基于S1,S2流面理论的液体火箭发动机涡轮内部流场计算

应用S1,S2流面理论对某大型液氢/液氧火箭发动机涡轮泵的两级轴流式涡轮内部跨声速流场进行计算和分析。流面的求解采用流线曲率法。将混合平面法的思想用于流线曲率法的求解过程中,对动、静叶排之间的相互干扰进行处理,将复杂的非定常问题简化为定常问题,从而简化计算。粘性的影响通过几种损失系数进行修正。计算结果较好地描述了涡轮内部的流动情况,为进一步完善涡轮设计、提高涡轮性能提供了理论依据。     

风扇与轴流离心压气机一体化通流设计方法

在叶轮机设计的流线曲率法反问题中,统一了基于圆柱坐标系下流面角γ,λ的和流线准法线上流面角的两种叶片力分解方法,得到了适合于轴流、斜流和离心压气机的动量主控方程.提出一种双涵道叶轮机的一体化通流反问题方法,采用分流机匣变位或者涵道比变化这两种自动调整措施.将流线曲率法应用于双涵道叶轮机加以组合压气机的一体化通流设计.设计了某双涵道、双转子、轴流离心组合的压缩系统,用计算流体动力学(CFD)方法检验了可行性和适应性.讨论了轴向速度比的物理意义及在通道自动调整的轴流级通流设计中的应用,给出相应设计算例.      

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.      

叶栅二次流旋涡结构与损失分析

采用三维粘性程序对某型动力涡轮的第一级进行了数值模拟, 模拟结果捕捉到了该涡轮级叶栅的内部流的流动细节, 展示了涡轮叶栅端壁和型面流动及叶栅通道内的三维流动结构.通过对叶栅中的二次流现象和流动损失机理的分析, 揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋涡结构(马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾迹涡、泄漏涡等)的演变过程, 以及旋涡结构对损失分布的影响.      

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。     

大子午扩张涡轮扇形叶栅变工况性能实验研究

为了研究大子午扩张低压涡轮变工况下的流动性能,分别对大子午扩张低压涡轮的两套不同的扇形叶栅进行气动实验研究。在设计进口气流角条件下,分别进行不同高亚声速马赫数出口变工况实验研究;在出口马赫数不变的条件下,完成变攻角实验。分析了大子午叶栅流动损失特点和二次流的影响规律。结果表明:大子午扩张实验叶栅出口存在两个明显的高损失通道涡,上通道涡位于展向1/3位置,远离上端壁,且强度明显大于下通道涡。随着马赫数增加,叶栅出口流动损失增加了15%。大子午扩张涡轮端壁曲率影响近端壁叶片的压强分布和变工况敏感性,优化端壁曲率将有助于流动状态的改善。     

基于粒子群算法的多级低压涡轮一维气动优化设计方法

为探究涡轮高效设计技术,从低维优化层面出发,提出了一种基于粒子群优化算法的多级低压涡轮一维设计和优化方法.该方法以涡轮效率为目标,通过建立涡轮子午流道形式以及气动特性等约束条件将涡轮一维设计转化成包含约束限制的极大值优化问题.在验证粒子群算法优化性能的基础上发展了多级低压涡轮一维气动优化设计程序,该程序通过优化地选取涡轮各级的多个设计变量,有效地生成满足多个约束条件的级最佳速度三角形以及最佳初步子午流道形式.利用该程序完成了原型低压涡轮的优化改型工作,三维数值模拟结果表明,优化改型方案在设计点和非设计点的气动性能均获得了不同程度的改善.     

超跨声速无导叶对转涡轮整流型动叶设计

为了探讨对转涡轮气动设计规律，采用常用于导叶的可控涡法设计对转涡轮上游整流动叶，并配合可控子午成型设计，用以控制对转涡轮内径向压力分布，并与传统涡轮进行了深入对比分析。该方法设计的5．25kg／s小流量模型对转涡轮效率为94．2％。三维数值模拟表明：对转涡轮取消导叶后，在设计自由度减小，参数受到制约条件下，整流动叶采用可控涡设计是调控对转涡轮流场积极有效措施之一。     

