旋转诱导燃气入侵的数值模拟

在航空发动机涡轮级中,动盘的旋转会导致主流高温燃气从盘缘封严侵入转静盘腔系统.通过计算流体动力学方法对轴向封严结构下旋转诱导燃气入侵进行了研究,得到了在不同封严冷气流量下盘腔压力和封严间隙处径向速度的变化规律.分别计算基于质量和基于浓度定义的封严效率分布,并得到了相应最小封严流量.在不同旋转雷诺数下,用压力参数法估算了最小封严流量,所得结果与公开发表的经验关系式计算得出的一致.      

1.5级涡轮实验台前腔燃气入侵实验

在1.5级涡轮实验台上,针对不同转速和不同封严质量流量,分别采用稳态压力测量、瞬态压力测量和二氧化碳体积分数法对燃气入侵现象进行了实验研究,以确定不同工况下主流的动静叶相互作用对燃气入侵的影响以及入侵到盘腔的燃气在腔内与冷气的掺混过程.结果表明:静叶后的时均压力在周向有明显的周期分布,部分区域封严环外的压力高于腔内压力,且随着封严质量流量增加,这一区域逐渐缩小;动叶扫掠带来同频率的压力波动,对于燃气入侵的发生有着重要的影响;通过二氧化碳体积分数实验获得了最小封严质量流量,并得到在封严质量流量不足情况下燃气沿着静盘侧入侵盘腔的结果.      

燃气涡轮发动机压缩系统稳定性数值模拟的研究

论发展了一种预测航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的数学物理模型。其中压缩系统流动过程的动态模型采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程；叶片排对流动过程的影响则应用“激盘－滞后－容积”模型；压缩系统稳定性模型则采用了对整个压缩系统统一判别的方式。计算过程与发动机非设计性能计算相关联，使得压缩系统稳定性分析在真实的发动机运行环境（调节规律）下进行。在均匀进气条件下应用这种方法，对一台九级压气机的涡轮喷气发动机和一台三级低压风扇、五级高压压气机的低涵道比、混合排气、带加力的涡轮风扇发动机在均匀进气和畸变进气条件下的稳定工作边界，分别进行了数值模拟和分析。结果表明，发展的数学物理模型和计算机软件系统可以正确的反映发动机压缩系统的工作状况，用它判别发动机不稳定工作点的重复性和灵敏度都比较好。     

某型航空发动机燃气涡轮转子组件有限元分析

在某型航空发动机试车后,发现涡轮盘、导流盘和封严环组件的压紧螺母与封严环之间出现间隙,为此,对该组件进行了有限元计算分析。计算中考虑了接触、过盈配合及摩擦力,探讨了压紧螺母松动的原因,提出了改进措施,并在实践中进行了验证。     

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。     

燃气涡轮发动机实施矢量的新方法

据国外最新资料报道,美国艾利逊先进技术开发公司(Allison Advanced Development Company)最新推出了一种最新型的航空发动机推力矢量技术。该技术的具体实施,主要借助于一体化设计的燃油喷杆组件完成。该组件的径向喷油杆和横向喷油杆构成如图1所示的“T”形构件,并在涡轮出口中心锥体周围沿加力简体的周向间隔地径向向内定位,从而形成若干个沿周向分割的扇形燃烧区。T形构件的接合部位既能起到火焰稳定器的作用,又可以使发动机推力产生热推矢量。 如图2所示,当“T”形构件按不同周向方位对相邻扇形区构成的燃烧区进行非对称供油时,必须引起非对称性局部燃烧,这样,就导致了燃气温度和速度非对称地局部增加。     

印度燃气涡轮研究所概况

笔者于去年随中国航空研究院代表团赴印度参加中印航空科技合作第二次联合委员会会议。其间除参观了东道主印度国家航空实验室(NAL)外,还访问了印度科大(ⅡSC)和燃气涡轮研究所(GTRE)。GTRE由印度国防部所辖,是首次接待中国访问者,为了安排这次访问,NAL作了很大努力,中国驻印大使馆也做了很多工作。     

