基于某微型发动机对比分析轴流涡轮与向心涡轮的气动性能与减重

为了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,以实现发动机更高的性能,本文基于某直径12厘米微发样机开展研究。本文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,将之与该样机所采用的微型向心涡轮进行对比,基于CFD和CAD工具分析了两种叶轮在功率、效率及尺寸重量方面的差别。研究表明：在先进微小型发动机总压比提高（4～6,本文设计采用4.2）的情况下,涡轮为了在保持效率的同时满足压气机更高的功率需求,轴流式必须采用双级方案,向心式单级就可满足要求;在压气机压比4～6条件下,进一步对比双级轴流与单级向心方案的结果显示,当流量小于500g/s时,向心式具有尺寸重量优势,发动机能实现较高的推重比。针对厘米级微型发动机,在发动机增压比较高且没有超出单级向心涡轮做功能力的范围时,向心涡轮方案是更好的选择。     

逆向涡流发生器减小涡轮叶尖泄漏流的数值研究

逆向涡流发生器可以有效减小涡轮叶尖泄漏流,提高叶片周向载荷.对影响逆向涡流器减小泄漏流的几个关键因素进行了数值研究,结果表明:入流和出流孔径比增大,涡流器流量增加,对叶尖泄漏流的减小效果越好,孔径比2∶1时比孔径比1∶1时涡流器流量增加了24%,叶尖泄漏流量降低了0.8%,叶片周向载荷提高了1%;与叶片前缘布置涡流器相比,在叶片中后部布置时涡流器流量增大,叶片周向载荷提高;涡流器布置越密,涡流器总流量增加,布置33个涡流器比布置9个涡流器叶尖泄漏流量降低了1.6%,叶片周向载荷提高了2.7%;出流角越小,叶尖泄漏流量越小,叶片周向载荷越大,出流角30°时泄漏流量比60°时降低了1.2%,叶片周向载荷提高了约2%.     

变循环发动机前涵道引射器简化模型实验与仿真研究

以典型前涵道引射器基本构型与气动参数为基础，开展了前涵道引射器简化模型实验研究。通过实验与仿真相结合的方法，研究了变循环发动机在单、双涵道模式下前涵道引射器的气动性能以及不同核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage，CDFS）旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响，得到了流量比、压比对前涵道引射器气动性能的影响规律。结果表明，在单涵道模式下，仿真得到的沿程截面的总压分布与实验结果非常吻合，CDFS旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响可以忽略，而出口总压恢复系数随CDFS旁路喉道马赫数增加而降低。在双涵道模式下，SST k-ω模型能够较好地模拟气流的掺混过程，但在出口总压分布上，实验结果更加均匀；CDFS旁路出口角度对两股气流的掺混影响较小；压比一定时，出口总压恢复系数随出口背压的增加先增加后降低；压比为1.35时，流量比变化1.1，总压恢复系数的变化量约为2.6%，压比为1.19时，流量比变化1.2，总压恢复系数的变化量约为0.46%。     

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.     

发展用于高速飞行器前体/进气道匹配设计的逆特征线法

发展了一个可以在给定激波形状的条件下得到相应型面的逆特征线法,解决了前人方法求解鲁棒性和精度差的问题.对于一个非均匀超声速来流下给定形状的激波,该方法可求解出能生成该激波的气动型面及依赖域流场.数值校验表明:在马赫数为5的来流条件下逆特征线法按给定的圆锥激波计算的圆锥形状(锥顶角)相对误差小于0.5‰;通过两级轴对称激波的流场校验计算,可精准地求解出对应于此流场的两级外压缩圆锥.应用该方法设计了3个气动问题的造型:具有两级激波的Bump型面、马赫数为4的乘波前体以及乘波前体与进气道一体化造型.流场CFD计算结果显示这些造型设计效果良好,说明该逆特征线法可为这些问题的提供了一种途径.     

附加涵道风扇系统叶尖涡轮流动特征

针对一种可极大提升涵道比的气驱附加涵道风扇推进动力系统开展研究，采用数值模拟手段重点分析了其核心部件叶尖涡轮的流动特征和工作机理，为后续发展这种大涵道比推进动力奠定理论基础。研究表明:叶尖涡轮实质上是具有低稠度低展弦比特征的轴流涡轮，稠度可低至0.6，展弦比可低至0.4。低展弦比造成的叶尖涡轮间隙泄漏损失增大为原来的2倍，泄漏涡径向侵入叶根，主流流动损失加剧，大大降低了低稠度涡轮能量提取效果；稠度降低会使得喉道位置迁移，导致气流偏转和膨胀加速能力大幅下降；基于这一结构，提出有效提能区和能量提取率来阐明其做功机理并表征低稠度叶尖涡轮的出功能力。      

一种控制微涡轮叶尖泄漏流的新技术(英文)

提出了一种逆向涡流发生器控制叶尖泄漏流的新技术,利用压力面和叶顶面的压力差将气流从压力面引入,在叶顶面逆着叶尖泄漏流方向高速射出从而控制和减小叶尖泄漏流。对某典型毫米尺度涡轮叶栅进行了有/无逆向涡流发生器流场的数值研究,分析了逆向涡流发生器对流场及叶栅性能的影响。结果表明在典型进口条件下,逆向涡流发生器使得叶尖间隙泄漏流量降低了2.8%,周向载荷升高了7.7%;与无逆向涡流器情形相比,有逆向涡流器时涡轮效率提高了约1.2%。     

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(＞...     

低展弦比微型轴流涡轮弯叶片设计

针对微型轴流涡轮机面临的低展弦比、低雷诺数导致效率降低的问题,以某型200kW微型燃气轴流涡轮发电机高压涡轮为研究对象,采用数值模拟方法开展了低展弦比下微型弯曲轴流涡轮叶片设计技术研究。对展弦比为0.88的涡轮静叶,分析对比了正弯和J型弯静叶对微型涡轮流场的影响,结果显示:正弯静叶顶部出口气流角较大,造成下游动叶叶尖泄漏损失增大,整体效率下降;而J型弯方案抑制了下游动叶叶背中径的流动分离,整体性能较原型有所提升。然后,研究了J型静叶弯高和弯角对涡轮性能的影响规律,结果表明:采用大弯高小弯角设计的J型静叶提高了静叶根部通流能力,同时合理分配了静叶通道内的负荷以及出口气流方向,对涡轮级流场的改善效果更佳。J型静叶弯高为1、弯角为+5°时,级效率达到0.852,流量为1.205kg/s,较原型分别提高了0.77%和0.96%。     

一种减小涡轮叶尖泄漏流的方法

提出了一种叶尖逆向涡流发生器减小叶尖泄漏流的方法,利用压力面和叶顶面的压力差,将气流从压力面引入,从叶顶面逆着叶尖泄漏流方向高速射出减小叶尖泄漏流.对某典型毫米尺度涡轮叶栅进行了有/无逆向涡流发生器流场的数值对比分析,分析了不同进口条件下逆向涡流发生器对叶尖泄漏流和周向载荷的影响.结果发现:在典型进口条件下,逆向涡流发...