某型涡轮叶片在不同设计状态下冷却效果试验研究

为了适应某发动机改型设计的要求,将其高压Ⅰ级涡轮转子叶片及改型叶片在原型机设计状态和改型机设计状态进行了冷却效果对比试验,录取了改型设计所必需的数据。 试验是在高温涡轮叶片冷却效果试验台上进行的。由于原型机设计状态和第一种改型设计状态的折合参数较高,而试验台提供的参数有限,故采用通常使用的实验关系式法。      

航空发动机风扇叶尖径向间隙数值分析

采用流-固-热耦合计算方法,综合考虑离心载荷、温度载荷和气动载荷影响,对某改型发动机的风扇转子和风扇机匣进行数值分析,获得了发动机三个典型状态点下,风扇转子和风扇机匣的压力、温度及结构变形分布;通过对风扇转子和风扇机匣两者变形的叠加,获得了风扇叶尖径向间隙分布。计算结果显示:该型发动机在原型机设计点和转速最高状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面发生碰磨;而在温度载荷最大状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面始终存在间隙,这会影响到该状态点下的风扇效率,需在后续设计中予以考虑。     

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瞬间转子转速随时间变化预测模型,并采用整机试验数据对该模型进行了验证,证明了该预测模型的合理性和准确性,建立的预测模型可为动力涡轮强度和超转保护设计提供理论依据。研究结果表明,动力涡轮转子失去负载后转速在200～300 ms上升至160%,接近大部分轮盘破裂转速,需要在涡轴发动机超转保护设计中引起足够重视。      

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%。     

航空发动机初步设计阶段涡轮流道多学科优化设计分析方法

针对航空发动机涡轮初步设计阶段,在完成气动流道初步设计的前提下,综合考虑气动流道与叶片轮盘关键结构特征的制约和平衡关系,建立了关于高压涡轮气动流道和转子强度分析的多学科优化模型,进行了以气动流道效率和转子结构质量为目标函数的涡轮流道多学科多目标优化,优化后涡轮转子最大径向应力和最大周向应力分别下降4.62%和10.63%,同时危险截面处的平均径向应力和周向应力也分别下降了42.99%和3%,使涡轮部件气动和结构强度的多学科综合性能提高3.41%.     

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.     

采用弯扭导向器改型涡轮级提高发动机性能的三维粘性流场的数值研究

对某型涡喷发动机涡轮级导向器进行了全三维弯扭设计以后,在保证涡轮前总温、总压和燃气流量的前提下,合理调整尾喷管面积,提高涡轮后背压,保证在设计转速下涡轮输出功与原型涡轮级相同,从而保证了压气机的设计点和喘振裕度,同时提高了发动机推力。带来这样效果的原因是弯扭导向器使涡轮级的效率提高,导致涡轮出口总压的提高。本文对改型和原型涡轮级进行了全三维粘性数值模拟和气动分析。      

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

脉冲爆震涡轮发动机转子系统优化设计

为研制某脉冲爆震涡轮发动机样机,根据总体设计要求设计了相应的空心轴转子-轴承结构系统。基于有限元法建立 了该转子系统的理论分析模型,采用数值积分方法开展了考虑脉冲爆震非定常周期气动载荷作用的转子系统动力学特性计算。 将在临界转速处转子的振动幅值最小化作为优化目标,以转子系统各阶临界转速与发动机慢车转速及工作转速之间的裕度作为 约束条件,结合转子强度的相关要求,基于NSGA-II多目标优化算法对转子系统的支承位置、刚度及转子结构的几何参数进行了 优化设计。结果表明：优化后的转子-轴承系统满足总体设计要求,临界转速与工作转速之间的裕度超过20%,且保证了前3阶临 界转速对应的振动幅值最小化。研究方法和结果可为脉冲爆震涡轮发动机转子系统结构设计和优化提供参考。     

高速压气机涡轮转子结构轴系非线性 振动性能试验

基于气动轴承与轴系耦合调频技术,对高速压气机涡轮转子结构的空气循环制冷机轴系进行非线性振动性能的试验研究,进一步分析了柔性轴系存在转子运动、轴承失稳及碰摩故障的一些非线性特征.研究结果表明:在保证转速设计裕度的前提下,工作转速由40000r/m提高到了60000r/m.      

考虑冷气的多级涡轮翘曲S1流面的气动优化

为了缩短涡轮气动设计的周期,进一步发掘涡轮叶型的改进潜力,搭建了多级涡轮的翘曲S1流面气动优化平台.该平台具有速度快,周期短的特点.在考虑冷气的前提下,对多级叶片进行多层并行优化,避免了单列优化后叶列间匹配差的缺点,同时克服了多层S1流面的气动效率此消彼长的缺陷.对某型两级高压涡轮进行了气动优化设计,优化后10%,50%,90%叶高的S1流面的考虑冷气的气动效率分别提高了0.569%,0.490%,0.405%;第1级和第2级考虑冷气的气动效率分别提高了0.18%,0.05%;涡轮整体气动效率提高了0.15%;优化效果明显.经过分析可知,优化有效减小第1级导叶的通道横向二次流损失和第1级动叶的激波损失,第2级的原始叶型设计较为合理.下端壁喷射冷气是降低S1流面优化有效性的重要原因.     

