叶尖间隙对涡轮性能影响的试验研究

为了获取叶尖间隙对涡轮性能的影响规律,通过对某型发动机高压涡轮第1、2 级叶尖间隙的主动调控,进行叶尖间隙 对涡轮性能影响的试验研究。采用精密传感器对叶尖间隙进行测量,通过试验得到不同叶尖间隙下涡轮效率、换算流量、换算功以 及出口流场的变化数据。结果表明：第1、2 级叶尖间隙每增大1%,涡轮效率约降低0.58%～0.69%;存在1 个叶尖间隙变化对涡轮效 率影响较明显的敏感区;叶尖间隙变化对叶尖出口流场有明显影响。     

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。     

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。     

基于叶尖间隙测量的航空发动机转子振动预测

基于叶尖间隙测量,进行了航空发动机转子振动位移和轴心轨迹的预测方法研究,建立于叶尖间隙变化动态模型,对叶尖间隙变化进行了数值计算以及有限元仿真,并针对带机匣的转子试验器进行了试验研究。采用电涡流传感器对相互垂直的两个测点进行叶尖间隙测试;通过Hilbert-Huang变换对信号进行处理,提取其低频分量;再利用互相关分析方法提取出转频信号,并由转频分量绘制了轴心轨迹;与直接测得同截面转轴上的轴心轨迹相比,两者的吻合度达到90%以上,试验结果充分表明了研究方法的正确有效性,为通过叶尖间隙测试间接获取转子振动位移提供了有效的技术途径。      

航空发动机叶尖径向间隙研究进展综述

航空发动机叶尖径向间隙是影响其性能和结构安全性的重要因素。简述了航空发动机叶尖间隙研究的国内外发展现状,进而量化间隙对发动机性能的影响,摸清叶尖间隙随飞行里程的变化规律,总结出影响叶尖间隙的主要因素有热负荷、离心负荷、转子不平衡响应、转子热弯曲、机动载荷等,基于各影响因素认为,通过转、静子变形来综合计算分析稳态、瞬态间隙是目前发动机叶尖间隙主要分析方法。为数值分析发动机叶尖间隙打下技术基础。     

机匣转静刮磨后轴流压气机气动性能评估研究

为揭示机匣可磨耗涂层磨损造成的叶尖间隙和粗糙度变化对压气机气动性能的影响规律,针对不同刮磨形貌下Rotor 37转子性能进行了数值模拟研究。结果表明,压气机等熵效率和出口流量对刮磨间隙和粗糙度的变化较为敏感,降幅最高可达1.78%和0.83%,而压比变化不大;刮磨间隙深度增加,刮磨最深位置前移时,叶尖泄漏增强,泄漏流与上端壁附面层及主流相互作用演变为泄漏涡,与激波相互干涉,造成较大的叶尖损失;压气机气动性能受磨损区域粗糙度影响较小,虽然等熵效率对粗糙度变化较为敏感,但最大降幅也仅为0.38%。磨损区域粗糙度增加时,近壁区湍流波动加强且气流更易分离,引起叶尖泄漏流和叶片尾迹区域的流动结构变化,使压气机气动特性向低流量方向偏移。     

机动载荷对核心机叶尖间隙的影响初探

以典型航空发动机核心机为对象,研究模型简化方法,建立完整的计算模型,通过分析机动飞行过程中的主要载荷及作用方式,通过有限元数值模拟,得到机动载荷作用下叶尖径向间隙的变化规律,为研究间隙变化对发动机性能影响提供参考依据。分析发现:陀螺力矩和法向过载均使核心机产生明显的变形,陀螺力矩导致叶尖径向间隙相对变化量的平均值达-2.174,法向过载对叶尖径向间隙变化影响相对较弱,相对变化量的平均值达到-1.572。因此在研究叶尖径向间隙时,不能忽略机动载荷的作用效果。      

