普惠E~3高压涡轮级气动性能验算

利用自主开发的涡轮气动设计体系对普惠公司(P%W)E3高压涡轮叶型进行反设计.并在考虑气膜冷却的前提下对反设计得到的涡轮级进行全三维气动计算验证.计算结果与试验数据对比表明.三维计算结果与试验数据吻合较好,通过叶型反设计和计算验证掌握了该涡轮的设计特点.并证明了该涡轮气动设计体系具有较高的可信度和精度,可用于大涵道比涡扇发动机涡轮部件的设计.     

小型涡扇发动机涡轮气动设计研究

针对小型发动机任务及涡轮部件的工作环境,详细分析了小型发动机涡轮部件内部流动特点,探讨了小型发动机涡轮的气动设计思路和方法,并在此基础上完成了某1 000 daN推力量级的小型涡扇发动机高/低压涡轮部件的气动方案设计,三维黏性数值模拟结果表明,所设计的高/低压涡轮均达到了发动机总体方案的要求且具有较高的气动效率.      

变几何低压涡轮气动性能研究

为了探索变几何涡轮气动设计方案,导向器与动叶均采用厚前缘与后加载型叶片设计以及动叶进口负攻角设计。为了提高涡轮输出功,低压涡轮采用了大流道扩张角设计。应用数值方法对此设计涡轮进行了不同导向器开度以及有无导向器端壁径向间隙的涡轮气动性能与流场结构特性研究,并对大流道扩张角的导向器端壁径向间隙变化进行了理论分析。结果表明在设计点工况下,基本涡轮效率为0.903,相对折合流量为1.006,满足设计需求;大流道扩张角下,导向器端壁径向间隙对涡轮性能影响很大;在设计工况下,随着导向器开度的逐渐关小,涡轮主要气动参数反力度降低,通流流量下降,而效率变化相对较小,有利于调节发动机工作状态。在非设计工况下,涡轮效率随膨胀比变化亦相对较小。可见此设计变几何涡轮给发动机带来较大收益。     

低压涡轮动叶叶顶间隙泄漏流动特性数值计算

为了获得低压涡轮动叶叶顶间隙泄漏流动特性,采用数值方法研究带冠动叶叶顶间隙对低压涡轮级气动性能的影响。 对试验测量的扇形带冠叶顶叶栅气动性能进行数值计算,得到的叶栅总压恢复系数与试验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠 性。对没有间隙和3 种动叶叶顶间隙条件下低压涡轮级的气动性能和动叶叶顶间隙泄漏流动特性进行对比分析。结果表明：带冠动 叶叶顶间隙增大导致转子叶尖的出口气流角增大和叶顶间隙泄漏量增加;涡轮级气动效率降低和叶顶间隙泄漏量增加与带冠动叶 叶顶间隙增大呈近似线性变化;在相同叶顶间隙条件下,出口马赫数对叶顶间隙泄漏量的影响较小;随着涡轮级出口马赫数的提 高,出口气流角度减小。     

测试布局对涡轮效率的影响研究

在涡轮稳态性能试验中,由于探针几何堵塞限制,进/出口测量截面上过少的测点以及近端壁流场信息缺失影响涡轮等熵效率的评估精度。本文基于涡轮出口截面近壁边界层与平板湍流边界层速度分布相似的假设,首先发展了涡轮近壁边界层总温、总压计算模型,然后利用PW E³单级高压涡轮的数值计算结果,分析发现此近壁边界层模型能大幅改进涡轮测试效率的精度,轮毂近壁测点位于5%~10%叶高、机匣近壁测点位于90%~95%叶高时,近壁边界层模型修正的涡轮效率精度最高。测试截面位于涡轮出口3倍转子叶根轴向弦长下游时,在不同的涡轮工况下,涡轮的修正效率与CFD全流场计算效率的误差小于0.3%。利用此模型,进一步分析了探针周向、径向测点数对涡轮效率的影响,获得了高精度测试效率所需的最少周向测点数为5,最佳径向点数可取7~10。获得的试验数据后处理方法以及测试探针布局准则,能用于指导工程上涡轮性能试验方案设计以及试验数据后处理。     

涡轮泵实时故障检测短数据均值自适应阈值算法

为了实时监控液体火箭发动机涡轮泵的状态，提高其安全性，降低其故障带来的破坏程度，提出了短数据均值自适应阈值算法(SDM—ATA)，建立了实时故障检测的统计学模型、研究了阈值区间均值与方差的自适应计算及其带宽系数的自适应训练、故障综合决策逻辑，以及故障数据对阈值贡献的踢除等方法，并利用某型火箭发动机地面试车涡轮泵振动测量数据和某型转子试验平台实时测量数据对该算法进行离线和实时在线故障检测试验验证。结果表明，SDM—ATA没有发生误检测情况，并具有实时故障检测的能力。     

