叶型尺寸比例变化对预测涡轮气动性能和气动力的影响（英文）

以某火箭发动机涡轮为对象,研究了动静叶叶型尺寸比例变化技术对预测涡轮气动性能和非定常气动力的影响。该涡轮为一级轴流涡轮,含18个静叶和32个动叶。针对不同比例系数变化的结构进行了三维定常和非定常数值模拟,以原始结构作为基准算例进行对比分析。结果表明,动静叶比例变化对定常和非定常时均叶片压力和性能预测影响很小,尺寸变化超过10%时,预测偏差不到2%。对时域上的非定常压力和气动力进行快速傅立叶变换(FFT)得到频域特性。分析表明,比例变化对频率特性的预测几乎没有影响,而对幅值特性影响很大,预测的幅值偏差与变化比例大小没有直接关系,但是尺寸变化较小的情况确实显示出相对稳定且较小的预测偏差。     

轨控喷流干扰气动—运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学（CFD）/刚体动力学（RBD）耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数（马赫数,攻角等）变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

旋转导弹广义马格努斯动力学建模

针对传统基于理论计算、工程估算及大量飞行试验迭代辨识建立的动力学模型无法实现旋转导弹交叉耦合效应定量表征的问题,基于非定常CFD计算结果并结合傅里叶系数展开法,对广义Magnus效应建模进行了研究。基于参数辨识理论,用一周等效法建立旋转导弹的交叉耦合力和力矩的周期描述;基于频谱分析方法,将非定常计算的实时计算结果用傅里叶级数法叠加至Magnus力与力矩的周期描述中,形成沿时间轴展开的结果;将建立的力和力矩描述代入六自由度刚体运动学和动力学模型,构建完整的交叉耦合动力学模型。仿真计算发现:广义Magnus力会提高导弹的稳定性;广义Magnus力矩会降低导弹的稳定性甚至导致螺旋的锥形运动,当该力矩达到导弹主力矩7%时导弹处于临界稳定。该结论可用于驾驶仪设计以避免导弹出现锥形失稳,在工程中有重要指导意义。     

诱导轮旋转汽蚀数值模拟

旋转汽蚀是诱导轮汽蚀不稳定现象中常见的一种,可导致叶片承受循环载荷,引发轴振动,对涡轮泵工作的可靠性造成威胁.本文对一个3叶片诱导轮进行了考虑汽蚀的定常和非定常流动计算,在特定的汽蚀数范围内,在非定常流动计算结果中观察到了旋转汽蚀现象.然后,对一典型计算结果,分析了旋转汽蚀发生时叶片气穴尺寸以及攻角随时间的变化情况.结果表明,叶片上的气穴尺寸与下游相邻叶片的攻角的变化趋势大致相同,但是在气穴尺寸的最大值点附近的变化趋势相反.此外,在叶片气穴尺寸的一个变化周期内,气穴尺寸的变化率与其攻角的变化趋势不完全吻合.     

某型超音速冲击式氧涡轮叶型气动优化

使用NUMECA软件对某型超音速两级冲击式涡轮进行了全三维定常湍流流场计算,分析了计算结果。以此为基础,通过修改叶型得到性能较高的涡轮叶型设计,并对比了优化前后涡轮内部流场。以三维计算结果为基础,分析涡轮内部流动损失,在保证氧涡轮原有机械结构不做大的改变、输入条件不变的情况下,对涡轮叶型进行优化研究。以叶型参数为变量,以总静效率(在总总效率的基础上考虑余速损失而得)为目标函数,通过反复修改各个叶型参数,然后对每次修改过的叶片进行三维计算,通过比较涡轮总静效率大小判断叶型优劣。通过优化,获得了效率更高、做功能力更强的涡轮叶型。研究成果对工程研制有一定的指导意义,总结的涡轮气动设计及优化方法,对涡轮的设计具有借鉴作用。     

火箭发动机部分进气涡轮设计与流动分析

根据某型液体火箭发动机总体性能及结构要求,采用一维方法设计了部分进气、圆锥形喷嘴、单级超声速冲击式涡轮。基于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对涡轮内部流场进行全三维粘性定常仿真计算及分析,并研究了不同转子叶栅通道面积变化方式对涡轮性能的影响。结果表明:部分进气涡轮内部流动流线不规则、存在较多漩涡流动、转子叶栅激波复杂、叶片通道内分离较为严重;喷嘴通道和转子叶栅通道内总压损失均在20%以上,其中转子叶栅通道损失更大;不同转子叶栅通道面积的变化方式对涡轮总体性能影响基本不大,但收缩-扩张型通道可降低流速,缓解气流分离,对降低叶片温差应力有一定帮助。     

