某微型发动机轴流涡轮与向心涡轮的气动性能及尺寸对比分析

为确定厘米级微型涡轮发动机在相对较大功率、流量需求时的涡轮形式,基于某直径为12 cm的微型发动机样机开展研究.估算了该样机整机环境下单级轴流涡轮的做功能力,并按参数优选规律设计了一台微型轴流涡轮,将之与该样机采用的微型向心涡轮对比,分析了两种叶轮在功率、效率及尺寸质量方面的差别.研究表明:在先进微型发动机压比提高(＞...     

叶尖间隙泄漏对厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响

针对某微型涡轮发动机(MTE)原理样机的直径为78.4mm的微型轴流涡轮,采用数值模拟手段研究了叶尖间隙泄漏对该厘米级高亚声微型轴流涡轮流场结构及涡轮性能的影响.结果表明:微型轴流涡轮相对叶尖间隙尺寸在3.1%~4.6%,明显高于常规轴流涡轮;微型轴流涡轮叶尖间隙泄漏涡影响范围较常规轴流涡轮扩大(至叶中高度),泄漏损失占涡轮级总损失的35%,也较常规轴流涡轮明显增大.研究获得了间隙尺寸对该厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响规律,叶尖相对间隙尺寸每增加1%叶高,效率最快下降1.9%,其变化幅度较常规轴流涡轮更为明显.最后,根据工程安装的限制(离心力变形及热变形、轴承游隙、加工装配误差等),确定了一个较优的叶尖间隙(0.4mm),通过数值模拟获得了在该间隙下的涡轮性能参数:落压比为2.12,效率为0.87,流量为0.35kg/s.      

向心涡轮导向器设计改进及应用

为了提高微型涡喷发动机综合性能,对其单级向心涡轮导向器进行改进设计。改进设计中,采用发动机性能试验摸底导向器物理喉部面积,全三维气动手段优化叶片型线方法,提高涡轮级气动性能。数值计算得出:在近设计点处,涡轮级流量增加约12.5%,效率提升约2.5%。发动机性能试验表明:在设计转速下,推力增幅达21.7%,燃油耗油率降低12%。改进设计的涡轮导向器性能满足发动机总体要求。     

厘米级微型涡轮喷气发动机主要研究进展

厘米级微型涡轮发动机的发展日益受到重视。本文在总结国内外厘米级微型涡轮发动机研究动态的基础上，将其划分为3个大小级别。南京航空航天大学近年来对中等大小级别(直径6cm)微型涡轮发动机开展了系统的研究。本文给出了各主要关键技术的研究进展，包括：微型涡轮发动机总体设计技术，微流动实验及CFD技术，高速微转子动力学。微型涡轮、压气机、燃烧室等部件设计，微型涡轮发动机试车等。     

航空活塞发动机两级增压匹配方法

通过对某单级增压活塞发动机的研究,将两级增压应用于该机型,采用压气机串联、涡轮并联的布置方案,并用GT-Power对发动机进行建模.按等流量模式对两级涡轮增压进行匹配,并对地面至高空10km飞机全飞行高度的运行工况进行了预测.对废气放气阀调节流量进行了计算.结果显示涡轮和压气机在全高度都运行在高效率区内,为两级增压系统的研制提供了良好的基础.      

厘米级向心涡轮的三维流动特征分析

为详细研究厘米级向心涡轮的内部流动规律,在向心涡轮级的三维粘性计算中引入掺混面的概念,对一台叶轮直径35mm的向心涡轮三维流场进行了数值模拟,得到多个转速下的特性曲线。与试验结果进行的对比表明计算结果准确可靠。预测了在设计转速下的向心涡轮特性曲线,得到这台向心涡轮设计点流量为0 11kg/s,落压比1 93,总压绝热效率0 82,并对向心涡轮设计点附近的流动特征进行了详细的分析。     

