为设计准则,选取E3发动机高压涡轮的第1级为原型高压涡轮,设计了与其相似的低速涡轮试验设备.在设计过程中保证了两者之间相等或相近的稠度、展弦比等结构参数,相近的效率、负荷系数、沿径向分布的效率和气流角等气动参数,以及类似的无量纲叶片表面等熵马赫数分布形式.数值模拟结果表明:由于低速涡轮设备的落压比、总温比等参数均与原型高压涡轮差别较大,压气机低速模拟中常用的流量系数、叶片表面压力分布等相似参数不再适用.按照给出的结构和气动相似参数所设计的低速涡轮模型达到设计要求,其能够反映出原型高压涡轮主要的气动参数变化趋势,能够作为涡轮内部气动热力学研究的试验载体.      

涡轮转子H形叶片叶尖间隙测量

叶尖间隙是燃气轮机中的一个重要性能参数和安全监测参数。现代燃气轮机中采用H形凹腔冷却涡轮叶片,该叶片具有单叶片双间隙的特点。利用电容式叶尖间隙测量系统,通过改进算法,实现了H形叶片的叶尖间隙测量,并成功应用于H形叶片涡轮级性能试验。试验录取了三种不同设计间隙下的实际叶尖间隙变化数据,分析了叶尖间隙与涡轮性能之间的关系,并对试验中的转子异常运动进行了成功监测。     

考虑主动间隙控制的涡轮叶尖间隙建模计算研究

建立了具有涡轮叶尖间隙计算功能的发动机实时模型并设计了主动间隙控制系统,以反映涡轮叶尖间隙控制对发动机动、静态性能的影响。提出以半无限平面瞬态热传导与多项式拟合相结合的方法,更准确计算发动机动态过程中变化的叶尖间隙;基于涡轮叶尖间隙的变化量和涡轮性能参数的关系实时修正当前涡轮性能参数,提高了常规发动机部件级模型的计算准确度,且涡轮叶尖间隙每减少0.25mm,涡轮效率提高1%,耗油率下降1%;在分析气冷式主动间隙控制系统的基础上,设计了一种可以控制叶尖间隙变化的机械式主动间隙控制系统,使动态过程中变化的叶尖间隙始终处于指令间隙。通过对发动机地面加速过渡过程和巡航减速过渡过程的仿真,验证了上述方案的有效性。     

航空发动机涡轮叶片径向变形的概率分析

为描述航空发动机涡轮叶片径向位移的变化规律,改善叶尖间隙设计和控制的合理性,考虑多种随机变量,融合有限元和响应面方法进行了叶片径向变形的概率分析。通过对涡轮叶片在典型载荷下的热分析和结构分析,计算出叶片变形随时间的变化规律,并找出最大位移点作为概率分析的计算点;在计算点处考虑热载荷和离心载荷作用,结合响应面拟合蒙特卡洛法计算出了危险点处的叶片径向变形的分布概率和符合设计要求的可靠度,并分析了影响间隙量的随机因素的灵敏度。结果表明:叶片径向变形量和安全变形概率基本符合设计要求;影响叶片径向位移变化的主要因素是温度、转速和质量。     

大涵道比涡扇发动机涡轮结构设计关键技术分析

针对大型运输机用大涵道比涡扇发动机的技术特点,分析了其涡轮结构设计中所采用的主动间隙控制、多级涡轮、高展弦比细长叶片结构设计的特殊要求,提出了提高可靠性和使用寿命的思路。     

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.      

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。      

Tip-leakage flow loss reduction in a two-stage turbine using axisymmetric-casing contouring

In order to reduce the losses caused by tip-leakage flow, axisymmetric contouring is applied to the casing of a two-stage unshrouded high pressure turbine（HPT） of aero-engine in this paper. This investigation focuses on the effects of contoured axisymmetric-casing on the blade tipleakage flow. While the size of tip clearance remains the same as the original design, the rotor casing and the blade tip are obtained with the same contoured arc shape. Numerical calculation results show that a promotion of 0.14% to the overall efficiency is achieved. Detailed analysis indicates that it reduces the entropy generation rate caused by the complex vortex structure in the rotor tip region, especially in the tip-leakage vortex. The low velocity region in the leading edge（LE） part of the tip gap is enlarged and the pressure side/tip junction separation bubble extends much further away from the leading edge in the clearance. So the blocking effect of pressure side/tip junction separation bubble on clearance flow prevents more flow on the tip pressure side from leaking to the suction side, which results in weaker leakage vortex and less associated losses.     

某型航空发动机高压涡轮叶顶间隙三维数值分析

利用有限元分析软件计算出了某型航空发动机高压涡轮叶顶间隙的时间历程变化.分析过程中考虑了温度、压力和转速的影响,并给出了施加边界条件的新方法.通过与前人的计算方法进行对比分析,得出了较为合理的结果:转速的影响是轮盘径向尺寸变化的主要因素,而温度是影响机匣和叶片的主要因素,叶顶间隙分别在慢车突然加速和反推力状态下出现最小值.      

Active generalized predictive control of turbine tip clearance for aero-engines

Active control of turbine blade tip clearance continues to be a concern in design and control of gas turbines. Ever increasing demands for improved efficiency and higher operating temperatures require more stringent tolerances on turbine tip clearance. In this paper, a turbine tip clearance control apparatus and a model of turbine tip clearance are proposed; an implicit active generalized predictive control （GPC）, with auto-regressive （AR） error modification and fuzzy adjustment on control horizon, is presented, as well as a quantitative analysis method of robust per- turbation radius of the system. The active clearance control （ACC） of aero-engine turbine tip clear- ance is evaluated in a lapse-rate take-off transient, along with the comparative and quantitative analysis of the stability and robustness of the active tip clearance control system. The results show that the resultant active tip clearance control system with the improved GPC has favorable steadystate and dynamic performance and benefits of increased efficiency, reduced specific fuel consump- tion, and additional service life.     

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.      

涡轮叶片叶顶间隙变化减敏研究

采用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了平顶和分别采用被动、主动以及复合间隙控制方法的凹槽顶、平顶喷气、凹槽顶喷气4种不同叶顶结构下涡轮性能对叶顶间隙变化的敏感性,分析了间隙变化对间隙流场结构及损失的影响,研究了涡轮性能随叶顶间隙变化的规律,并对采用不同间隙控制方法的叶顶结构所带来的效率收益对攻角变化敏感性进行了评估.结果表明:在不同间隙控制方法下叶顶泄漏涡强度随间隙的增加速度变缓,尤其在复合间隙控制方法下更为明显,从而使得在复合间隙控制方法下涡轮性能对间隙变化的敏感度最低;仅仅涡轮叶片前缘区域泄漏流动对攻角变化比较敏感,使得凹槽顶结构具有最佳的攻角变化适应性.