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。     

向心涡轮进气结构的气动性能及损失机理

针对某向心涡轮,采用二维流动分析方法设计矩形截面蜗壳,同时采用商用计算流体动力学软件CFX对带蜗壳的向心涡轮流动损失进行数值计算.将计算结果与原型设计中带有集气室的向心涡轮计算结果进行对比.结果表明:蜗壳内流动损失要小于集气室内的流动损失,向心涡轮采用蜗壳后流道内流场有明显改善,效率有所提高.采用设计的矩形截面蜗壳,向心涡轮的功率提高1.7%.通过内部流场的分析,揭示了内部流场结构和损失机理,为向心涡轮的设计和优化提供了一定的参考.      

多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

某双级高压涡轮全三维计算

采用自主研发的全三维黏性涡轮设计体系对某双级高压涡轮进行了反设计,并利用商业软件CFX12.0在采用二方程湍流模型SST(shear stress transportation)模型、考虑冷气和转捩等条件下对反设计得到的叶型进行了全三维计算分析,采用源项模拟技术处理气膜冷却流动.计算结果与试验数据进行了对比,结果表明计算得到的效率与试验值吻合,中等负荷高压涡轮气冷叶型采用后部加载设计技术可有效控制流动损失.      

1+1/2对转涡轮内部三维流动数值模拟

完成了某型1+1/2对转涡轮的气动设计,对其特性及内部流动进行了三维数值模拟,比较详细地分析了设计点的流场.结果表明采用无导叶的对转涡轮气动参数满足涡轮设计要求.低压涡轮级由于去掉了导叶,没有与之相关的各种损失,因而获得了比高压涡轮级更高的气动效率.对流场的分析显示,高、低压级的流动状况良好,叶片表面没有明显的分离.各排叶片进口气流角与构造角都符合.高压导叶处于亚声流动状态下,高压动叶出口完全超声,尾缘存在较强的燕尾波,低压动叶设计点基本处在亚声条件下.     

大膨胀比向心涡轮多学科优化设计及敏感性分析

向心涡轮内部流动复杂,功率密度大且结构限制严,因此,向心涡轮的设计必须考虑到气动、强度、结构等多学科间的耦合问题。采用多学科优化策略是提升向心涡轮气动效率和安全可靠性的一种可行途径。基于向心涡轮结构特点,发展了通用的向心涡轮三维参数化造型方法。耦合多目标优化算法和向心涡轮三维参数化方法,建立了向心涡轮多目标多学科优化设计体系。以频率为约束,以提高总静效率、降低叶根最大应力为优化目标,开展了向心涡轮的多学科优化设计。优化后,在避开所有危险共振频率的前提下,就单一性能指标而言,涡轮级的总静效率最高可提高1.35%,叶根最大当量应力最高可降低12.54%。进一步,对设计空间开展了敏感性分析,揭示了对性能指标影响显著的设计变量,阐明了关键设计变量对性能指标的影响机制。     

燃气涡轮通用理论特性计算方法

本文介绍的燃气涡轮特性计算方法可用来计算单级涡轮和多级涡轮特性。其中考虑了冷气掺混对涡轮特性的影响,非设计状态下亚音速和跨音速涡轮不同的损失特性,攻角变化的影响,落后角的变化以及多级涡轮特性级间的相互关系。文中提出了马赫数对损失修正的经验关系式。本文以双级涡轮特性计算方法为例进行介绍。用本方法计算了亚音、跨音、单级、双级、有冷却和无冷却五种涡轮的特性。在设计点,计算结果的精度在1％以内,与有试验特性的涡轮相比较,在设计点附近及常用工况内,计算结果与试验曲线吻合较好。     

基于iSIGHT的大膨胀比5.0级向心涡轮多目标优化与分析

针对轻量化、紧凑化、高效化的向心叶轮设计需求，对5.0大膨胀比向心涡轮进行三维多目标优化。首先，基于iSIGHT，集成Numeca，CFX软件及自编程序，搭建了三维气动优化集成系统，实现向心涡轮流道、叶片的参数化、网格划分、数值计算及三维结果的自动处理与优化，且其所需的存储空间仅为原优化系统的2.4%，极大地降低了对计算机存储空间的要求；其次，针对向心叶轮造型参数众多所导致的优化规模巨大问题，采用试验设计方法（DOE）详细地开展了流道、叶片的控制参数对涡轮性能的影响研究，得到造型参数对涡轮效率的贡献度，继而给出了优化变量的选取依据，从102个造型参数中选取23个作为优化变量，减少了优化的盲目性，缩短了优化时长，极大地减轻了工作量，提高了优化效率；最后，考虑涡轮性能、排气损失以及叶轮轻量紧凑化的需求，以涡轮总对静效率η_ts，级出口气流角α₆及叶片的表面积A作为优化目标，采用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化并探讨相应机理。优化后，叶轮的轴向长度缩短了8.09%，叶片的表面积减小了8.46%，有效降低了叶轮的尺寸及重量；在保持涡轮进口流函数和膨胀比基本不变的情况下，设计点涡轮总对静效率提高了0.1%，级出口绝对气流角仅降低1°，且不同转速下涡轮的性能基本保持不变。以上研究表明，该三维优化系统和多目标优化方法的有效性。     

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。      

三级风扇的三维流场计算

本文运用三维粘性流体计算软件Fine／NUMECA对某三级风扇多个转速下的三维流场进行了计算．并对其第一级三个典型转速进行了单独计算。分析了此风扇在不同转速下的特性变化，重点关注了设计点和近喘振边界工作点的流场特性，并分析了在设计转速时发生喘振的原因。结果表明，此风扇设计为典型的跨声速压气机设计．具有较高的效率，但仍有改进的余地。     