航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法

提出航空发动机叶尖径向间隙静电监测方法,分别对叶尖荷电在点电荷与电荷分布条件下的静电感应过程建立数学模型,得到感应电荷量与叶尖径向间隙值、叶尖周向位置及叶尖电荷分布的关系。设计并搭建叶尖径向间隙静电监测模拟实验台,提取时域特征参数并分析叶尖径向间隙值及叶尖局部曲率对静电水平的影响。数学模型计算结果表明:①感应电荷量与叶尖径向间隙及叶尖相对传感器的径向位置绝对值呈负相关;②感应电荷量与叶尖所带电荷量呈正相关,且与电荷密度分布有关;③感应电荷量与叶尖尺寸及传感器尺寸有关。实验结果表明静电信号方均根值和整流平均值与叶间径向间隙值呈负相关,与叶尖局部曲率呈正相关,其结果与理论模型相符。      

基于光谱共焦技术的叶尖间隙测量方法研究

基于光谱共焦测量技术搭建了叶尖间隙模拟测试平台,将模拟叶盘安装在气浮主轴上,并应用光谱共焦位移传感器实现了叶尖端面的位移变化量的测量,以表征叶尖间隙的变化,分别模拟了叶尖间隙的单次测量和连续测量过程.实验结果表明,应用光谱共焦位移传感器可以完成发动机转子叶尖间隙的测量,而且能够达到很高的测量效率和精度,可以应用于实际的测量现场.     

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

叶顶压力侧小翼对跨声速涡轮级气动性能影响的数值研究

为了研究涡轮叶顶间隙泄漏流动有效控制的方式,本文将肋条小翼结构这种被动流动控制技术应用于涡轮级动叶叶顶中,以控制跨声速涡轮级叶顶间隙泄漏流动并改善其气动性能。通过数值模拟方法,分析了采用平顶方案、肋条方案和小翼肋条方案的涡轮级气动性能和叶顶间隙流动特性,研究了变间隙条件下小翼肋条方案对间隙泄漏流的控制效果,深入探讨小翼最大偏置距离和外倾角对小翼控制效果的影响。结果表明：所采用的肋条小翼结构能够有效地控制叶顶间隙泄漏流动并提高涡轮级的效率;在间隙高度为1mm时,涡轮级效率的提升达到0.51%,叶顶间隙泄漏流率下降48.6%;此外,随着小翼外倾角的增加,涡轮级效率逐渐增加并存在一个最佳的向外偏置距离为1.2mm。     

温度与转速对涡轮叶尖径向间隙的影响

给出了考虑温度和转速影响的涡轮叶尖径向间隙的分析计算方法。用ＡＮＳＹＳ有限元软件计算出涡轮叶径向间隙的时间历程变化趋势,其中叶盘径向位移主要考虑温度和转速的影响,机匣径向位移主要考虑温度的影响。该分析计算方法为进一步开展涡轮叶尖径向间隙主动控制的研究奠定一定的基础。     

机动飞行下的涡轮叶尖间隙动态变化规律

在对涡轮叶尖间隙的变化机理进行初步分析的基础上,建立机匣、叶片和转子的简化模型,并重点研究了转子在飞行器机动飞行情况下的振动幅值对叶尖间隙的影响.结果表明:高压涡轮叶尖间隙动态变化范围约为0.44mm到1.45mm,同时飞行器均加速导致的转子振动会引起间隙局部增大或减小,俯仰机动和水平盘旋机动飞行都会使得间隙动态变化的非线性明显增强.      

多腔室凹槽对涡轮叶顶流动传热特性影响的数值研究

现代航空发动机为获得更大输出功率和推重比,涡轮进口温度不断提高,因此高温燃气在无围带动叶叶顶间隙的泄漏引起叶顶热负荷急剧增加,甚至导致叶片烧蚀、失效,严重影响涡轮运行安全。为降低叶顶热负荷,抑制泄漏流,本文以GE-E3第一级叶栅为研究对象,通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS）方程和湍流模型研究了多腔室凹槽对叶顶流动传热性能的影响。研究结果表明:在多腔室凹槽中,叶顶换热系数随着叶顶空腔数量的增加而逐渐减小,凹槽腔室内刮削涡可有效降低泄漏流量。格栅结构在凹槽中起到“气动篦齿”作用,在0至20%的流向区域内泄漏流控制效果显著。Case7的叶顶换热系数最小,比Case1降低了40.44％;Case2和Case3可显著抑制叶顶泄漏量,与Case1相比分别降低了33.82％、28.90％。     

