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。     

超跨音对转涡轮大转折角叶片的高次多项式解析造型研究

超跨音对转涡轮高气流转折角特点对叶片解析造型提出了苛刻要求,本文探讨高次多项式解析造型方法设计超跨音对转涡轮大转折角叶型。在保证表征叶片气动特性的主要特征参数,如栅距t、尾缘转折角δ和叶栅喉道宽度bth等不变的情况下,通过调整和优化选择叶型辅助参数,采取控制叶背与叶盆型线曲率大小和叶栅槽道收敛性的方法,达到控制燃气速度在超音速大转折角叶栅内流场合理分布及抑制激波的生成与强度的目的。数值模拟实例表明,高次多项式解析造型方法能快速、高效、可靠地设计出高性能的超音速大转折初始叶型。      

自动优化技术在涡轮设计中的应用

为了提升计算机辅助的自动优化设计技术在航空发动机涡轮设计中应用的有效性,基于计算机辅助设计技术、CFD仿 真技术和智能优化算法,构建了集2维叶型设计优化和3维优化于一体的轴流涡轮设计优化体系。采用结合几何参数法和非均匀 B样条曲线发展了鲁棒性强、适应范围广的基元叶型参数化造型方法;结合自动结构化网格剖分、高精度CFD求解程序和智能优 化算法,开发了针对工程的高效涡轮2维叶型设计优化软件;以基元叶型为基础,发展了包括涡轮叶片3维积叠、扭转及子午流道 型线调整的涡轮3维参数化方法;耦合商业CFD软件和智能优化算法,开发了级环境下涡轮3维优化设计软件。利用3维优化设 计软件开展了某单级跨声速高压涡轮和高低压涡轮过渡段优化设计,使单级高压涡轮效率提高0.62个百分点、过渡段分离流动区 域大幅度减小。结果表明：涡轮自动优化技术能够满足工程应用需求,显著地提升了涡轮气动设计水平。     

基于涡轮叶栅数据库的叶片设计系统开发与应用

涡轮叶栅数据库的建设和应用,可为航空发动机设计体系中的叶片造型设计提供支持。本文介绍了包含涡轮叶栅设计参数和损失特性的数据库的建设方法及应用,并基于该数据库,开发了叶片设计系统。该系统能实时计算出损失特性曲线支持造型设计,具有叶型设计质量评测、参数优化及参数选择推荐等实用功能。经试验数据验证及算例校核,初步验证了其准确性和易用性。     

大扩张通道超音高载荷对转涡轮动叶三维设计方法研究

 为设计一种SRR结构具有大扩张通道的超音高载荷对转涡轮高压动叶，论文提出了一种更符合三维真实流动状态的S1流面三维造型法，详细阐述了三维造型方法基本原理，并用之设计了一个出口马赫数1.33，通道扩张角37.3°的超音高载荷对转涡轮动叶。三维数值模拟结果显示对转涡轮动叶流场参数分布合理，没有出现分离，滞止效率达到92.57%。实例表明三维造型法由于充分考虑涡轮流场三维性，对于通道扩张度大，流线曲率变化剧烈的涡轮叶片，比传统二维柱面造型法更精确、更实效。     

高负荷跨声速涡轮叶型设计方法研究

为合理控制涡轮叶栅内超声速区域的流动结构、降低激波损失,提出一种跨声速涡轮叶型设计方法。通过构造叶栅跨声速流动区域的波系结构,采用预压缩等设计,在提高涡轮叶型气动负荷的同时降低了涡轮叶栅内激波强度。应用该方法完成了高压涡轮的气动改进。结果表明:全新的高负荷跨声速涡轮叶型设计方法,对提高涡轮气动效率和涡轮叶型气动负荷、降低跨声速涡轮叶栅内的激波损失具有明显的效果。     

