低压涡轮的气动-声学三维数值优化: 倾斜导叶策略

 低压涡轮既是飞机进场着陆时发动机的重要声源,也是发动机中对效率要求很高的部件之一,为了实现低压涡轮低噪声的设计目标必须同时兼顾气动性能指标。研究给出了高效低噪声低压涡轮气动-声学三维优化的思路,即首先通过计算流体力学(CFD)定常计算评估三维设计变化对气动性能的影响;然后利用非定常CFD方法与三平面压力模态匹配(TPP)方法的结合来评估其降噪的效果与非定常气动影响;最后确定最佳的设计方案。以GE-E³(Energy Efficient Engine)低压涡轮末级为算例,数值模拟了导叶倾斜作为低压涡轮降噪措施的潜力。计算结果表明,正倾斜导叶角度小于19°时单级涡轮气动性能较直列叶栅要好,效率最大提高了0.3%。对单音噪声级的评估指出,正倾斜由于改变了导叶的尾迹特征,涡轮级噪声水平是增大的,因此不能作为有效的降噪策略。数值研究的结果表明CFD方法能够同时反映出叶片三维设计的细节变化对气动和噪声级的影响,可以作为三维气动-声学优化的手段。     

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。     

1+3/2无导叶对转涡轮设计特点分析

无导叶对转涡轮的结构形式是减轻发动机质量、提高发动机推重比的有效技术途径之一。以现有1＋2对转涡轮为平台,在保持总体性能参数不变的前提下,进行了1＋3／2无导叶对转涡轮初步设计,并对无导叶对转涡轮的设计特点进行了分析。研究结果表明,1＋3／2无导叶对转涡轮设计中必须以合适的高压涡轮为基础;其低压涡轮特性与常规涡轮的基本一致,第1级低压涡轮转子叶片在各工作状态下效率水平均较高。     

大涵道比发动机多级低压涡轮气动设计

基于大涵道比航空发动机多级低压涡轮设计研究,分析了大涵道比发动机多级低压涡轮气动设计特点和主要设计参数的设计选取原则以及发展趋势,研究了过渡流道设计参数的选取标准、过渡流道优化设计方法以及对多级低压涡轮子午流道设计与功率分配方法,综合分析了多级低压涡轮功率分配需要考虑的各项因素,并探讨了高升力涡轮叶型设计方法。研究表明:过渡流道方案设计可以采用长高比及当量扩张角作为初步选取标准;多级低压涡轮功率分配要综合考虑不同工况性能及气动设计参数;完成设计的大转折角后加载叶型能够有效地控制涡轮叶栅内的流动损失。     

大涵道比发动机多级低压涡轮试验技术研究

涡轮试验是检验涡轮性能是否达标的重要过程。基于某全尺寸涡轮试验器、现有涡轮试验方法和试验规范,通过对试验器进行适当设备改造,结合试验涡轮的进出口压力、温度、流量和功率等参数的耦合关系,形成针对大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮性能试验状态评估、过程控制和数据分析方法,并通过国内某型大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮试验进行验证。试验结果表明:基于试验参数耦合关系的试验状态评估、过程控制和数据分析方法有效,填补了国内大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮试验方法和试验数据的空白,同时,该型发动机低压涡轮的效率达到设计指标,处于国内先进水平,所述方法可为国内后续多级低压涡轮试验提供参考。     

带混排涡轮级间燃烧的涡扇发动机循环参数

涡轮混排燃烧室ITB(Inter-stage Turbine Burner)作为次燃烧室位于高压涡轮与低压涡轮之间。文章通过建立ITB混排涡扇发动机的设计点热力计算的数学模型,进而分析主要工作过程参数,如风扇压比、压气机压比、高压涡轮进口温度、ITB出口温度(低压涡轮进口温度)的选取范围及原则;并且对带有ITB与普通的混排涡扇发动机在不同的设计马赫数下进行比较分析。文章的结果有利于混排ITB涡扇发动机各个部件的设计参数选取,进而对于混排ITB涡扇发动机的发展、分析、优化提供有利的指导方向。     

