高负荷跨音速复合气冷涡轮叶片的设计与计算

本文提出了一套跨音速复合式气冷涡轮叶片内冷气流量分配、温增、内外换热系数和温度场的计算方法 ,对设计的“冲击 -对流 -气膜”多种冷却方案进行了计算。与实测值比较 ,验证了本计算方法的可靠性和精确度 ,择优选取了四套叶片内冷结构 ,精心地进行了结构设计     

大载荷跨音速高温涡轮复合式气冷叶设计、试验和分析研究 （二）试验研究

设计，加工了四套大载荷跨音速涡轮复合式气冷叶片（多种气膜孔方案），成功地进行了290小时试验。试验结果表明，导叶在2－8％，动叶在1－6％宽广的冷气流量比范围内，具有良好的冷却特性。在试验中，测取了系统的热损失，并对叶片壁温实测值进行了修正。用模化分析方法，将试验值换算到发动机设计状态，导叶绝对冷却效果为335－422℃，动叶为256－319℃。并且壁温分布均匀，经过与美国节能发动机（E^3)气冷叶片比较，其冷却性能相当。     

直升机用高转速、小流量轴流风扇设计

小流量、高转速、小尺寸轴流风扇的设计是高性能直升机滑油冷却系统的关键技术之一。针对直升机用轴流风扇的特点,进行了基本结构型式的分析和参数的优化计算;采用简化的三元流动设计理论得到叶轮叶片气动设计径向平衡方程式和求解约束条件,进而引入了控制涡设计理论进行风扇叶片造型,获得了优良的气动性能;采用“改进损失模型”的效率计算方法,为叶片气动方案的优化选择提供了理论依据。应用于某型号直升机用滑油冷却轴流风扇的设计计算,所得结果与试验结果吻合较好。      

发射发动机气动分离机构设计与试验

对发射发动机气动分离机构工作过程进行数值仿真，着重分析了突缩突扩气流不等熵流动过程的流量计算方法，给出了内弹道p-t曲线、活塞腔压强p-t曲线、推力F-t曲线、分离剪切力Fτ－t曲线和分离时间的预示结果，并通过真实发动机试验获得验证。计算与试验结果为分离机构设计与分析提供了依据。     

涡轮导向叶片变截面针肋通道内空气流动和传热过程数值模拟

应用紊流ｋ－ε模型、三维适体座标网格结合ＳＩＭＰＬＥＳＴ算法,对涡轮导向叶片尾部变截面针肋通道内空气流动和传热过程进行了数值模拟。该模拟同时考虑了流场、压力场、温度场和物性变化之间的相互耦合作用,可压缩和变物性的影响以及叶片壁内三维导热效果,采取对流—导热耦合传热问题的整体求解法进行数值计算。计算结果与实验符合良好,证明本文建立的数值模型是正确的,可为叶片的优化设计提供一定的依据。     

燃气轮机叶片-轮盘耦合系统振动特性计算

建立了叶片－轮盘耦合系统振动固有特性计算分析模型。利用有限元通用程序NASTARN的循环对称分析功能和几何非线性分析功能,对某舰用燃气轮机实际叶片－轮盘结构进行了计算分析。计算中考虑了旋转离心力及材料参数随温度变化对固有特性的影响,计算得到了谐波共振频率与实测结果基本吻合。     

考虑几何设计参数不确定性影响的涡轮叶栅稳健性气动设计优化

外形偏差是典型的叶片气动不确定性影响因素，考虑几何设计参数不确定性影响的叶片稳健性气动设计优化（RADO）有助于提高叶片平均气动性能及气动稳健性。首先，介绍RADO的基本原理及实现方法，采用基于灵敏度分析的叶片气动不确定性量化方法计算叶片目标气动函数的统计值，并实现目标函数对设计参数的梯度计算。然后，开展考虑设计参数不确定性影响的HS1A跨声速涡轮叶栅RADO研究，降低总压损失系数的统计均值及方差；通过与确定性气动设计优化（DADO）对比，揭示RADO在改善优化叶片气动稳健性方面的有效性和优越性。最后，对叶片进行流场统计分析，进一步揭示气动外形优化设计对降低总压损失系数敏感度的影响机理。     