高压级涡轮非轴对称端壁造型数值研究

非轴对称端壁造型在叶轮机械的设计中得到了越来越多的重视.本文以某高压涡轮为研究对象,通过对端壁面上凸、端壁面下凹和轴对称端壁流场的数值模拟,分析了非轴对称端壁造型对涡轮性能的影响,探讨了非轴对称端壁造型降低流场二次流流动损失的机理.结果表明:采用非轴对称上凸端壁可提高涡轮气动效率0.57%,而采用非轴对称下凹端壁则导致效率下降0.56%,合理使用非轴对称端壁造型技术可有效降低二次流流动损失并提高涡轮气动性能.     

超高速涡轮泵轴系临界转速计算方法及影响因素分析

针对小型超高速涡轮泵轴系,采用等效刚度法、经典理论法及传递矩阵法对其临界转速进行推导和计算,对不同计算方法的计算结果进行了比较与分析。结果表明,使用传递矩阵法可以得到轴系1阶、2阶临界转速的更精确解;轴承支承刚度对涡轮泵轴系的临界转速有较大影响并呈正相关;涡轮轴质量主要影响2阶临界转速;涡轮盘和泵叶轮的回转效应及旋转轴的剪切效应,在一定程度上对临界转速分别起到增大和降低的作用。     

涡轮气动设计对空气涡轮起动机自由运转转速的影响分析

为控制空气涡轮起动机自由运转,减少自由运转转速过高对空气涡轮起动机结构重量及安全运行带来的不利影响,开展了涡轮气动设计对空气涡轮起动机自由运转转速的影响分析,提出通过控制来流攻角降低自由运转转速的气动设计方法,识别了影响来流攻角的四个主要因素：叶片构造角、反力度、载荷系数和流量系数。结果表明：来流攻角对自由运转转速具有非常明显的影响,通过选择合适的气动参数,可有效提高峰值功率转速下的负攻角,增强大转速状态下的转子攻角损失,进而降低涡轮自由运转转速。进一步,整机试验结果证明,采用本文提出的设计方法,优化后的涡轮在峰值功率基本不变的前提下,峰值功率转速降低17.8%,自由运转转速可降低近20%。     

CFM56高压涡轮间隙的优化

由法国SNECMA公司和美国GEAE集团组成的CFM国际公司在CFM56发动机研制一开始就努力缩小单级高压涡轮叶片的叶尖间隙而又使其摩擦最小。各型CFM56发动机的验证试验表明,叶尖间隙增大对发动机性能不利。 现在,美国通用电气(GE)公司研制了一种小型不冷却的间隙测量装置,它可以在运转条件下测量高温环境下的高压涡轮叶片的叶尖间隙。该工具与新的分析技术相结合,导致CFM56发动机及其短舱的某些设计更改,通过机匣圆度与转子同心度的改善,发动机性能和性能保持能力得到提高。     

基于参数化脊线的非轴对称端壁成型方法

为提高低展弦比涡轮叶片气动与换热性能,抑制叶栅二次损失并降低端壁换热水平,提出了一种基于参数化脊线的非轴对称端壁成型方法。非轴对称端壁参数化成型基于位于叶片压力侧的脊线及周向余弦曲线构成,预先保证了端壁压力侧较高、吸力侧较低的基本形状。以涡轮叶栅出口测量截面质量平均二次动能系数最小及端壁面积平均换热系数最小为优化目标,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法进行气动与换热优化,得到非轴对称端壁造型。优化结果表明:与平端壁相比,非轴对称端壁涡轮叶栅出口测量截面的质量平均二次动能系数降低了27%,端壁面积平均换热系数降低了6.9%。非轴对称端壁造型通过平衡叶片间横向压力梯度,改变了马蹄涡与通道涡位置,通道涡和壁涡强度得到抑制,有效降低了涡轮叶栅二次损失及端壁换热。     

基于流形学习的涡轮泵海量数据异常识别算法

为了获取海量试车数据中的信息以分析涡轮泵的健康状态,提出一种基于流形学习的海量数据异常识别算法.该算法将反映涡轮泵状态的振动数据重构到高维空间中,利用扩散映射方法直接对其进行学习,提取出数据内在的低维流形特征,以可视化的方式直观地识别出涡轮泵数据中的异常状态.仿真与试车数据验证结果表明了所提算法的可行性和有效性.该算法克服了传统方法解决非线性问题不足的缺点,为试车后涡轮泵的健康分析提供了一条新的途径.     