1+1/2级超跨声对转涡轮气动性能试验及分析

对转涡轮是高性能航空发动机的关键技术之一。采用试验方法对某1+1/2级超跨声对转涡轮气动性能进行了研究与分析。针对试验中涡轮级间难以布置测点的问题,提出了基于特性反推的分步试验方法,然后对超跨声对转涡轮运行特性进行了详细分析。研究结果表明,该超跨声高压涡轮流量特性几乎不随膨胀比变化,而效率特性变化较大;高、低压涡轮喉道面积比在涡轮膨胀比分配中起到重要作用,该值低于设计状态时,总膨胀比满足设计要求下,高压涡轮膨胀比增大,低压涡轮膨胀比减小;高压涡轮出口气流角对低压涡轮运行特性影响显著。     

小型涡扇发动机涡轮气动设计研究

针对小型发动机任务及涡轮部件的工作环境,详细分析了小型发动机涡轮部件内部流动特点,探讨了小型发动机涡轮的气动设计思路和方法,并在此基础上完成了某1 000 daN推力量级的小型涡扇发动机高/低压涡轮部件的气动方案设计,三维黏性数值模拟结果表明,所设计的高/低压涡轮均达到了发动机总体方案的要求且具有较高的气动效率.      

基于反问题的涡轮过渡流道一体化支板设计方法

为进一步改善大涵道比涡扇发动机气动性能及燃油经济性,降低其污染物排放,控制其重量与成本,提出了一种高效的高、低压涡轮过渡流道整流支板一体化设计理念,即对原型支板与第一级低压涡轮导叶进行初步正问题一体化设计,并基于气流角全三维粘性反问题进行进一步改型设计,使得在保证自身气动性能不降低的基础上,带一体化支板涡轮过渡流道能够与高、低压涡轮实现良好匹配。以某型发动机过渡流道为算例开展了一体化设计工作,并采用三维数值模拟方法进行了设计点、非设计点流场分析评估。结果表明,设计点工况下一体化支板出口气流角以及马赫数分布均与原型导叶出口一致,验证了一体化设计的有效性。同时,带一体化支板的过渡流道总压损失从原型流道的2.49%降低到了1.02%。而在非设计工况,带一体化支板的过渡流道气流分离明显减小,具有更宽的最佳工况范围。     

尾缘锯齿结构对低压涡轮动静干涉噪声的影响

为满足现代航空发动机"更紧凑的级间距、更高的经济性和更低的噪声"的设计目标,低压涡轮轴向间距设计得越来越小.然而,较小的轴向间距将严重影响涡轮的气动性能及动静干涉噪声,这对流动及噪声控制方法提出了更高的要求与挑战.为此,采用大涡模拟结合FW-H方程研究了不同轴向间距情况下,上游静叶尾缘采用短、长锯齿结构时,一级低压涡轮...     

航空涡扇发动机涡轮噪声适航性评估

通过对涡轮噪声产生机理和主要影响因素的分析研究,建立航空涡扇发动机涡轮噪声级评估模型，编写了涡轮噪声级适航评估软件,使用该软件对比模型评估噪声与涡轮静态实验噪声,验证了模型的正确性,并结合某型发动机静态实验噪声数据和飞机噪声适航规章,对该型涡轮不同阶段的噪声进行适航性评估.结果显示:涡轮噪声在该型发动机进近转速下对发动机总噪声贡献量大,为了使涡轮噪声不影响发动机适航认证,该型发动机低压涡轮叶片数应小于50或者大于100,低压涡轮叶片直径应该小于0.9m.      

涡扇发动机部件效率变化对共同工作的影响分析

以大涵道比涡扇发动机为研究对象,分析了风扇增压级、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮和燃烧室部件效率对涡扇发动机共同工作的影响。不同部件效率变化,不同的控制规律对部件的共同工作影响不同,有些参数变化方向相反。     

高温升燃烧室与双燃烧室发动机性能对比分析

采用一维定常计算方法,考虑各种部件效率的影响,在双燃烧室发动机总增压比为32,涡轮前总温为1900K时,与高温升燃烧室涡轮前总温为2400K时进行了总体性能对比,并指出了双燃烧室结构发动机2个燃烧室的热量分配方法.结果表明:温升同为1463K时,高温升燃烧室发动机比双燃烧室发动机单位推力高2.7%,耗油率低3.8%.双燃烧室结构发动机更有利克服超声速下的冲压损失, Ma大于1.5之后,增力比大于高温升燃烧室发动机.      