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。     

自由涡轮叶片/轮盘耦合振动特性分析

自由涡轮是航空发动机的关键部件,其工作环境非常恶劣,承受着离心载荷、热载荷、气动载荷及振动载荷等的复合作用。利用UG软件对某型自由涡轮2级涡轮轮盘/叶片进行3维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析中的模型为基础,考虑温度场和离心载荷的影响,计算出涡轮叶片/轮盘不同转速下的动频。从Campbell图可见,涡轮叶片/轮盘在工作转速下没有发生共振的危险,该型涡轮设计合理。     

汽轮机静叶栅变冲角性能的实验研究

为了研究亚临界600MW汽轮机高压第九级静叶叶栅的变冲角气动特性,为高压静叶叶片设计提供依据,对原型和改型两套环形叶栅在低速风洞中进行了不同冲角工况下的吹风实验研究。实验结果表明：改型叶栅降低了叶栅的流动损失,具有更好的变冲角特性。     

对涡轮盘材料的需求及展望

在航空燃气涡轮发动机中，涡轮部件的工作条件最为苛刻，特别是涡轮转子，要在高温、高压、高转速和高气流速度下工作。涡轮转子的工作能力直接影响发动机的基本性能和可能性，分析了发动机设计对涡轮盘材料的需求，展望了涡轮盘材料的发展趋势。     

某5级低压涡轮全三维计算分析

为了解某民用发动机5级低压涡轮的气动设计特点,利用全三维计算流体动力学(CFD)软件CFX 12.0对带冷气的某5级低压涡轮进行了全三维计算,湍流模拟采用带转捩的SST(shear stress transport)二方程模型,并使用源项模拟技术考虑冷气的影响.计算结果与试验结果进行了对比,结果表明该涡轮叶片均采用前加载或均匀加载的设计方法,流道中气流为全亚声速流动;亦表明了CFX软件对气动流场的模拟具有较高的精度.计算结果为先进民用航空发动机涡轮设计提供一定的参考和借鉴.      

高负荷低展弦比氦涡轮端壁损失机理研究

以某多级氦涡轮第一级为研究对象,借助数值模拟技术对低展弦比涡轮动静叶端壁通道涡迁移及干涉机制进行研究,并考察了叶片弯曲对涡轮气动性能的影响。结果表明：受下端壁道涡影响,导叶出口近叶根处气流过偏转,导致转子前缘近轮毂区正攻角变大;叶片根部负荷增加,致使马蹄涡压力面分支与吸力面分支交点前移;下端壁通道涡径向迁移至近叶顶区,其与叶尖泄漏涡相互影响致使叶顶区粘性损失显著增加。弯叶片对低展弦比大折转涡轮叶片的作用效果与传统涡轮具有明显差别：叶片正弯时叶顶载荷减小,导致叶顶间隙泄漏涡与通道涡强度及损失显著减小,涡轮性能得到改善;叶片反弯时叶顶载荷增加,致使叶尖泄漏损失增大,且强径向压力梯度作用下下端壁低能流体向叶顶汇聚,损失显著增加。     

Non-synchronous blade vibration analysis of a transonic fan

This study numerically investigates the aeromechanic behavior of a transonic fan model with a flat tip-leading-edge on the NASA rotor 67 test case. Single-passage unsteady calculations at a near stall operating point of 82% design speed show that the dominant frequencies of mass flow were not the harmonics of the rotor rotational frequency. A full-annulus fluid–structure interaction analysis was subsequently carried out to examine the unsteady flows and their interactions with blade vibrations. The results show that the modal displacement of the backward traveling seventh nodal diameter of the second torsion mode grew exponentially, which reveals that the blade vibration was non-synchronous. The vibration pattern indicates that the aerodynamic mode was resonant with the structural vibration mode. Around the rotor tip, the circumferential vortical propagation induced by interactions among the main flow, tip leakage flow, and tip clearance vortex was the source of aerodynamic excitation. To clarify the mechanism of the non-synchronous vibration, the coupling between aerodynamic disturbance and structural response, i.e., aliasing, was summarized. The frequency spectra of the fluctuating pressure show that an aerodynamic Backward Traveling Wave (BTW) was co-aliased to a structural BTW due to the propagation of the circumferential vortex. The correlation between the frequency and free convective speed of the aerodynamic disturbance determined the directions of aliasing.