压气机叶片排内三维紊流流动的隐式高分辨率数值分析

对跨音速压气机叶片排内具有复杂三维激波的紊流流场所进行的数值分析，采用了空间三阶精度无波动格式以保证对紊流特征的正确模拟，利用ＬＵ－ＳＧＳ算法避免了一般隐式算法的繁琐运算，使之与显式方法推进一步的运算工作量基本相当，从而构成了一种既准确又高效的跨音速压气机紊流流动数值求解系统。计算与实验进行了对比，结果是令人满意的。     

叶片包容性试验研究初探

本介绍了单个模型叶片包容试验，并将此试验结果与斯贝MK202发动机应力标准（EGI－3）中单个压气机叶片的包容曲线（仅叶身）进行了比较。本初步得出结论：斯贝MK202发动机应力标准（EGD－3）中单个压气机叶片的包容曲线（仅叶身）可做为类似的单个压气机叶片（仅叶知）包容性计算的根据。     

正交各向异性材料、异型孔气冷叶片三维弹性应力分析

本文介绍了正交各向异性材料、异型孔气冷叶片三维弹性应力分析的计算方法, 并给出了一个真实的气冷涡轮叶片的计算结果及分析。为了适应气冷涡轮叶片内型孔复杂, 材料为定向凝固结晶和内外壁温度差比较大的特点, 文中采用分段线性和非线性的假设划分单元, 形成几何模型和力学模型, 采用坐标变换法建立单元的弹性矩阵, 并且采用分段线性插值法考虑温度对材料特性的影响。本文对方法和程序的正确性进行了验证, 而且将这种方法和程序应用到工程设计中。实践证明, 方法和程序可靠, 精度满足工程上的要求。      

基于黎曼不变量守恒的轴流压气机反问题设计方法

基于一种全新的轴流压气机叶片反问题设计边界条件,发展了一种全新的三维粘性反问题设计方法。该方法以叶片表面静压分布作为输入的气动性能参数,叶片吸、压力面型线为设计对象。全新的反问题边界条件采用壁面边界处黎曼不变量守恒建立起给定的气动参数分布与叶片几何变化量之间的关系。由于计算过程中叶片几何构型不断发生变化,采用动网格技术对计算网格进行更新。为了验证方法的有效性,采用NASA Rotor 37作为算例,进行叶片返回试验,对叶片表面静压分布进行合理修改,通过反问题设计计算,设计出新的叶片几何构型。计算结果显示,反问题设计很好地满足了给定的叶片表面静压分布,正确地反映了设计意图。改型后的叶片吸力面逆压梯度有所降低,气流分离得到抑制,压气机流量、总压比以及效率分别提高了0.7%,2.2%和1.0%,验证了方法的有效性和正确性。     

考虑涡轮传热性能的气动设计耦合计算方法研究

为了在涡轮叶片气动型线设计过程中同时提高气动效率并保证传热性能,提出了一种基于一维管道网络法和三维CFD的耦合计算方法,分别采用管网/三维耦合计算方法和全三维耦合计算方法对MARK-II冷却叶片多个工况进行计算,两种数值计算方法计算结果与实验数据交叉对比,以验证本文计算方法可行性。计算结果表明,两种数值计算得到的叶片型面压力、温度、换热系数和实验值都比较吻合,但管网/三维耦合计算得到的壁面温度相比全三维耦合计算结果整体略微偏低,最大偏差不超过3.89%。基于管网/三维耦合计算方法对某航空发动机涡轮第二级动叶叶片型线优化设计,气动效率提高0.34%,壁面平均温度几乎没有变化。     

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

静止叶栅三维粘性数值模拟

应用Ｎ－ Ｓ方程压力修正算法和ｋ－ ε两方程湍流模型,对端弯叶片和基准（无端弯）叶片的平面叶栅进行了三维粘性数值模拟。在采用简单交错网格的情况下,通过对计算控制体通量的速度进行修正的方法解决了Ｎ－ Ｓ方程压力修法算中遇到的压力场和速度场呈锯齿状分布的问题。用实验测量值对本数值模拟方法的精度和可靠性进行了检验     