叶顶间隙偏差对叶片气动性能影响的不确定性研究

在压气机叶片加工过程中，实际加工得到的叶片外形与设计叶型不可避免会存在一些偏差。为研究叶片叶顶间隙尺寸波动对性能的影响，以Rotor37为研究对象，采用三维定常数值模拟方法，基于非嵌入式混沌多项式中二维正态分布变量产生方法，分别对叶片前缘叶顶间隙和尾缘叶顶间隙进行尺寸波动干扰，研究了叶顶间隙不确定性对气动性能和流场的不确定性影响，评估了公差带内叶顶间隙偏差与气动性能变化的相关性，并探究了叶顶间隙变化对叶片稳定裕度的影响机理。研究发现，叶顶间隙偏差对等背压条件下叶片质量流量、等熵效率和总压比的平均水平几乎不会造成影响；叶顶间隙偏差所造成的气动性能分布标准差随工况点向不稳定边界的逼近而逐渐增大。同时，叶顶间隙不确定性会导致样本稳定裕度均值有所降低，不确定性分析中稳定裕度均值相对原型叶片下降了2.42%。流场结构方面，叶顶间隙偏差主要影响80%叶高以上部分流场；叶顶间隙偏差对叶顶区域泄漏流产生的影响，导致了叶片稳定裕度的变化。     

高压涡轮冷却叶片叶顶结构气动与传热

开展了叶顶结构及间隙变化对高压涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的研究,建立了四种不同叶顶结构的涡轮冷却叶片几何与数值分析模型,进行了高精度流热固耦合分析,得到了不同叶顶结构及间隙对涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的数值分析结果。结果表明:不带射流孔叶片随着叶顶间隙的增大,总压损失增加;由于近壁面处存在的涡流,凹槽叶顶结构能够减少叶顶燃气泄漏,阻碍叶顶平面高温燃气的流动与热交换;叶顶射流孔冷却效果明显,能够大幅度降低叶顶平面温度。在相同叶顶间隙下,凹槽射流叶片具有最高的气动性能。     

叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响

为了分析叶尖间隙对压气机气动阻尼的影响,基于相位延迟边界条件,建立了跨声速转子的气动阻尼计算模型,研究叶尖间隙对其流场及气动阻尼的影响。计算该转子在设计间隙条件下的气动性能、叶片模态以及颤振边界,和实验数据吻合较好,比较不同叶尖间隙(1.6%,3.2%,5.0%叶尖弦长)的转子气动性能,发现间隙增加使转子效率和压比均有显著的下降;对叶片表面非定常压力研究表明,叶片非定常压力对叶片振动的响应具有强三维特性,同时叶片间相位角(IBPA)和叶尖间隙流对其有显著的影响,由于叶尖间隙增加使叶尖流动的影响加强,导致叶尖区域由于振动造成的一阶谐波压力幅值相对减小,大间隙趋于恶化压力面的稳定性而对吸力面的影响在不同的叶片间相位角时不同;对于气动阻尼,在不同的叶片间相位角区域,叶尖间隙对其影响有显著的差异,甚至会产生截然相反的规律,特别是在设计状态,对于该转子,大间隙提高了叶片最不稳定状态的气动阻尼。     

一种减小涡轮叶尖泄漏流的方法

提出了一种叶尖逆向涡流发生器减小叶尖泄漏流的方法,利用压力面和叶顶面的压力差,将气流从压力面引入,从叶顶面逆着叶尖泄漏流方向高速射出减小叶尖泄漏流.对某典型毫米尺度涡轮叶栅进行了有/无逆向涡流发生器流场的数值对比分析,分析了不同进口条件下逆向涡流发生器对叶尖泄漏流和周向载荷的影响.结果发现:在典型进口条件下,逆向涡流发...