某型燃气涡轮起动机改进设计与数值计算验证

为提高某型航空发动机燃气涡轮起动机的输出功率,重新设计了其离心压气机;为验证新型压气机的匹配性能,进行了压气机/涡轮共同工作的全三维数值模拟研究。结果表明,在设计状态下,新型压气机性能有所提高,起动机输出功率提高近13%。     

跨声速涡轮轮缘复合封严结构的数值研究

为了保护航空发动机涡轮盘,阻止高温燃气向盘腔内部深入,破坏核心部件,通常将压气机冷气引入转静盘腔,以抵抗高温燃气入侵,并对涡轮部件进行冷却。本文利用非稳态与稳态数值计算方法,研究了跨声速涡轮设计工况(Reφ＞107)下的两种复合封严结构：静盘存在封严环的覆叠封严和动盘带封严齿的咬合封严结构,并与轴向封严结构进行对比。在本文所研究的范围内,对非稳态计算进行快速傅里叶变换(FFT)的结果表明：跨声速涡轮流动中,叶栅通道存在由激波引起的高压区,导致了燃气的剧烈入侵,因此在特征信号频谱中f/fblade=2处存在峰值,这是跨声速涡轮燃气入侵最显著的特点。稳态计算证明复合封严结构封严性能良好。静盘封严环将盘腔分割为上下两个容腔,入侵容腔滞留了绝大部高温燃气,因此高半径处封严效率较低,但盘腔低半径处封严效率明显提高,在Cw≈996时,两种复合封严结构在r/b=0.96以下都能达到很高的封严效率。咬合封严能够增加燃气流动阻力,有效减小封严冷气使用量。但是两种封严结构在当冷气流量系数从Cw=199逐渐增大到2000时,高半径处封严效率并没有明显的提高,封严效率仅提高了20%~30%。     

1.5级涡轮前后轮缘密封封严流动特性研究

为了研究前后腔轮缘密封封严特性和封严出流与主流的交互作用,对转静叶片之间带有前后封严腔的1.5级涡轮进行了三维定常数值模拟,研究了不同封严流量下前后封严腔出口处流场分布并采用附加变量法对比分析了前后腔轮缘密封效率。结果表明：前封严腔主流燃气入侵位置主要受到来自上游导叶尾迹的影响,后封严腔主流燃气入侵位置主要受到下游导叶前缘位势场影响;封严出流影响了20%叶高以下的主流区域,增大了轮毂二次流强度;采用相同封严流量下时前封严腔的封严效率较后腔更低且有着更大的封严效率波动。     

受涡轮动、静叶片影响的轴向轮缘密封非定常封严特性研究

为探究受涡轮动、静叶片单独及共同作用下的轮缘密封结构封严与入侵的精细流动机理,通过SST湍流模型,对处于无叶片、仅存在动叶、仅存在静叶、动静叶均存在的4个不同环境中的典型轴向密封结构进行非定常数值模拟.结果表明:动、静叶片通过改变轮缘密封间隙出口处高、低压区之间的面积与压差,和增加间隙内的再循环及泰勒-库特型流动强度,...     

高压涡轮圆柱孔状径向轮缘密封封严特性的数值研究

径向轮缘密封结构在增大主流燃气入侵阻力同时也会阻碍封严冷气的向上输送,为此提出了一种在径向轮缘密封的径向内齿上打孔来改善其封严性能的设计思路.针对Lisa1.5级高压涡轮实验台,设计了一种传统和五种带孔新型的径向轮缘密封,采用数值模拟方法评定了圆柱孔孔径D和孔心距Sh对封严性能的影响,并揭示了其改变封严特性的流动机理....     

涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

连续旋转爆震波与涡轮静子叶栅相互作用数值研究

为了研究旋转爆震燃烧与涡轮部件组合的工作特性,对旋转爆震波与涡轮静子叶栅的相互作用过程进行了数值模拟,考虑了不同传播方向的影响,详细分析了爆震波与涡轮叶栅相互作用机理。结果表明,爆震波顺着叶盆方向传播时,在叶栅的叶盆处出现高温区,逆向传播时,同时在叶盆和叶背处都出现高温区;并且顺向传播时产生的反射波强度更大。分析了涡轮进出口压力和温度的变化过程,发现涡轮对压力的波动有一定抑制作用,顺向和逆向传播的爆震波经过涡轮叶栅后压力变化幅值分别下降了68%和57%。得到了对于当前叶栅构型,顺向传播的爆震波总压损失为11.03%,而逆向传播的爆震波总压损失为6.7%。     

高压涡轮工作叶片内部流场特性试验研究

为研究变工况特性下涡轮叶片内部通道流场特性,选取高压涡轮二级工作叶片内部通道作为研究对象,在5种不同的进口雷诺数（Re）工况下,利用TRPIV（时序PIV）技术对通道内的流场特性进行了试验研究。Re变化为32426～64700,模拟了飞行循环过程中的若干典型工况。在先进加工技术的辅助下,保留了真实叶型约束下的完整内冷三通道带肋结构,捕捉到一些不同于常规截面两通道模型等简化模型中的流动现象,包括：弯头区域不对称主流分离结构和非对称二次涡系。通过数据分析,明确了高、低雷诺数下流动特性的差异。在高Re工况条件下,弯头出口附近的冲击区域增大;对于第一通道内的二次流,在接近弯头位置处,横向速度分量会导致纵向涡对的强度被削弱,高Re工况下拥有更加剧烈的影响,极有可能削弱吸力面的换热强度。     

涡轮叶片前缘双排孔气膜冷却数值模拟

为了解冷气喷射对涡轮叶片前缘气膜冷却特性的影响,对圆柱形前缘双排孔气膜冷却进行全三维N-S方程数值模拟。计算域网格采用FNM形式的多块结构化网格。研究了射流与主流的流动机理,分析了不同吹风比下对壁面冷却效率的影响。计算结果表明,壁面平均绝热效率随吹风比的增大而升高。针对第二排孔结构参数进行优化设计,优化后的冷却效果要明显优于原始结构。     

叶顶压力侧小翼对跨声速涡轮级气动性能影响的数值研究

为了研究涡轮叶顶间隙泄漏流动有效控制的方式,本文将肋条小翼结构这种被动流动控制技术应用于涡轮级动叶叶顶中,以控制跨声速涡轮级叶顶间隙泄漏流动并改善其气动性能.通过数值模拟方法,分析了采用平顶方案、肋条方案和小翼肋条方案的涡轮级气动性能和叶顶间隙流动特性,研究了变间隙条件下小翼肋条方案对间隙泄漏流的控制效果,深入探讨小翼...     

涡轮动叶部分吸力侧肩壁凹槽状叶顶气热和冷却性能研究

为了获取高性能的燃气涡轮动叶叶顶结构和气膜冷却布局,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 方程和标准 湍流模型的方法研究了涡轮动叶部分吸力侧肩壁的凹槽状叶顶气热和冷却性能。数值模拟得到的动叶平叶顶传热系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的准确性。对比0.95吹风比时动叶凹槽状叶顶沿中弧线和近压力侧布置的2种气膜冷却布局的叶顶泄漏流动形态、传热系数和气膜冷却有效度,指出近压力侧的气膜冷却布局B的总压损失大于沿中弧线的气膜冷却布局A;但近压力侧的气膜冷却布局B具有更好的冷却效果。基于近压力侧气膜冷却布局的凹槽状叶顶结构,通过切除尾缘处不同轴向长度的吸力侧肩壁,设计了5种不同的部分吸力侧肩壁的叶顶结构。结果表明：切除10%吸力侧肩壁的Case 7能有效降低总压损失,平均总压损失系数相比完整肩壁的Case 2降低了6.3%;叶顶净热流密度减少和传热系数分布与Case 2基本相同,尾缘处的冷却效率因冷气受到压制附着于叶顶而提高。