一种低压无导叶对转涡轮特性分析与设计

为获得高载荷无低压级导叶对转涡轮气动设计规律,以一个流量5·25kg/s,膨胀比5·69,高低压涡轮转速均为2·5×104r/min的高效超跨声对转涡轮作设计实例,从基元级分析、通流设计和全三维数值模拟三个部分研究了对转涡轮在取消低压级导叶后出现的诸多新特征给气动设计带来的困难及相应采取措施。设计与分析结果表明,在相同气动设计参数条件下对转涡轮比传统涡轮效率高1·77%。对转涡轮设计关键问题是在合理选择主流参数后,解决高压涡轮动叶既作功又整流双重功能。     

无导叶对转涡轮气动设计技术

采用先进的无导叶对转涡轮气动布局是提升航空发动机性能最为有效的措施之一。结合无导叶对转涡轮高压涡轮动叶进出口轴向速度变化较大等特点,采用理论分析等研究了对转涡轮基元速度三角形参数的优化选取方法,并给出了高压涡轮导叶、动叶出口气流角等变化对效率影响的详细变化关系。流量系数小、高压动叶出口气流角大以及高压动叶进出口轴向速度比大是设计满足出功比高效率对转涡轮的关键。而采用Bezier曲线造型的收敛-扩散叶型叶背曲率的控制、尾缘半径的选择、叶型出口面积与几何喉道面积之比等则是设计适合出口马赫数1.5～1.6高性能叶型的关键。     

通用核心机涡轮气动设计准则

针对通用核心机对涡轮部件性能的要求,尝试给出了描述涡轮气动通用性的定义,研究了速度三角形系列参数对涡轮气动通用性的影响规律,在此基础上,得到了通用核心机涡轮部件气动设计参数选取准则,并通过S2和三维数值模拟手段,利用一组真实涡轮的数据对涡轮气动通用性的定义和设计参数选取准则进行了验证。结果表明:在涡轮设计参数选择中,存在使涡轮部件气动通用性最优的速度三角形参数范围;一般情况下气动设计参数在Ω=0.35～0.45,μ=1.65～1.9,K1=0.55～0.6区域内时,所设计的涡轮气动通用性较好;一系列涡轮气动设计参数的分析表明本文给出的涡轮部件气动通用性的定义和得到的涡轮部件气动设计参数选取准则基本合理。     

影响毫米级微型涡轮气动性能的若干参数

根据毫米级微型向心涡轮的特点,通过理论分析结合经验关联进行了涡轮性能与几何气动热力学参数之间的关联,在此基础上探讨了气动设计过程中各关键参数对微型向心涡轮气动性能的影响规律及影响程度.通过毫米级微型向心涡轮气动方案的设计,结合三维数值模拟手段对上述分析的系列参数选取原则的合理性进行了验证.针对毫米级微型涡轮中绝热壁面条件已不适用情况,探讨了固壁传热对涡轮气动性能的影响,这些研究为毫米级微型涡轮气动方案的设计提供了参考依据.      

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。     

弯曲/倾斜叶片对大展弦比涡轮气动性能影响

为了获得弯曲/倾斜导叶对大展弦比低压涡轮气动性能的影响,通过求解基于耦合转捩SST湍流模型的雷诺平均N-S方程组,对GE-E3低压涡轮叶栅的进行了全三维粘性定常与非定常数值模拟。研究了弯曲/倾斜导叶对涡轮级效率的影响,分析了对导叶叶栅气动性能、导叶扩散因子与边界层发展的作用,以及对下游动叶气动性能和动叶吸力面流动特性的影响。结果表明,正弯导叶减小了二次流损失却带了更大的叶型损失,降低了涡轮级效率,而正倾斜改变了上下端壁的二次流损失分配,对总的叶型损失影响较小,在一定角度下能够改善大展弦比涡轮叶栅的气动性能。     

1+1/2对转涡轮内部三维流动数值模拟

完成了某型1+1/2对转涡轮的气动设计,对其特性及内部流动进行了三维数值模拟,比较详细地分析了设计点的流场.结果表明采用无导叶的对转涡轮气动参数满足涡轮设计要求.低压涡轮级由于去掉了导叶,没有与之相关的各种损失,因而获得了比高压涡轮级更高的气动效率.对流场的分析显示,高、低压级的流动状况良好,叶片表面没有明显的分离.各排叶片进口气流角与构造角都符合.高压导叶处于亚声流动状态下,高压动叶出口完全超声,尾缘存在较强的燕尾波,低压动叶设计点基本处在亚声条件下.     

