涡轮叶尖热主动间隙控制系统布局分析

涡轮叶尖间隙控制系统是现代军、民用大涵道比航空发动机普遍采用的提高发动机性能的重要系统之一。本文分析研究了现代大涵道比航空发动机典型的涡轮叶尖热主动间隙控制（ACC）系统的结构布局及冷却空气流向，根据各自特点将其总结归纳为双层机匣内置冲击隔板和机匣外部环绕冲击冷却管两种形式。其中，双层机匣内置冲击隔板布局结构简单，采用的引自高压气源的冷气在实现间隙控制功能后可以用于二次冷却其他部件，但从高压压气机中间级引气的性能代价比较高，因此实际应用较少。机匣外部环绕冲击冷却管布局结构件较多，但可以实现冷却管与机匣外壁凸肋的紧密配合，从而实现最优的冲击靶向位置及冲击距，增强机匣热响应效率，而且采用引自风扇后低压气源的冷气的性能代价低。从发动机实际应用来看，机匣外部环绕冲击冷却管布局在现代大涵道比发动机上应用较多，成为涡轮热主动间隙控制系统结构布局的发展趋势。     

叶尖间隙控制系统供气部件特性及模拟方法

针对低压涡轮叶尖间隙控制系统中典型供气管路,即圆形截面90°弯曲冷却管,开展其工作特性和模拟方法研究.通过1∶1单管模型试验结合三维数值模拟方法,研究了冷却管上冲击孔的出流特性,分析了进气参数、冲击孔排布对冷却管内气体流动及流量分配的影响规律.在此基础上,提出了基于冲击孔进口有效总压概念的冷却管一维网络流动计算模型,建立了低压涡轮叶尖间隙系统中典型供气管路的一维网络流动计算方法,并应用于某型发动机组件流量特性试验设计中.研究中发现,随着远离进口位置,冷却管冲击孔出流流量和冲击孔流量系数逐步增加;随着进口雷诺数的增加,冷却管内冲击孔出流流量均有所增加,而冲击孔流量系数基本保持不变.试验数据和计算结果比对表明,所建立的一维网络流动计算模型可以准确模拟出冷却管的出流特性,计算结果同组件流量特性试验数据之间最大相对误差为4.5%,在叶尖间隙控制系统这类系统复杂流路的流动问题分析中具有良好的应用效果.      

高压涡轮主动间隙控制机匣内部换热特性试验

针对高压涡轮叶尖主动间隙控制（ACC）机匣中的典型换热结构,利用试验研究了多层机匣结构中内斜向冲击射流的局部换热特征,重点分析了进口雷诺数（10000~24000）、冲击孔入射角度（30°,45°,60°）、冲击孔直径（1.0,1.5,2.0mm）等参数对带肋机匣表面局部和平均传热系数的影响规律.研究中发现加强肋的存在显著影响了机匣表面局部传热系数,同时由于冲击射流局部强化换热作用,多层机匣内表面不同位置的传热系数相差很大.试验结果表明:随着冷气进口雷诺数的增加,机匣加强肋表面局部和平均传热系数均提高.在研究参数范围内,冲击孔直径为2.0mm,孔数为23的情况下能够获得最佳的换热效果;相比30°和60°冲击孔入射角度,冲击孔入射角度为45°能获得更好的换热效果.      

间隙主动控制系统中冷却空气管换热特性实验研究

针对民用发动机低压涡轮主动间隙控制系统中冷却空气管气流冲击机匣的典型结构,建立1∶1简化试验模型并开展换热特性试验研究。试验中依据相似准则确定试验工况,通过改变进口Re数、孔排方式、冲击间距(即冷却管和机匣间距)等参数,分析了机匣表面局部和平均Nu数的分布和变化规律。试验中发现尽管冷却管上冲击孔沿周向均匀分布,机匣表面周向温度却存在明显的差异,对应局部换热系数相差可达3倍以上。试验数据表明:由于冷却管冲击孔周向出流流量不均匀,造成机匣表面局部Nu数随着对应圆心角的增加而逐步变大;当进口Re数增加后,冲击板面局部及平均Nu数均随之增大;试验工况下,机匣表面局部及平均Nu数均随冲击间距、冲击孔间距与孔径比(L/d)的增加而减小。     