航空涡轴发动机发展趋势

基于国际上典型航空涡轴发动机的发展历程,概括了航空涡轴发动机产业发展趋势,其所呈现的系列化、军民两用化和国际合作化特点十分鲜明,国家层面实施的发展计划对航空涡轴发动机的发展起到了重要引领作用。基于统计分析,展望了航空涡轴发动机结构布局和性能发展趋势。研究表明:在结构布局方面,航空涡轴发动机朝着结构紧凑化方向发展,压气机和涡轮级数呈现不断减少的趋势。1 500 kW级以下的航空涡轴发动机将更普遍地采用单级/双级离心压气机和单级涡轮,1 500 kW以上的航空涡轴发动机将更普遍地采用轴流+离心组合压气机和双级涡轮,同心轴前输出功率型式成为主流功率输出型式。在性能方面,未来先进航空涡轴发动机的压比将达到30,涡轮前温度将达到1 900 K,油耗将低至0.20 kg/(kW·h),单位功率将达到400 kW/(kg/s),功质比将达到14 kW/kg。      

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.      

固体燃料ATR涡轮/压气机匹配方法研究

为了获得固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)中涡轮和压气机的匹配工作特性,建立了涡轮和压气机的工作特性模型,根据SP-ATR转速、功率和背压平衡的工作特点,分别基于涡轮和压气机的工作环境先后采用两种不同的方法完成了二者的匹配。对比两种匹配方法得出结论:(1)基于涡轮的匹配方法与转速稳定过程一致,可确定特定飞行环境中发动机的转速;(2)基于压气机的匹配方法需要条件更少、适用范围更广,可用于特定转速调控方案下驱涡燃气流量的确定。两种匹配方法的计算结果相对Ax STREAM仿真结果的最大误差为10.75%,两种匹配方法的计算结果相差不超过8%。将建立的匹配方法应用于HARM弹自主爬升飞行过程,得到SP-ATR驱涡燃气流量的定量调控规律。     

高超声速涡轮发动机多级压气机性能优化

为了满足某高超声速涡轮发动机巡航工况（Ma=3.2）性能要求,在某8级轴流压气机方案基础上,针对压气机在该工况 对应转速（相对换算转速0.748）下流通能力不足问题进行设计优化。通过创建多级压气机1维分析设计平台,采用试验设计方法 分析并确定了对压气机低转速性能影响较大的关键参数,基于模拟退火寻优算法完成对多级压气机气动布局的重构;通过采用宽 范围低损失多段圆弧中弧线设计、高流通转子叶型设计、低转速可调静子安装角优化及各级攻角匹配优化等措施,完成了8级压 气机方案的改进设计。结果表明：在巡航工况（Ma=3.2）下,8级压气机效率和喘振裕度分别提高了 0.7%和 17.4%,验证了多级压 气机设计优化方法的有效性,可为高超声速涡轮发动机压缩部件设计和研究提供参考。     

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.      

向心涡轮进气结构的气动性能及损失机理

针对某向心涡轮,采用二维流动分析方法设计矩形截面蜗壳,同时采用商用计算流体动力学软件CFX对带蜗壳的向心涡轮流动损失进行数值计算.将计算结果与原型设计中带有集气室的向心涡轮计算结果进行对比.结果表明:蜗壳内流动损失要小于集气室内的流动损失,向心涡轮采用蜗壳后流道内流场有明显改善,效率有所提高.采用设计的矩形截面蜗壳,向心涡轮的功率提高1.7%.通过内部流场的分析,揭示了内部流场结构和损失机理,为向心涡轮的设计和优化提供了一定的参考.      