离心叶轮全三维反问题方法设计误差稳定性研究

用流线曲率全三维反问题方法和引入滑移因子模型的准三维流线曲率反问题方法设计了叶片数不同的和增压比不同的小型高速离心叶轮.用商用计算流体力学(CFD)求解器估算了这些叶轮的性能.对比了这两种反问题方法的设计误差稳定性,考察了分流叶片对设计误差的影响.结果表明,流线曲率全三维反问题方法能够根据叶片负荷对叶片设计做出恰当调整.较准三维反问题方法,流线曲率全三维反问题方法所设计叶轮的增压比普遍偏高.随叶片负荷增加,较准三维反问题方法,流线曲率全三维反问题方法的设计误差变化较小,即其设计误差稳定性明显较好.分流叶片对准三维反问题方法设计结果的影响明显较小.      

多级涡轮多工况气动优化设计研究

采用将准三维设计和多级局部优化联合的多级涡轮多工况气动优化设计流程对某三级航空发动机涡轮进行多级气动优化设计.优化联合采用人工神经网络和遗传算法对各列叶栅进行三维局部优化,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解.通过优化设计,改善了各列的性能,并对各列间参数进行了优化匹配,两种工况的总效率均提高1%,总流量基本不变,总体性能提高,达到设计要求.      

小型向心透平一维和三维设计分析

在分析各种因素对向心透平速比和反动度限制的基础上,给出了一种比较合理的速比和反动度的选择方法,并用C语言编写了小型燃气透平一维热力计算程序OCC(one-dimensional computer code),来进行向心透平的热力计算.通过与已发表文献中的一维热力计算程序OFC(one-dimensional computer FORTRAN code)结果进行比较,发现两者结果基本一致,且OCC设计总对静效率要高于OFC的设计效率.为了对一维程序计算结果与三维CFD(computational fluid dynamics)数值模拟进行比较,选取已发表文献中600kW燃气轮机作为分析实例,用编写的一维热力设计程序对600kW燃气轮机向心透平导叶和动叶进行了设计.一维程序计算结果与三维CFD数值模拟结果比较发现,两者的偏差小于10%.综上所述,使用的设计方法以及一维热力设计程序对于小型向心透平的初步设计是适用的.      

S型收缩流道对涡轮通流能力影响的研究

为进一步提高航空发动机涡轮通流能力，以小型跨声速涡轮为原型，研究了静子S型收缩流道对涡轮通流能力的影响。将S型流道直线段长度和收缩段内外圆半径比作为流道造型参数，分别针对原型涡轮静子内外端壁进行调整造型，得到一系列不同参数组合的S型内外端壁涡轮算例。保持膨胀比为设计值不变，利用CFD软件对原型和S型流道涡轮进行设计点模拟分析。结果表明，S型流道涡轮流量提升的原理在于增大的静子喉道面积。在相同造型参数下，S型外端壁涡轮的静子叶根损失被有效降低，流量提升明显，且流量高于S型内端壁涡轮1%左右，但由于最大外径增大使其质量通量提升效果减弱；与之相反，S型内端壁涡轮的质量通量提升明显，且高于S型外端壁涡轮3%左右。从提升涡轮质量通量并保证效率不低于原型的角度看，S型外端壁造型参数选取范围更广。     

基于粘性伴随方法的涡轮叶片二次流损失优化设计

在航空涡轮叶片设计中,减少流动损失对改善涡轮叶片性能具有十分重要的意义。本文介绍了一种连续伴随方法在涡轮叶片优化设计中的应用,通过对某低展弦比涡轮叶片的根壁外形进行优化来减少二次流损失。首先通过改变叶高方向的安装角分布使得气流出口偏转角逼近目标分布,以此验证粘性伴随方法的精确性和有效性。其次,在优化二次流损失时,设计目标选取为叶片通道出口的熵增,同时满足出口流动偏转角约束。最后,分析讨论了叶片根壁外形变化对减小二次流损失及二次动能的影响。结果表明：该优化设计能有效地减小二次动能,从而提高叶片的效率。     