高压涡轮主动间隙控制系统机匣模型试验

设计和搭建了叶尖主动间隙控制系统的核心——可控热变形机匣模型试验验证台,利用机匣温度和变形量等参数的测量,验证了某主动间隙控制设计方案的基本工作特性.试验中通过改变集气腔进气流量,研究了不同试验工况下机匣温度分布规律,获得了机匣径向变形量及其在周向和轴向的分布规律.研究中发现冷却空气管的多孔冲击射流可以有效改变机匣温度,并达到调节机匣变形的最终目的.随着供气雷诺数增加,机匣的热响应时间减小,机匣的收缩速率明显增加,但该增加幅度随着雷诺数的增加而逐步减弱.试验结果表明:机匣径向冷却收缩量基本均匀.由于冷却空气管周向流量分配不均匀,使其周向上最大相对偏差为8.75%.同时冷却空气管结构和供气量差异会导致机匣轴向温度分布不均匀,在该验工况中,机匣径向冷却收缩量在轴向上最大的相对偏差为6.99%.      

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流动换热

为了获得一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮叶片的流动与换热特性,采用气热耦合计算方法进行数值研究,分析了总压损失、冷却效果和涡轮效率随预旋角、冷气雷诺数和无量纲质量流量的变化规律。结果表明,涡轮叶片预旋进气冷却的总压损失随冷气雷诺数和无量纲质量流量的增大而增大,但基本不受预旋角大小的影响;涡轮叶片的冷却效果随预旋角的减小、冷气雷诺数或无量纲质量流量的增大而增强,但不会改变其表面的温度分布特征;预旋进气冷却时的涡轮效率随冷气雷诺数的增大、预旋角或无量纲质量流量的减小而提高。     

基于主动间隙控制系统的高压涡轮机匣试验

为研究某型主动间隙控制(Active Clearance Control,ACC)系统的工作特性,设计并搭建了高压涡轮机匣试验台。依据高压涡轮机匣的热环境分析结论,采用了控制温度的方式模拟热源。通过对该试验方案的误差分析及不同工况的重复性试验分析,对该试验方案进行了验证,并进行了有无ACC系统、不同热源温度下机匣温度场与位移场的测试。试验结果表明:在ACC系统未作用时,机匣径向热变形随温度增加近似线性增长,每升高1℃机匣径向热变形在3.5μm左右;在ACC系统作用时,温度场在周向出现"山峰"分布,位移场的周向不均度增大,最大周向不均匀度为335μm,并观察到壁面流区与泉流区呈现"IOI"状的交错分布现象。通过对不同工况下试验数据的分析,得出了ACC系统工作效率与机匣热变形率呈负相关的结论。     

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.      

冷气预旋系统温降与流阻特性的试验

简化发动机冷气预旋系统,对特定结构的两种冷气进口预旋角度的转静盘腔系统,开展冷气温降和流阻特性的试验研究.建立预旋系统旋转试验台,在旋转部件表面采用微型压力传感器测量压力,经过标定校正后获得预旋系统的出口总压.获得了旋转雷诺数、无量纲质量流量对预旋系统温降和流阻特性的影响规律.研究结果表明:对两种角度的预旋喷嘴,无量纲温降随无量纲质量流量的增大先增大后减小,随旋转雷诺数的增大而减小;无量纲压降随无量纲质量流量的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而减小.      

叶尖间隙控制系统中横流效应的试验研究

为了研究带初始横流冷却管式阵列射流冲击换热特性,以基于机匣热变形控制的叶尖间隙控制系统为对象,试验研究了机匣外置多排冷却空气管结构中,初始横流雷诺数(0～8×104)对射流冲击机匣表面换热特性的影响。研究中发现,相比横流雷诺数,冲击雷诺数对靶面平均换热系数的影响更大,平均换热系数随着冲击雷诺数的增加显著提高。初始横流的加入,冲击滞止区发生了沿初始横流流向的偏移,削弱了靶面的冲击换热效果,局部换热数的峰值呈现出先减小后增加的规律。研究结果表明,当横流雷诺数超过4×104后,冲击滞止区下游出现一个"鱼尾形"的换热强化区域,且随着横流雷诺数增加,该鱼尾状区域范围逐步增大,靶面换热效果得到一定程度的提升。冲击孔间距越小,靶面局部和平均换热系数越大,此时横流的影响相对较小,在本文研究参数范围内,冲击孔间距比为4时,会获得更好的换热效果。     

