低压涡轮气动/声学一体化设计——总体参数优化

低压涡轮是航空发动机的重要噪声源之一,同时也是影响发动机单位推力耗油率的重要部件之一。为适应新一代发动机高效、低噪的设计目标,提出了基于传统涡轮设计流程的低压涡轮气动/声学一体化设计思路,并以某一典型民用发动机6级低压涡轮的设计要求为例,对末级功分配、通道外径、涡轮出口马赫数、叶片数目等涡轮总体参数进行了优化探索。结果表明,文中提出的设计思路可以在涡轮设计的总体参数选取阶段对涡轮效率和噪声同时进行有效评估,以便合理地选取涡轮总体参数,是一种可行的高效、低噪涡轮设计方法。     

压气机旋转失速的一个气动声学模型

 根据广义Lighthill方程建立了压气机旋转失速的气动声学模型。提出了一种应用声学方法获取压气机旋转失速特征参数(旋转失速传播速度、数目)的新途径并结合试验结果进行了具体的分析。此外,在简化假设下,用数值法分析了旋转失速特征参数对声音幅值变化的影响。     

跨音涡轮中三维流动的数值试验

 本文从积分型的基本方程组出发,以我们的关于平面叶栅和任意旋成面叶栅的工作为基础,将文献（3、4）中的计算方案推广到三维流动情况。编制了相应的计算机程序,进行了一些数值试验,得到了初步的计算结果。 数值试验表明,拟三维计算结果可以导致相当大的误差,从而说明了完全三维流动计算的必要性。另一方面,如果取2000个左右的计算点,则在国产的013机上算一个例子,约需100分钟。从实际应用的观点来看也是可行的。     

基于FW-H方程的旋翼气动声学计算研究

由流体力学N S方程导出的非齐次波动方程———FfowcsWilliams Hawkings方程(简称FW H方程),可以精确地描述在静止流体中运动的物体与流体相互作用的发声问题。以FW H方程为理论模型,将旋翼桨叶运动发声问题等效为包含桨叶的任意运动控制面(声源面)的声辐射问题,并在旋翼绕流Euler方程数值模拟的基础上,在时域内计算了悬停旋翼和前飞旋翼的声场。应用于UH 1H和AH 1/OLS两种旋翼模型的气动声学计算表明:计算结果与噪声实验值符合良好;所研制的程序不仅能够较准确地计算单极子噪声和偶极子噪声,而且具有较强的跨音速四极子噪声预测能力。     

尾缘厚度对低压涡轮气动性能影响的数值模拟

采用数值模拟的方法研究了尾缘厚度对Pak-B低压涡轮气动性能的影响.目的是通过增加尾缘厚度来控制边界层分离,降低损失,揭示增加尾缘厚度的流动控制机理.研究发现:适当增加尾缘厚度能减小低压涡轮损失,增大折转角.在雷诺数为25000,来流湍流度为1%时,适当增加尾缘厚度能使基于进口速度的能量损失系数降低10.4%,折转角增加1.73%.适当增加尾缘厚度和栅距同样可以使基于进口速度的能量损失系数减小,折转角增大.在雷诺数为25000,来流湍流度为1%时,尾缘厚度增加到4%s,栅距增加了2.2%,可以使基于进口速度的能量损失系数减小7.4%,折转角增加1.25%.通过增加尾缘厚度可以发展低稠度高负荷低压涡轮叶栅.      