基于动网格的涡轮流场仿真方法及特性分析

为提高涡轮流场仿真计算的收敛性和结果的精度,基于动网格的流场仿真技术,探讨了涡轮瞬态流场仿真的 2步方法——先稳态后瞬态计算。计算结果表明:在转子—静子间滑动界面上出现了计算方程守恒引起的流场参数阶跃,流场参数变化趋势与一维等熵流动理论分析结果一致。     

某小型发动机高压涡轮导向器环吹试验研究

介绍了某小型发动机高压涡轮导向器的环吹试验，初步研究了该导向器的特点。试验结果表明，试验的高压涡轮导向器流场周期性较好，导向器的性能达到了设计指标。     

非轴对称端壁技术的应用及发展

非轴对称端壁技术作为一项先进的航空涡轮设计技术,能够有效地降低涡轮通道二次流损失．提高涡轮效率。国外对非轴对称端壁技术进行了大量的机理研究和试验验证,并将其应用于先进航空发动机的涡轮设计。本文介绍了国外非轴对称端壁技术的发展现状和特点,总结并分析了非轴对称端壁技术的发展趋势。     

某型燃气涡轮起动机涡轮级与喷管一体化三维流场数值计算

通过三维N-S方程,对某型燃气涡轮起动机涡轮级和喷管内部的三维流场进行了数值模拟计算,分析了通道内的涡系产生和流动分离,揭示了该涡轮级和喷管内部流场的物理特征,为该起动机的改进设计提供了理论依据,并为整机的数值模拟奠定了基础。     

冲角变化对涡轮叶栅内间隙流动的影响

航空发动机涡轮工作效率的损失很大程度在于涡轮叶尖间隙损失,而叶尖区域泄漏流动的形成机理强烈地依赖于叶栅的运行工况,因此有必要研究来流冲角的变化对涡轮叶栅内间隙流动的影响。为此在低速风洞中对三套不同叶片积迭线形状的矩形叶栅进行了实验,测量了间隙内以及沿流动方向8个横截面的气动参数。通过对实验结果的分析和讨论,认为随着冲角的增加叶顶压差与端壁流道横向压力梯度增大,同时叶栅的总流动损失也随之增加。     

回流阶式蒸发器的研究

空冷型燃机的热动力学的障碍和超级高温合金的昂贵成本，促使人们正在寻求新的燃机冷却方案。回流阶式蒸发器正是在这种形式下应运而生的。采用这种冷却燃机的热端部件转子材料范围可以放宽，也能运行在较高的温度状态。同时扩大了转子叶片的承温能力，并且有与热管相似的自我调节功能。本介绍了回流阶式蒸发器的工作原理、主要优点、试验模拟和结果，并提出了热流极限的近似理论模型。     

局部进气ATR涡轮性能影响因素数值模拟研究

为研究局部进气条件下ATR涡轮内的流动特性,对局部进气涡轮进行定常和非定常数值模拟.定常计算采用冻结转子方法,改变动叶与静叶的周向相对位置研究涡轮内流场特征;改变进气扇区布局、进口参数和局部进气度,研究其对涡轮性能的影响.研究结果表明,对于给定局部进气度,进气扇区整体布局时,涡轮性能的优越性最大;在局部进气ATR涡轮的设计中,需要综合考虑流量、效率和功率3个因素来决定局部进气度.不同位置定常流动结果的平均值与非定常流动的时均值存在差异,非定常计算更好地展示了静叶尾迹和流动积累效应的影响,因而更加可靠.     

波浪形非均匀间隙封严结构影响涡轮性能的数值模拟

利用数值模拟的方法研究了波浪形非均匀间隙封严结构和均匀轴向间隙封严结构下轮缘封严气流对涡轮性能的影响.研究表明:燃气入侵与出流结构受到静盘、动盘及主流切向速度的影响,以低于动盘转速同向旋转,并改变了转子的进气条件,增强了压力面马蹄涡强度,因此对转子出口流场造成很大影响.封严气流与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,造成涡轮效率的下降.与均匀轴向间隙封严结构相比,波浪形非均匀间隙封严结构使大的入侵与出流结构破碎为小的结构,对涡轮性能的负面影响减小,涡轮效率提高了0.9%.结果证明了波浪形非均匀间隙封严结构在具有较好的封严效果的同时提高了涡轮性能.