基于导叶端弯的小展弦比燃气涡轮优化设计

以某型火箭发动机用亚声速小展弦比燃气涡轮为研究对象,为进一步改善涡轮内部流场,提高了涡轮效率,通过调整导叶子午端壁型线曲率、采用导叶端弯的设计方法对涡轮进行了优化设计,其作用在于减小叶片通道二次流损失,并将导叶出口压力分布进行调整,从而减小叶顶泄漏损失。基于六面体网格,采用CFX流场分析软件对优化前后结构进行了数值计算,结果表明:优化后单通道无叶顶间隙模型涡轮效率提高1.4%;采用正弯设计后,轮毂和叶顶处绝对和相对气流角显著增大,叶片中部气流角有所减小,整体分布更加均匀,消除了原型结构动叶轮毂区的流动分离;优化后全通道模型围带间隙前后压差明显降低,泄漏量从7%降低至4.75%,涡轮效率提高5.9%。     

亚声速部分进气涡轮数值模拟及优化设计

基于SST湍流模型,通过求解雷诺平均的Navier-Stokes方程组,对某亚声速、部分进气形式涡轮全流场进行三维粘性定常仿真计算。共计算了4种模型,分别包含不同的损失通道,获取了涡轮部件各通道的具体损失量值。计算结果表明:原涡轮叶片通道损失、泄漏损失、部分进气损失基本处于较低水平。涡轮进排气结构性能差,内部流动混乱,存在大量分离涡,对涡轮效率影响很大,具有较大提升空间。通过涡轮进气和排气结构的优化改进,采用切向进气和切向排气的变截面蜗壳形式结构,三维仿真结果表明:优化后涡轮部件效率从0. 675提高至0. 706,增加了4. 59%,且涡轮轴向尺寸大幅度缩减。     

超音速复速级涡轮的气动设计改进

采用数值模拟方法对某液体火箭发动机超音速复速级涡轮进行了流场分析。根据分析结果对两列动叶的叶型进行了改进设计：第一列动叶栅的改进采用自由旋流法,通过等通道的叶栅流道设计,减弱了激波对附面层的干扰,有效抑制了流道内的流动分离;第二列动叶栅的改进采用参数化叶片造型法,型线用具有局部修改能力和保凸性较好的Bezier曲线表示,通过减小入口攻角降低了分离损失。数值模拟结果表明,改进后的复速级涡轮内部流动特性改善显著,分离损失明显减小,效率提高了5％以上。     

翼身组合弹箭马格努斯效应数值模拟研究

为研究翼身组合弹箭马格努斯特性及产生机理,采用完全时间相关的非定常N-S方程,对带翼弹箭在高速旋转状态下的绕流场进行数值模拟,得到马格努斯力和力矩系数随攻角变化的规律,所得结果与阿诺德工程发展中心（AEDC）试验及陆军研究实验室（ARL）计算结果吻合很好。分析表明压力差是产生马格努斯力的主因,切应力产生的马格努斯力只占压力产生马格努斯力的1%;弹身马格努斯力除α40°外皆为负,舵马格努斯力始终为正;α5°~30°每个舵的马格努斯力不是正弦变化规律,但合力呈现正弦变化规律。     

某型液体火箭发动机部分进气涡轮盘振动分析及改型设计

针对某液体火箭发动机部分进气自由叶片涡轮盘多次试车后在叶片型线根部和背弧出现疲劳裂纹的问题,采用三维弹塑性有限元法,考虑部分进气产生的Kick效应,计算了涡轮盘的静强度,得到了部分进气作用下叶片的静弯应力;考虑多场环境引起的预应力影响,计算了涡轮盘的模态,获得了涡轮盘固有频率和主振型;采用全环模型,计算了部分进气作用下涡轮盘的动态响应和动应力。在裂纹原因分析的基础上,对涡轮盘进行改型,在叶片顶部增加了围带,并对带围带涡轮盘进行了计算分析。结果表明：加围带后,涡轮盘叶片气流静应力下降了50■;气流力作用下的叶片动弯应力下降了65■;叶片之间以及叶片和轮盘之间耦合作用明显增强,涡轮盘固有振动模式发生转变,避免了叶片在共振频率附近发生的强迫振动;改型后显著降低了涡轮盘静应力及动弯应力,降低了出现裂纹的风险。     

静子叶片表面状态对涡轮性能影响的研究

涡轮静子蜡模成型工艺的改变,导致静子叶片表面状态有很大不同。在分析具体快速成型工艺原理的基础上,利用均匀B样条曲线构造不同表面状态的叶片型线,并进行内部流场数值模拟。结果表明,叶片表面越光滑,涡轮性能越接近理想设计状态。吸力面表面状态对涡轮性能的影响更明显,随吸力面光滑程度的增加涡轮效率和流通面积分别增大12%和3%。     

诱导轮超同步旋转空化传播机理

为了揭示超同步旋转空化的传播机理,对二维平板叶栅内部非定常空化流动进行数值模拟研究,叶栅的几何参数和模拟工况均来自真实诱导轮试验结果。结果 表明:仿真预测的叶栅空化断裂点与试验结果接近,随空化数下降空化区的演变规律与试验结果一致。在一定的空化数范围出现传播频率比为1.1～1.4的旋转空化现象,对流场细节的深入分析发现空...     