考虑端区黏性和径向掺混的流线曲率通流算法研究

高负荷多级压气机的技术难点之一在于如何快速、完整、准确地获得全工况下叶片前尾缘气动参数分布和整机特性结果,而通流计算凭借速度快、指向性明确的优点,一直是多级压气机设计的核心技术。为了提高通流代码的适用范围和预测精度,推导了统一适用于轴流、斜流、离心压气机的流线曲率方程,引入端区黏性和径向掺混模型,应用Fortran语言针对轴流压气机全新开发了其通流特性计算程序,对NASA Rotor37、Rotor67转叶和GY1-2J压气机进行了计算,计算结果表明:新模型的加入提高了程序的计算精度,初步验证了程序的有效性。并提出提高程序的通用性是今后通流计算的发展方向。     

变循环压缩系统的一体化通流设计方法

以双外涵和三外涵两款典型的涡扇发动机的变循环压缩系统为研究对象发展了一个基于流线曲率法的一体化通流设计方法,以期简化变循环压缩系统的设计流程,缩短设计周期.通过一个三外涵变循环压缩系统的设计实例,验证了方法的正确性和程序的功能完整性,得到了以下主要结论:①第1,2外涵道的连通使压缩系统各部件之间的气动关系变得复杂,正确处理各部件之间的匹配关系是一体化设计的关键;②流线曲率法适用于变循环压缩系统的通流设计,其流量边界条件可方便地用于模拟前可调面积涵道引射器的调节功能;③第1,2外涵道的掺混过程对上游叶片区域的流场影响微弱,采用简单的掺混模型能够满足计算需求.     

有冷气掺混的涡轮气动设计计算方法

本文介绍的设计计算方法 ,直接计入质量和能量掺混 ,但间接计入动量掺混影响。计算程序可以计及涡轮进口沿径总温、总压不均匀的影响、叶片冷却型式不同的影响以及各计算节点的比热和气体常数不同的影响。叶列损失按给出的损失模型迭代求解。在轴向间隙站对混气采用流线曲率法求解径向平衡方程。本计算程序可以用于多级气冷涡轮设计     

轴流透平级的最佳流型设计方法

把近代最优控制论方法引入轴流透平叶片的设计,在优化的轴流透平子午通道内,建立包括透平级内所有性能参量的最优流型命题的完整的物理模型及其数学表达式,并归化为一个在给定初始状态、自变量终端固定、部分状态变量终端受有约束的条件下,使级的某一性能指标(如级的功率)达到最优的最优控制问题,应用“代价函数法”及“共轭梯度法”编制计算程序,计算得到符合给定约束条件、并使目标函数取极值的最优环量分布,结果是令人满意的。      

正交化设计对大子午扩张涡轮紧凑过渡段的流动性能影响

为了降低大子午扩张涡轮端区二次流损失和流动损失,同时降低过渡段缩短对涡轮性能的影响。本文对具有大子午扩张低压涡轮过渡段的紧凑过渡段设计进行气动分析,设计的紧凑型过渡段径向长度减小了30%,分析涡轮带原始过渡段和缩短后的紧凑型过渡段的气动性能和流场状态。并对涡轮静叶采用正交化设计,初步探索正交化设计对大子午扩张涡轮紧凑过渡段的流动性能的影响。研究发现,紧凑型的过渡段增加了气动损失,但涡轮静叶采用正交化设计后,整体效率增加了1.32%;正交化设计也能够改善叶片表面的压力分布,吸力面低压核心区从两个减少到一个;流道出口损失降低,涡轮整体气动性能提高。     

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。     

1+1/2级超跨声对转涡轮气动性能试验及分析

对转涡轮是高性能航空发动机的关键技术之一。采用试验方法对某1+1/2级超跨声对转涡轮气动性能进行了研究与分析。针对试验中涡轮级间难以布置测点的问题,提出了基于特性反推的分步试验方法,然后对超跨声对转涡轮运行特性进行了详细分析。研究结果表明,该超跨声高压涡轮流量特性几乎不随膨胀比变化,而效率特性变化较大;高、低压涡轮喉道面积比在涡轮膨胀比分配中起到重要作用,该值低于设计状态时,总膨胀比满足设计要求下,高压涡轮膨胀比增大,低压涡轮膨胀比减小;高压涡轮出口气流角对低压涡轮运行特性影响显著。