跨音涡轮叶栅计算机辅助设计

 本文介绍了一种跨音涡轮叶片造型、气动设计的计算机辅助设计方法,它是“涡轮叶片一体化CAD系统”的核心环节之一。对应用该方法设计的大负荷斜切口叶背反凹叶型作了叶栅吹风试验,获得了很好的超音叶栅性能,但亚音工况叶栅性能略受影响。     

对转涡轮特有叶型自动设计程序

作者曾为国家“七五”攻关课题完成了一套涡轮叶栅自动设计程序[1 ] 。在给定了叶栅进、出气马赫数 ,进气角与工质等熵指数后 ,此程序就能自动选择其它设计参数并计算出良好叶栅。但它是为常规涡轮叶型而编制的 ,未包括对转涡轮所特有的进、出气向量均在轴向同一边的叶栅 (见图 1下半 ,本文简称为小折转叶栅 ) [2 ] 。本文将此自动设计程序推广到对转涡轮 ,叙述了相应的物理考虑与数学处理 ,且给出多个算例。1　对小折转叶栅的特别考虑　　上述自动设计程序是用中心流线法解析解编制的。有关此法可详见文献 [3]。主要的设计自变参量是相对栅…     

考虑气膜冷却的涡轮静叶三维优化

为研究气冷涡轮叶片设计的特点,搭建了一个可以对采用气膜冷却的气冷涡轮叶片进行全三维优化的平台,该平台可在有冷气喷射的条件下对叶片进行多目标优化.优化平台中采用11参数法对叶片进行造型.针对该造型方法和优化设计的要求对优化变量的选取和优化策略以及优化目标的设定进行了一定的探讨,采用多岛遗传算法对优化问题进行寻优.采用该平台对某航空涡轮第一级静叶进行了优化.由于对不同目标进行了加权处理,所以随着优化目标侧重点的不同,优化方案的叶型呈现出不同特点,其气动效率和冷却效果均有所改善.     

超声速涡轮叶型全局气动优化设计

针对涡轮叶型全局优化设计计算时间长、样本空间大等难点提出一种可行的优化设计方法,该方法将控制叶型的17个参数作为优化变量,采用第二代多目标遗传算法进行全局自动寻优。基于此方法,搭建了涡轮叶型全局优化设计平台。利用此平台,分别采用轴向稠度固定和自由优化两种方式对超声速涡轮叶型进行了优化设计。数值计算结果表明,两组优化设计叶型在设计工况下总压损失系数比参考叶型分别低19.5%和10.0%,流道中的激波强度更弱,且在变工况条件下都具有较好的气动性能。深入分析流场与激波结构后发现,外尾激波相比于内尾激波对总损失的影响更大,通过减小气流膨胀转折角或内尾激波气流转折角能够有效削弱外尾激波强度。     

基于叶尖定时技术分析叶片非整阶次振动

介绍了非接触叶尖定时技术分析航空发动机转子叶片非整阶次振动,通过数值仿真结果与实测结果对比,验证了相关分析方法可有效的分析叶片非整阶次振动。详细介绍了某发动机台架试车转子叶片非整阶次振动测量实例。     

叶顶间隙偏差对叶片气动性能影响的不确定性研究

在压气机叶片加工过程中，实际加工得到的叶片外形与设计叶型不可避免会存在一些偏差。为研究叶片叶顶间隙尺寸波动对性能的影响，以Rotor37为研究对象，采用三维定常数值模拟方法，基于非嵌入式混沌多项式中二维正态分布变量产生方法，分别对叶片前缘叶顶间隙和尾缘叶顶间隙进行尺寸波动干扰，研究了叶顶间隙不确定性对气动性能和流场的不确定性影响，评估了公差带内叶顶间隙偏差与气动性能变化的相关性，并探究了叶顶间隙变化对叶片稳定裕度的影响机理。研究发现，叶顶间隙偏差对等背压条件下叶片质量流量、等熵效率和总压比的平均水平几乎不会造成影响；叶顶间隙偏差所造成的气动性能分布标准差随工况点向不稳定边界的逼近而逐渐增大。同时，叶顶间隙不确定性会导致样本稳定裕度均值有所降低，不确定性分析中稳定裕度均值相对原型叶片下降了2.42%。流场结构方面，叶顶间隙偏差主要影响80%叶高以上部分流场；叶顶间隙偏差对叶顶区域泄漏流产生的影响，导致了叶片稳定裕度的变化。     