基于反问题的涡轮过渡流道一体化支板设计方法

为进一步改善大涵道比涡扇发动机气动性能及燃油经济性,降低其污染物排放,控制其重量与成本,提出了一种高效的高、低压涡轮过渡流道整流支板一体化设计理念,即对原型支板与第一级低压涡轮导叶进行初步正问题一体化设计,并基于气流角全三维粘性反问题进行进一步改型设计,使得在保证自身气动性能不降低的基础上,带一体化支板涡轮过渡流道能够与高、低压涡轮实现良好匹配。以某型发动机过渡流道为算例开展了一体化设计工作,并采用三维数值模拟方法进行了设计点、非设计点流场分析评估。结果表明,设计点工况下一体化支板出口气流角以及马赫数分布均与原型导叶出口一致,验证了一体化设计的有效性。同时,带一体化支板的过渡流道总压损失从原型流道的2.49%降低到了1.02%。而在非设计工况,带一体化支板的过渡流道气流分离明显减小,具有更宽的最佳工况范围。     

一种大负荷低压涡轮叶型的气动性能

基于Lantry-Menter转捩模型,分别对Zweifel升力系数为1.2的一种大负荷低压涡轮叶型在定常来流不同湍流度、雷诺数条件下,上游非定常、周期性尾迹作用下的流动进行了数值模拟.计算结果表明,定常来流低雷诺数条件下,湍流度对该大负荷叶型的气动性能影响较大;上游非定常、周期性尾迹对叶型吸力面分离泡的抑制作用可进一步减小低雷诺数条件下的叶型损失.计算结果揭示了该大负荷叶型在低压涡轮内部真实流动环境中的表面流动及损失特征,对国内现行低压涡轮设计有着较好的启示.      

一种涡轮排气蜗壳的优化设计

为了改善涡轮排气蜗壳的排气效果,选取一种箱式蜗壳为原始计算模型,通过数值模拟研究了该排气蜗壳的气动性能,揭示了蜗壳内部流动损失的主要来源,在不改变其几何尺寸的前提下,提出了一种蜗壳的分流层改型设计,并与两种一般改型方式的效果作比较.数值计算结果表明:在设计工况下,分流层改型设计可使排气蜗壳的总压损失系数最多降低32.12%,静叶恢复系数最多提高48.73%,其效果好于扩压结构弧线改型,但弱于蜗壳壁面轮廓型线改型,在此基础上揭示了分流层设计改善蜗壳气动性能的机理.      

一种微型涡轮发动机导向器改进方案

为了提高发动机性能,克服微型涡轮发动机(MTE)的尺度小等因素导致其导向器内流动损失大的缺点,采用了整体叶片式导向器设计技术对某MTE-C微型发动机涡轮导向器进行了改型设计.首先采用NAPA软件对MTE-C微型发动机的整体叶片式导向器进行数值模拟,通过流场分析得到了原型导向器设计中导致流动效率低下的不足之处,并以此为理论依据,对导向器进行了改进.改进型导向器的整级数值模拟结果表明,涡轮在设计点的效率提高了15%, 且在宽广的工作范围内其通流能力和效率均得到了明显的提升.      

基于体积力模型的1维涡轮特性评估方法

涡轮低维气动特性评估方法的预测精度对涡轮气动设计有重要意义.基于适用于轴流涡轮特性评估的1维体积力方法,分析和局部调整了Adam和Leonard的1维体积力模型中的叶片力源项和离心力源项,并在特性计算中引入涡轮损失模型.通过1个低压涡轮和1个含冷气高压涡轮对该方法进行验证,计算结果表明:该方法对2个算例在涡轮设计工况点的流量效率预测偏差均在1％以内,且能够反映涡轮气动特性随膨胀比的变化趋势,具有良好的精度,可用于快速可靠地评估涡轮低维气动特性.     

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。     

某型间冷燃气轮机热力计算方法研究

为提高航改燃气轮机的性能,以现有的简单循环的某型燃气轮机为基础开展了间冷循环研究:采用牛顿迭代法和循环迭代算法,分别对以该燃气轮机核心机为基础发展的间冷循环燃气轮机进行了热力计算和比较,并进行了该间冷循环燃气轮机的设计点方案论证。     

某 Bump 进气道流动控制计算研究

以某 Bump(凸包)进气道为研究对象,采用 CFD 数值模拟技术对其内、外流场进行计算,重点研究超声速来流马赫数 M∞=1.60下进气道气动、流场特性;根据进气道内、外流场特点,分别设计机身棱线涡扰流片、进气道抽吸及射流流动控制装置,目的在于提高飞机 M∞=1.60来流、进/发匹配点条件下进气道总压恢复、降低出口流场畸变;采用 CFD 技术对各流动控制装置效能进行计算,基于计算结果,对各流动控制装置效能及典型装置流动控制机理进行了分析。研究表明,M∞=1.60来流、负迎角下,扰流片作用不明显;采用进气道抽吸或射流控制措施,对提高进气道总压恢复有效。研究结果可为类似 F-35那样的隐身战机 Bump 进气道流动控制或工程发展提供一定的技术参考。     

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

叶尖间隙对跨音涡轮性能影响的试验研究

本文对叶尖间隙影响涡轮性能的主要试验结果做了介绍和分析 ,并与估算叶尖间隙影响的 5个经验或半经验公式进行了比较。试验结果表明 :对跨音速涡轮随着叶尖间隙增大 ,级输出功和效率都呈线性降低 ,影响显著 ,但对流量的影响则很小