涡轴发动机动力涡轮转子失去负载转速预测

为满足发动机适航规章CCAR33.27对涡轮失去负载时转子完整性的设计要求,研究涡轮失去负载瞬间转速随时间变化规律.采用多点稳态法对动力涡轮超转瞬时气动效率与转速对应关系进行研究,在此基础上,假设动力涡轮进口燃气能量不变,进而分析动力涡轮扭矩与转速的变化关系.然后采用理论力学和工程分析相结合的方法建立了动力涡轮失去负载...     

辐射测温技术在涡轮叶片温度场中的应用

本文利用辐射高温计ROTAMAPII测量了某型燃机二级涡轮转子叶片的发射率。通过对该燃机的试车获取了多个试验状态的数据．对试验状态9100r／min、2260kW下的试验数据进行分析表明,该燃机涡轮叶片温度场与理论要求是吻合的。     

轴流压气机效率测量两类影响因素的试验研究

针对压气机试验系统中影响效率参数测量的主要因素,开展了出口热电偶反串测温和前置齿轮箱机械损失标定试验,验证了热电偶反串测温方法应用于压气机低压比小温升工况效率测量的有效性,获取了齿轮箱机械损失改进修正系数随转速的变化规律。试验结果表明:小温升工况下,压气机温升效率对出口总温测量误差的变化非常敏感。与常规测温方法相比,热电偶反串测温方法实现了压气机温升的直接测量,在低压比小温升工况效率参数测量上具有明显优势。齿轮箱机械损失对于压气机扭矩效率测量具有显著影响,中低转速时简化修正系数会导致安装齿轮箱后的压气机扭矩效率测量结果偏高,采用改进修正系数可以提高压气机扭矩效率测量的准确性。     

不均匀进口总压对涡轮气动性能的影响

为了探究不同进口总压分布对涡轮气动损失的影响规律及作用机理,以 GE-E3 发动机高压涡轮的第 1 级导叶为研究对象,通过设定总压畸变高度和强度,利用数值模拟方法对多种涡轮进口 1 维分布形式下的涡轮气动性能展开研究。结果表明:当端区总压强于中展区总压时,静叶压力面附近流体向中展区汇集碰撞,出口效率降低;随进口总压畸变强度的提高,静叶出口效率线性降低;当端区总压弱于中展区总压时,静叶出口效率变化不大;单级涡轮出口效率随总压畸变形式变化的规律与静叶的类似。     

非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气热性能研究进展

非轴对称端壁设计因能够有效地减少涡轮叶栅的二次流损失和提高气动性能而在高负荷涡轮设计中得到应用。简要回顾了涡轮叶栅二次流模型和非轴对称端壁造型方法,重点综述了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气动性能研究进展和抑制端壁二次流的作用机制,介绍了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮端壁气热耦合作用的冷却特性研究进展,总结了高负荷涡轮非轴对称端壁设计技术的应用成果,展望了非轴对称端壁设计在高负荷涡轮的高效气动和冷却布局应用方面需要深入研究的内容。     

扇形板压力畸变模拟器特性研究

根据小型涡轮发动机的使用条件,总压畸变是对发动机气动稳定性影响最大的外部降稳因子,小型涡轮发动机常采用模拟板方法为抗畸变试验提供总压畸变流场。本文设计了扇形板式可调压力畸变模拟器,用于涡扇发动机抗畸变试验。通过数值模拟获取了畸变模拟器的全流场特征,通过畸变模拟器吹风试验表明,扇形板后的流场掺混特性较好,扇形板畸变模拟器堵塞系数在8%～16%内,畸变模拟器的综合畸变指数在2%～13%内连续可调。畸变模拟器满足小型涡扇发动机抗畸变试验所需综合畸变指数要求。     

轴流压气机效率测量两类影响因素

<正>轴流压气机气动性能试验是航空发动机研制中非常重要的技术环节,试验主要目的之一就是准确获取压气机气动性能参数。在用于评定压气机气动性能的主要指标参数中,通常质量流量和增压比容易准确获取,而效率参数的准确测量难度较大。特别是低压比小温升工况效率参数受各种因素影响,测量结     

高负荷涡轮叶栅气动性能试验

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对某型高负荷涡轮静叶栅进行了吹风试验.应用五孔球头测针,详细测量了在三个冲角下由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布.试验结果表明,沿叶高变负荷结合叶片弯曲,在满足高负荷要求的条件下能够控制边界层的集聚、转捩与分离.在主流区采用前加载叶型,保证叶片能承担高负荷.在两个端壁区采用后部加载叶型,并通过叶片正弯进一步降低气动负荷,从而减小端壁横向压力梯度,削弱端壁横向二次流.正、负冲角仅影响叶片前缘吸力面或压力面的静压分布,引起气动负荷的增加与减小.研究的高负荷涡轮叶栅具有良好的冲角适应性.