弯曲叶片造型对涡轮叶栅作用力影响的非定常数值研究

为了研究弯曲叶片对涡轮叶片非定常气动力的控制作用,采用非定常数值模拟方法对高压涡轮两级的内部流场进行了计算,研究了第一级静叶采用正弯叶片时,汽轮机涡轮叶片非定常气动力和非定常压力场的变化.结果表明,采用弯曲静叶的设计方法,通过改变静叶出口处径向压力梯度和涡量分布,能够有效抑制动静叶片表面气动力的非定常脉动作用.但弯叶片给非定常压力场带来的改善是局部的,其对叶片中间截面改善最为显著.从整体上来看,正弯曲的静叶设计对于减小非定常流场中的压力脉动是有益的.     

叶型厚度参数与压气机转子叶片颤振关联性研究

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了大负荷弯掠扭组合叶片非定常粘性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。在气动设计满足设计要求的基础上,小范围调整大负荷弯掠扭组合叶片的最大厚度分布和最大厚度相对位置分布,并分别进行颤振预估计算。结果表明,最大厚度分布和最大厚度相对位置分布对颤振影响明显。在最大厚度相对位置分布相同的情况下,均匀减薄叶片,会使一阶动频减小,积累功率增大,颤振发生的可能性增大。研究结果对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

提高压气机压比的一项新技术轴流压气机分流小叶片

研究表明轴流压气机的分流小叶片技术具有提高压气机的性能(特别是压比)、减轻由气流引起的振动和颤振等优点,是一项有发展潜力的技术。虽然分流小叶片技术目前还没有在轴流压气机上得到应用,但其应用研究也已取得了一定的进展。分流小叶片在离心压气机上已得到较广泛地应用     

某型航空发动机涡轮叶片再制造

采用SEM和EDS分析高压涡轮叶片冷却孔间裂纹的失效机理,发现引起裂纹的主要原因是作用在叶片上的热机械疲劳应力和局部应力集中所致,针对K417铸造高温等轴晶材料熔焊产生晶界裂纹和晶界液化裂纹机理,开发了微弧等离子低应力焊接技术,控制了焊接缺陷的产生,实现了冷却孔裂纹的高压涡轮叶片的再制造.     

发动机叶片的维修与更换

受当前航空公司经济压力的巨大影响，整个航空维修供应链都需要深入研究富有成本效益的解决方案。例如，在发动机叶片维修中，航空公司到底应该选择修理还是更换。     

叶片包容性计算的软件实现

基于英国和俄罗斯叶片包容性设计方法和理论,应用VB语言开发了叶片包容性计算软件。以某型发动机第1级涡轮叶片为例,用该软件计算了叶片包容性和满足包容性条件下的最小机匣厚度。根据实际要求,也可以用该软件确定满足包容性要求的各设计参数     

宽弦风扇叶片技术的发展

宽弦风扇叶片是现代军民用航空发动机的关键技术之一。它具有增加发动机压气机喘振裕度、抗外物损伤、提高发动机推力、减少叶片数和减轻重量等优点,日益受到航空发动机制造商的重视,并已在一些发动机上应用这项技术。我国在这项技术研究中也取得了长足的进展     

涡轮叶片的粘塑性分析

本文应用正交各向异性Walker统一粘塑性材料本构模型，通过用户子程序的方法把本构方程引入大型有限元分析软件MSC．MARC中，用该模型对某发动机涡轮叶片进行了热粘塑性分析。计算结果表明，应用Walker模型对各向异性构件进行热粘塑性分析是可行的。