Matching mechanism analysis on an adaptive cycle engine

As a novel aero-engine concept, adaptive cycle aero-engines (ACEs) are attracting wide attention in the international aviation industry due to their potential superior task adaptability along a wide flight regime. However, this superior task adaptability can only be demonstrated through proper combined engine control schedule design. It has resulted in an urgent need to inves-tigate the effect of each variable geometry modulation on engine performance and stability. Thus, the aim of this paper is to predict and discuss the effect of each variable geometry modulation on the matching relationship between engine components as well as the overall engine performance at dif-ferent operating modes, on the basis of a newly developed nonlinear component-based ACE perfor-mance model. Results show that at all four working modes, turning down the high pressure compressor variable stator vane, the low pressure turbine variable nozzle, the nozzle throat area, and turning up the core-driven fan stage variable stator vane, the high pressure turbine variable nozzle can increase the thrust at the expense of a higher high pressure turbine inlet total tempera-ture. However, the influences of these adjustments on the trends of various engine components' working points and working lines as well as the ratio of the rotation speed difference are different from each other. The above results provide valuable guidance and advice for engine combined con-trol schedule design.     

遄达XWB发动机发展与设计特点

遄达XWB发动机是RR公司遄达系列发动机的第6个也是最新的型号。该发动机在风扇支承结构、带冠高压涡轮工作叶片与中压涡轮级数上突破了RR公司的传统设计,各部件采用了21世纪初开发和验证的一些新技术。通过概述遄达XWB发动机的发展背景和研制进展,重点分析了总体结构及各部件结构设计的特点,得出该发动机在性能、经济性、排放特性、噪声特性、维修成本等方面具有良好的综合性能。     

分开排气涡扇发动机的热力循环分析

基于燃气发生器的概念分析了分开排气涡扇发动机的效率划分。在此基础上，通过理论推导证明了分开排气涡扇发动机的最佳外涵风扇增压比的存在判据，及其单位推力、效率和耗油率极值的等价性。给出的判据可以作为实际分排涡扇发动机设计中的最佳外涵风扇增压比的选择依据。针对两型大涵道比分开排气涡扇发动机热力循环分析的结果表明:当外内涵排气速度的比值与风扇、低压涡轮效率的乘积相等时，发动机的总效率和单位推力最大，耗油率最低，从而证明了本文给出的效率划分和最佳外涵风扇增压比判据是合理的。      

基于MDO策略的民用航空发动机概念设计研究

以某型民用涡扇航空发动机概念设计为例，集成了总体方案（包括热力循环分析、质量评估、噪声评估、氮氧化物排放评估）、风扇（包括气动设计、强度分析）、低压涡轮（包括气动设计、强度分析）3个子系统，以设计点耗油率、整机质量、飞越状态总声功率级、进近状态总声功率级和燃烧室氮氧化物排放量为优化目标，进行了基于多目标的整机多学科设计优化（MDO）的研究。对比研究了单学科可行(IDF)、协作优化(CO)和不对称子空间优化 (ASO)3种典型的优化策略及其在整机MDO中的应用，探讨了整机 MDO的建模方法、子系统间数据传递及解耦方式。结果表明:3种策略优化效率相当，优化时间最大相差742s；CO策略与ASO策略在整机MDO应用中优化效果较好，综合评价指标分别降低了0.82%和0.86%。      

Research on the aerodynamics of intermediate turbine diffusers

Intermediate turbine diffusers represent the flow path between the high pressure and the low pressure turbine of a high-bypass ratio turbofan aero engine. Caused by the different rotational speeds of high and low pressure spool, these components have to diffuse and guide the flow safely to a larger diameter without disturbances or boundary layer separations. The large radial offset between in- and outlet of intermediate turbine diffusers leads to a pronounced S-shape. The trend for further increased bypass ratios will require more attention to this component since its shape influences the overall weight of engine and nacelle considerably. The complicated aerodynamics of these annular ducts has to be understood to realize short S-shaped diffuser designs. This article tries to review the flow evolution through intermediate turbine diffusers and discusses the influence of the different effects in a systematic way. Investigations by various researchers are presented and test turbine rigs for experiments under engine realistic duct inlet conditions are described. Special focus is laid on different measures for the designer to produce more aggressive diffuser layouts whilst keeping the losses low. The application of flow control, shape optimization and endwall contouring are promising actions to shorten the diffuser length and, furthermore, to gain an engine weight reduction. The paper ends with a discussion of new design concepts for turbine ducts as well as for future engine architectures. It can be concluded that intermediate turbine diffusers will become a key component for keeping the overall engine weight and fuel burn low.