涡轮复杂气冷叶盘结构变形分析模型简化方法

基于高压转子开展高压(HP)涡轮转子叶片叶尖变形分析可提高叶尖间隙的数值模拟精度，而高压涡轮转子叶片由于其复杂的气冷结构，有限元分析网格数量巨大；叶片和轮盘的榫接结构属于非线性分析，也需要足够的计算机时。针对该问题提出了一种复杂气冷叶片的简化方法和榫接结构接触计算简化方法，在不影响计算精度的前提下提高计算效率。采用该方法对典型结构高压涡轮转子进行了变形分析，与采用复杂气冷叶片模型和接触分析方法的变形分析结果进行比较。结果表明:涡轮叶片叶尖最大径向变形相对误差为0.47%，计算机时减少99%，证明简化方法和计算方法的有效性。      

叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的数值模拟

为了研究压气机中采用弯曲叶片对叶栅流场气动性能的影响，本文应用Beam-Warming近拟隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型，采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N－S方程组，对弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明，在给定的条件下，三种叶栅内涡系结构具有某种相拟似性。反弯叶栅吸力面／端壁角区分离严重，中部流动较为理想；正弯叶栅基本消除了吸力面／端壁角区分离，但中部分离较明显；这些又导致三种叶栅流道中涡的大小和强弱存在明显的不同。计算结果与实验结果比较，两者吻合较好。     

管道系统激波运动的数值模拟

对激波在管道，活塞腔系统内运动的两种数值模型－－一维非定常气体运动模型的二维轴对称气体运动模型，进行了数值模拟，其计算曲线与相应的实验曲线符合较好，表明基于Ｇｏｄｕｎｏｖ格式的激波运动计算方法能成功地处理含有激波且边界条件复杂的管道系统内气体运动问题，因而能较精确地预测管道系统内详细的和变化过程，特别是预测激波在管道系统内的传播过程。     

基于改进温度评估模型的叶片冷却性能分析

为适应航空发动机涡轮冷却技术的发展趋势，在传统叶片温度评估模型的基础上加以改进，提出了适用于内外耦合涡轮叶片的温度评估模型。将改进后的温度评估模型嵌入到发动机整机热力性能计算模型中，对飞机/发动机系统耦合分析，研究了F-16战机在典型飞行任务和飞行包线内高压涡轮导叶的冷却性能。结果表明：在全飞行任务下进行分析时，叶片在实用升限、起飞及大爬升率工况下叶片工作热环境恶劣，叶片易超温；叶片表面温度沿径向为增长趋势，在叶顶处达到最大值。在全飞行包线内进行分析时，叶片表面温度随高度变化明显；包线内高空低马赫数区域叶片的最高温度和承受的热应力最大，叶片最高温度可达1 342 K；高空低马赫数区域的综合冷却效率与包线内的最高冷却效率相比，降低了34.2%，叶片冷却性能下降明显。在进行模型参数敏感性分析时，与基准方案相比，当输入参数改变相同比例，改变冷气进口温度对叶片温度的影响最为显著。     

高转速压气机转子叶片的动应力测试与动力学设计评估

为评估高转速压气机转子叶片的振动特性和工作可靠性,利用有限元计算、固有模态测试与动应力试验相结合的方法对叶片振动特性进行了研究。误差分析表明:数值计算与模态试验获得的相对误差不大于4%,动应力测试在高于43kr/min时误差会显著增大,应使用试验数据验证数值计算规律和校正低转速时动频值的方法,以获得可靠的分析结果。研究结果表明:只有转速3倍频与4倍频激起的叶片一弯共振响应较为突出,但这两个共振点均远低于慢车转速,而理论分析得到的工作转速附近共振点的叶片振动应力很小,不会引起叶片的破坏性振动,叶片满足动力学设计要求。     

涡轮叶片内部通道流动换热算法改进

在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略 各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维 温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对 涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行 温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明：采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前 算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。