三对转涡轮及其基本分析

本文对文献 [1]提出的三对转涡轮进行了较为详细的基元级分析。首先模拟常规涡轮分析,定义了 1 6种可能的典型级。按此定义以及本文建议的级独立自变变量,就可得到很简明的不同典型级的功率特性示式。针对这种级的可能应用场合—三轴涡轮发动机的具体要求,分析了各种典型级的适用情况。这种涡轮可得到比常规级高得多的功率系数而且效率也会有所改善。      

1+1对转涡轮气动设计技术研究

分析了对转涡轮方案的影响因素,推导了带导叶对转涡轮基元级速度三角形参数与涡轮效率和出功比的关系,进行了速度三角形的分析,得到了带导叶对转涡轮速度三角形的设计规律。为验证此规律,选取了基元级基本参数,在此基础上,进行了考虑冷却的1+1对转涡轮气动方案的设计;并利用三维数值模拟手段对所设计的气动方案进行了验证。结果表明,所完成的涡轮气动方案能够满足设计要求,且选取的速度三角形基本参数与数值模拟结果较为接近。     

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。     

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。     

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。     

有关对转涡轮基本设计与应用的进一步思考

根据本文作者以前发表的对转涡轮全面基础分析,进一步提出了几点以前尚少注意的气动热力设计问题:基于高、低压轴压气机(含风扇)各自需要的负荷与转速、压比匹配的实用可能,来选择基元级与叶栅,提出比较适合对转涡轮使用的发动机系统;以及特大折转角叶栅与基本切向特小折转角叶栅的需要可能性与设计等。综合发动机系统与叶轮机械气动设计的要求而对这些问题进行的考虑,会有助于发展即将实用的对转涡轮。      

涡轮级三维粘性流场的数值模拟

本文给出了一种求解涡轮级三维定常粘性流场的计算方法,并对某型航空发动机的高压涡轮进行了数值模拟。该计算程序考虑到了涡轮级工作温度范围较大而引起的变比热问题。文中采用了三阶精度的TVD格式和B-L湍流模型。叶列间参数的传递采用了“混合平面”法。叶列间处理采用外推无反射边界条件来保证参数在交接面上的周向不均匀。同时在交接面上构造了Riemann解和使用松弛因子来提高程序在叶列间小间隙情况下的稳定性。      

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.     

轴流涡轮基元级静叶稠度对转静干涉的影响

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度增加时,转子的非定常势干涉在上游静子中的扰动强度增加,但衰减加快,传播范围变短;静叶稠度的改变通过引起静叶尾迹的强弱、尾迹与动叶干涉的频率和动叶通道中的流动状态的变化来改变尾迹干涉的强弱;进而通过尾迹干涉强弱的改变影响基元级性能的非定常性.      

轴流涡轮基元级静叶稠度特性的数值研究

针对不同静叶稠度(静叶叶片数)的轴流涡轮基元级进行了非定常数值模拟,研究了静叶稠度对涡轮基元级流动状态和损失情况的影响.结果表明静叶稠度的改变对涡轮基元级流动状态和损失的影响直接与动叶稠度相关.静叶稠度的改变影响通过涡轮基元级的流量,在动叶稠度不变时,会引起涡轮基元级反力度的改变.静叶稠度增加到一定程度时,会使气流在静子中的膨胀加速过于剧烈而产生激波损失及激波与边界层干涉带来的边界层分离损失.静叶稠度减少到一定程度时,会使转子中的流动状态极大恶化,进口极大的负攻角致使动叶压力面发生大范围的分离.存在一个最佳的静叶稠度,使涡轮基元级的损失最小.      

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。     

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.     

对转压气机数值模拟及实验研究

以设计的某对转压气机试验台为研究对象,分别应用数值模拟和试验手段对设计转速、典型工作状态下压气机性能和流场细微结构进行了研究。计算结果表明:压气机压比特性与试验值吻合较好,计算效率较试验值偏高;在近失速点压气机第二排转子叶片吸力面近尖部10%叶展范围内,最先出现导致叶片失速的大范围分离和低能堵塞团;第一排转子叶片尖部尾缘处附面层较厚并伴随有分离现象,使得下游叶片来流发生较大畸变。     

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。     

叶尖射流对风力机叶尖流场影响的数值研究

为了设计出更加适合非并网系统的风力机,采用在叶尖加入射流的方法来改变叶尖流场分布.在风力机叶片顶端沿弦长布置3个喷口,采用CFD数值模拟方法,通过改变风力机转速获得原型和带喷口的风力机模型的气动特性以及流场分布.发现在转速低于1 200r/min时,带有安装在不同位置的喷口的风力机功率增长率几乎都为零,射流在这一转速范围内对风力机的气动性能几乎没有影响.而转速高于1 200r/min时,随着转速的增大,喷口位于叶尖中部的风力机的功率增长率快速地增大,射流影响了75%以上叶高的表面的压力分布,在大转速下吸力面低压区范围较大,其叶尖涡涡量低于其他方案中,并且在下游扩散得比其他方案快,改善了风力机下游流场,提高了风力机效率.喷口布置在叶尖前缘时其叶尖涡的局部涡量较原型叶片稍大,降低了风力机功率的输出.喷口布置在叶尖尾缘时基本和原型叶片相同.该结论为设计适用于非并网系统的定桨距变转速风力机提供了基础.     

涡轮高载荷动叶片设计及级三维流场数值分析

针对一个涡轮的典型级,减少动叶片的数18只,采用参数化叶型法重新成型三维叶片的五个截面叶型,用Fluent分别对各截面进行粘性S1正问题流场分析计算,然后将5个截面沿径向以各截面的重心积迭形成三维叶栅。对新成型的叶栅和原叶栅组成的涡轮级分别进行三维粘性流动分析,表明新设计的叶栅叶片载荷增加15%,而效率基本保持不变。     

大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析

采用参数化建模技术快速建立大型风力机复合材料叶片三维有限元壳模型,并在此基础上对叶片的固有动力学特性进行停机及以额定转速旋转两种工况下的模态分析,其中旋转工况考虑了离心力导致的应力刚化效应和旋转软化效应。通过编制插值程序,将CFD计算所得的叶片表面分布压力,导算到叶片结构计算的有限元壳模型上,并以此为载荷对叶片进行静气弹稳定性分析。以某初步设计的1.5MW风机为例的计算结果表明:在参数化三维壳模型建模基础上进行的模态分析技术与结合CFD的静气弹稳定性分析技术,有利于快速、准确地计算大型复合材料叶片的动态特性、识别叶片结构的薄弱部位,并预测叶片发生局部屈曲的可能性及其发生的位置。     

小功率单轴燃气轮机及其功热并供装置变工况典型解析特性

采用动力机械变工况特性解析分析方法［１,２］,分析总结了使用离心式压气机的小功率单轴恒速燃气轮机稳态变工况的典型特性及一些定量规律。所得燃气轮机装置典型效率曲线及统计公式得到了实际数据的验证。计算了该种燃气轮机功热并供装置用饱和蒸汽供热时的典型情况及其他一些变工况性能,如大气温度的影响等