1+1对转涡轮变工况性能分析与优化设计

为阐明1+1对转涡轮变工况性能损失的主要来源并提出改进方法,以1+1对转涡轮为例进行了部分载荷工况下的流场模拟、分析和优化。与相同设计参数的同转涡轮进行部分载荷工况流场对比,发现部分转速下同转涡轮在级间导叶吸力面前缘出现分离,而1+1对转涡轮在压力面前缘出现分离。针对此流动损失,为1+1对转涡轮级间导叶提出了一种基于分离角的压力面优化设计方法,提高了近前缘压力面的气流速度,增强了其对负攻角的适应性,基本消除了叶片14%、58%和92%叶高处压力面前缘的流动分离,在正攻角工况下亦保持了良好气动性能。数值验证了该涡轮的效率在全工况范围内明显提高,而设计点效率未受负面影响。其中,在对转涡轮70%和50%设计转速的两个工况点上,低压涡轮效率较优化前分别提升了1.5%和2.0%,涡轮总效率较优化前分别提升了0.5%和0.7%。     

基于粒子群算法的多级低压涡轮一维气动优化设计方法

为探究涡轮高效设计技术,从低维优化层面出发,提出了一种基于粒子群优化算法的多级低压涡轮一维设计和优化方法.该方法以涡轮效率为目标,通过建立涡轮子午流道形式以及气动特性等约束条件将涡轮一维设计转化成包含约束限制的极大值优化问题.在验证粒子群算法优化性能的基础上发展了多级低压涡轮一维气动优化设计程序,该程序通过优化地选取涡轮各级的多个设计变量,有效地生成满足多个约束条件的级最佳速度三角形以及最佳初步子午流道形式.利用该程序完成了原型低压涡轮的优化改型工作,三维数值模拟结果表明,优化改型方案在设计点和非设计点的气动性能均获得了不同程度的改善.     

超跨声速无导叶对转涡轮整流型动叶设计

为了探讨对转涡轮气动设计规律，采用常用于导叶的可控涡法设计对转涡轮上游整流动叶，并配合可控子午成型设计，用以控制对转涡轮内径向压力分布，并与传统涡轮进行了深入对比分析。该方法设计的5．25kg／s小流量模型对转涡轮效率为94．2％。三维数值模拟表明：对转涡轮取消导叶后，在设计自由度减小，参数受到制约条件下，整流动叶采用可控涡设计是调控对转涡轮流场积极有效措施之一。     

Aerodynamic design of three-stage vaneless counter-rotating turbine

An aerodynamic design criterion was discussed for the 1+3/2 counter-rotating turbine by analyzing the velocity triangles. There are 8 key aerodynamic parameters in the criterion, based on the consideration of aerodynamic efficiency and some strength requirements. Then, an aerodynamic design for the 1+3/2 counter-rotating turbine was made according to the criterion, and a three-dimensional simulation was conducted for it. Finally, the conclusions were obtained. The criterion containing 8 key aerodynamic parameters is verified rationally and the efficiency of the turbine reaches 91%. The aerodynamic characteristics of 1+3/2 counter-rotating turbine are mainly decided by the load coefficient, and due to an optimal power distribution coefficient of the low pressure turbine, the efficiency of the low pressure turbine can be best.     

1+1/2对转涡轮非定常流动数值模拟

为了掌握对转涡轮内部的复杂流动以改进航空燃气轮机的设计,利用数值模拟手段对所设计的1+1/2对转涡轮内部非定常流动进行了研究,将定常和非定常结果进行了详细的对比分析,结果表明:非定常结果与定常结果相比出功比减小,总效率约减小0.44%,流量基本不变,其中尾迹、激波、位势作用以及泄漏流等因素之间的相互作用是影响非定常特性的主要因素.      

可调高压导叶对1＋1/2对转涡轮性能影响的数值研究

对1＋1/2对转涡轮高压导叶转动不同角度后不同落压比时的涡轮性能进行了数值计算和分析,获得了不同导叶开度和不同落压比对涡轮性能影响的关系曲线.结果表明,高压导叶转角的变化可以有效地调节1＋1/2对转涡轮的流量;当导叶打开时,随着落压比的变化涡轮效率存在一个峰值,当导叶关闭时,涡轮效率随落压比的减小持续降低,并且降低的幅...     

对转涡轮基本分析

对于对转涡轮基元级的特性,首先分析不同基元级的负荷特性应以单位叶列平均的负荷能力为准。其次,模拟常规级的经典分析,讨论了对转涡轮基元级的自变变量及定义了不同类型的典型对转涡轮基元级,按此可以很简明地得出它们在不同转速比下的负荷特性。同时,还初步比较了对转级与常规级的基元级效率。由此可见,对转涡轮的单位叶列负荷系数可比常规级有成倍的增长而且有更高的效率。     

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。     

一种对转压气机气动设计方法及其验证

结合附面层抽吸技术提出了一种高负荷对转压气机气动设计方法.在高负荷设计前提下,为避免在转动部件中进行附面层抽吸所带来的诸如强度等问题,利用基于动叶出口轴向速度提升的低反动度压气机气动设计原理,提升动叶出口轴向速度以确保动叶效率,附面层抽吸只在静叶中进行.利用该对转压气机气动设计方法,进行了一对转压气机气动设计验证.三维黏性数值模拟结果表明,在第一列转子与第二列转子叶尖切线速度分别为370m/s与350m/s的前提下,实现了总压比为5.85,效率为88%的两级对转压气机气动设计.     

无导叶对转涡轮新技术气动设计探讨

由于当供新的歼击机发展的需要,推重比10以上的涡扇发动机的研制势在必行,而对于涡轮部件,采用超跨声、大负荷、低稠度、无导叶、大转折角的对转涡轮方案是一个重大的技术措施。它将大幅度减轻发动机重量,提高推重比。分析了对转涡轮的优点,引出涡轮气动设计,计算方面的新问题和新概念。设计制造出了试验件,建立了对转涡轮试验台。