CFM56系列发动机高压涡轮面向维修的设计改进分析

分析了主动间隙控制活门漏油、高压涡轮叶片榫头裂纹、高压涡轮叶片腐蚀和高压涡轮冷却部件堵塞等四个典型故障的解决方法,总结出高压涡轮主动间隙控制系统、高压涡轮叶片、高压涡轮导向器及高压涡轮罩环的设计改进措施,为我国设计出维修性好和性能高的大涵道比涡扇发动机的高压涡轮提供了参考。     

冲击距离对涡轮外环表面温度影响的初步研究

为分析涡轮外环具体结构对温度的影响,在确定的流动与边界条件下,以某型发动机高压涡轮外环为研究对象并进行一定简化,应用3维数值模拟手段计算和分析了不同冲击距离对外环温度最大值及分布的影响,在综合考虑外环温度水平和分布均匀程度的约束下给出了冲击距离的最优值为冲击孔距离的6.5倍。具有较为实用的工程指导意义。     

一种涡轮叶尖间隙控制技术

基于涡轮叶尖间隙的变化机理,设计了一种冷气自动调节机构,该机构无需其他外界动力,可根据工况的变化而自动调节冷气限流嘴的节流面积,控制涡轮外环冷气量,以控制涡轮外环的直径,从而有效控制涡轮叶尖间隙的变化趋势,维持涡轮叶尖间隙在合理范围.对3个不同工况涡轮采用与未采用涡轮叶尖间隙控制机构分别进行了计算,结果表明:采用涡轮叶尖间隙控制机构的涡轮叶尖间隙随工况变化的变化率为6.5%,未采用涡轮叶尖间隙控制机构的涡轮叶尖间隙随工况变化的变化率为20%.因此,采用该机构可以达到控制涡轮叶尖间隙变化的目的.      

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.      

航空发动机涡轮机匣传热分析技术研究

通过数值仿真和基础试验系统研究了涡轮机匣的传热特点,建立了高压涡轮机匣传热分析方法。总结机匣传热分析的主要技术环节,开展了机匣关键部位的CFD流动换热数值分析,给出了机匣表面换热分布规律,通过换热试验修正了机匣表面换热分析方法;通过机匣的过渡态温度分析,建立了涡轮机匣传热分析工程方法。     

瞬态法测量高转速旋转盘表面传热系数

将实际发动机涡轮盘冷却系统简化为中心进气旋转盘,用瞬态实验的方法对该结构的换热特性进行了研究.以高转速旋转换热实验台为基础,建立了转静系盘腔中瞬态换热的实验流程和数据处理方法,得到了转盘表面的努塞尔数,并研究了流量系数、旋转雷诺数和出气间隙比对努塞尔数的影响.研究结果表明:对于中心进气冷却结构,在转盘低半径处,转盘表面的表面传热主要由冷气冲击控制,随着半径的的增大冲击对换热的影响减弱.转盘表面的努塞尔数随冷气流量系数的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而增大,随出气间隙比的增大而减小.      

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.     

前缘气膜孔布局对涡轮转子叶片流动传热的影响

为了研究不同前缘气膜孔布局对叶片内部冷却系统、温度场分布的影响,针对某典型冲击-对流-气膜复合冷却高压涡轮转子叶片,保持叶片主体冷却结构不变,通过改变叶片前缘各列气膜孔的数量形成5种结构方案,完成了1维流动换热及3维有限元温度场计算。并模拟发动机工况,试验研究了叶片内腔流量特性、叶片中下部2个截面的平均冷却效果随压比、流量比的变化规律。计算及试验结果均表明:涡轮转子叶片前缘气膜孔数量及布局对叶片前腔冷气量、前缘温度分布影响明显,而对后腔冷气量、尾缘温度影响较小。