冲击式涡轮内部流动数值研究

利用商业计算流体力学软件Numeca对某冲击式涡轮在不同工况下的内流场进行了定常流动数值模拟,分析了涡轮的气动参数、流量及效率等的变化规律。分析表明,冲击式涡轮内部流场非常复杂,涡轮静子出口马赫数较高,相应的激波损失较大,从而涡轮转子的激波损失也较大,造成气流在靠近尾缘部分分离严重,这是冲击式涡轮追求低出口速度低反力度造成的。计算表明,模拟计算结果与试验结果较为吻合。     

用于定常二维跨声速喷管流动分析的N—S解程序

本文介绍了用于分析平面和轴对称定常跨声速喷管流动的有效的Navier—Stokes解算法。本法是利用跳格数值算法在物理上取的坐标中求解守衡型非定常可压缩N—S方程。分析了几种定常跨声速粘性喷管层流,给出了计算结果,并与实验结果进行比较,证实了数值方法的精度和效率。     

板式贮箱内部流动的定常和非定常数值模拟

为了研究微重力环境下板式表面张力贮箱的内部流动规律,对板式贮箱导流板的驱动机理进行了分析,得到了微重力环境下板式贮箱内部定常和非定常流动的基本方程。应用四阶龙格-库塔法对定常流动方程进行求解,得到定常流动时导流板上液带的分布规律;应用MacCormack数值离散方法,对非定常流动方程进行求解,得到了不同时刻导流板上液带的分布规律及液带恢复稳定所需的时间。计算结果为板式贮箱的设计提供了数值依据,奠定了板式贮箱的设计基础。     

基于流固耦合的部分进气涡轮数值模拟研究

发展了三维线性插值算法用于CSD/CFD耦合计算数据交换,对某型液体火箭发动机部分进气涡轮进行了气/热/固多学科耦合数值仿真。结果表明,发展的三维线性插值程序对网格类型限制性小,计算简单,计算量小,插值结果能够满足耦合计算要求。仿真结果表明,某型火箭发动机涡轮由于其部分进气结构设计和叶轮高速旋转,设计工况下在涡轮转子入口处产生了较强的激波,激波与边界层干涉不仅使涡轮转子叶片的载荷分布出现了强烈的不均匀性,同时在叶轮的高速旋转下,该涡轮转子受到强烈的气动、热交变力冲击,其结构强度问题变得尤为突出。耦合计算分析认为设计工况下,该型涡轮结构设计,转子强度能够满足要求。     

低比转速高速泵螺壳形式对性能影响分析

利用流体计算软件CFX,分别对低比转速蜗壳与环形流道离心泵的流场进行了不同工况下三维定常湍流数值模拟,并进行了试验验证。水力性能计算结果与试验偏差小,数值仿真方法是合理有效的。通过对2种泵内部流场特性的比较分析,得到了其流动机理,蜗壳流道离心泵的蜗壳出口流道对应流体的撞击所产生的回流与漩涡明显,压力与相对速度分布与其他流道差别较大,是水力损失的主要原因;2种离心泵在距离入口较远处的叶片压力与相对速度分布基本一致。最后通过对蜗壳流道离心泵取不同的喉部面积在设计工况下进行数值模拟,进行了优化设计。结果表明:当喉部面积为蜗壳第八断面的1.1倍时,泵性能最佳。     

火箭发动机涡轮典型结构形式对叶片低周疲劳寿命的影响研究

以某火箭发动机涡轮为对象,研究了涡轮叶片带冠、不带冠、带部分冠及叶片空心等典型结构形式对叶片低周疲劳寿命的影响。结果表明:叶片不带冠可以消除叶片顶部的疲劳损伤,但使叶背根部损伤增大,危险点位于叶背根部,叶片寿命与带冠叶片相当;带部分冠叶片在消除叶顶疲劳损伤的同时,还可以减缓叶背根部的低周疲劳,危险点位于前缘根部,寿命比原叶片高约116%;叶片空心结构可以有效降低叶片的应力应变水平,减缓叶片疲劳的效果最好,空心叶片危险点位于前缘根部,寿命比原叶片高约370%。     

涡轮性能实验研究

对液体火箭发动机主涡轮的性能试验进行了介绍。主要包括涡轮性能吹风试验系统的配置、模拟试验参数的选择、性能换算方法的确定和试验数据的处理方法。同时对热试车后涡轮性能的计算也作了介绍,并将热试结果与模拟试验结果进行了对比,肯定了模拟试验的正确性。最后就实际应用中的一些问题进行了分析。