低雷诺数环境中低压涡轮部件的气动设计探索

为了探索高空低雷诺数情况下高性能低压涡轮部件的气动设计思路和设计方法,通过采用高负荷、大弦长的叶片设计和选择恰当的叶片表面速度分布形式设计了一台新低压涡轮。三维粘性数值模拟的结果显示新低压涡轮效率在高空低雷诺数情况下比设计点下降2 3个百分点。设计结果表明提高涡轮工作雷诺数和降低涡轮性能对雷诺数变化的敏感程度是低雷诺数环境下高性能涡轮气动设计的关键。     

低压涡轮导叶内环结构设计

为实现低压涡轮导叶内环初步方案快速设计、降低低压涡轮工作叶片冷气相对总温和提高冷却效率,以某型低压涡轮导叶内环为研究对象,提出了 1 种基于等熵过程的低压涡轮导叶内环设计方法和流程,并采用 3 维数值仿真方法对设计结果进行了分析和验证,得到了不同预旋喷嘴径向高度对转、静子腔内的流动影响规律。结果表明:提出的低压涡轮导叶内环设计方法和流程能够满足初步方案的设计要求;预旋喷嘴的径向高度对工作叶片和涡轮盘表面的相对总温影响较大,工程上需综合考虑。     

离心风扇非定常气动力和气动噪声特性数值研究

将Lighthill方程转变为频域Helmholtz弱积分形式并采用Galerkin方法离散.基于声学有限元方法考虑声波在复杂固壁(叶轮和蜗壳)内的散射和反射等作用,利用Ffowcs Williams-Hawking(FW-H)方程耦合非定常流场计算结果数值预测了某离心风扇的噪声辐射,流场计算结果和蜗壳壁面动态压力测量结果在基频上吻合较好.结果表明:基频压力脉动分量在噪声源特性中占据主导地位且靠近叶轮前盖板对应位置的蜗舌区域(叶轮出口宽度范围内)是最主要的噪声源区域;声学有限元方法和实验吻合较好,复杂固壁对声传播影响不容忽略.叶轮出口不稳定气流对蜗壳周期性冲击引起的转/静干涉噪声远大于叶片偶极子源噪声是离心风扇最主要的噪声辐射分量且噪声主要从风扇管道出口方向传播.      

大涵道比发动机多级低压涡轮气动设计

基于大涵道比航空发动机多级低压涡轮设计研究,分析了大涵道比发动机多级低压涡轮气动设计特点和主要设计参数的设计选取原则以及发展趋势,研究了过渡流道设计参数的选取标准、过渡流道优化设计方法以及对多级低压涡轮子午流道设计与功率分配方法,综合分析了多级低压涡轮功率分配需要考虑的各项因素,并探讨了高升力涡轮叶型设计方法。研究表明:过渡流道方案设计可以采用长高比及当量扩张角作为初步选取标准;多级低压涡轮功率分配要综合考虑不同工况性能及气动设计参数;完成设计的大转折角后加载叶型能够有效地控制涡轮叶栅内的流动损失。     

外端壁收缩与单向倾斜组合涡轮导叶的三维气动力研究

低展弦比涡轮导叶的外端壁收缩与单向正倾斜组合设计是既可减小两端二次流损失又可以满足冲击冷却叶片叶身需平直要求的技术措施。本文简要阐述了组合设计可减小二次流损失的力学机制、流场特征及三维流场设计分析的评价准则。通过三维流场计算 ,详细分析了诸如单向倾斜角度、子午面外端壁轮廓收缩起点、内外曲率半径等主要特征参数对流场品质的影响。给出了组合设计的方法与步骤及评价流场的定性准则。该组合设计方法对低展弦比高温涡轮导向叶片的成功设计具有指导意义。     

低压涡轮导向叶片平面叶栅试验及数值模拟

基于低压涡轮导向叶片平面叶栅设计性能的研究,进行了平面叶栅试验,并采用商用CFD软件NUMECA建立了平面叶栅3维计算模型,得到了各性能参数随出口等熵马赫数的变化曲线、叶片表面等熵马赫数分布曲线、以及S1流面等熵马赫数分布。计算与试验结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;本叶栅具有后加载特性,亚声速段的损失较小;在设计工况时流动状态较好,流道中没有出现超声速区和激波现象。     

QC185燃气轮机低压压气机设计

介绍了QC185燃气轮机低压压气机设计方案的特点。通过利用三维修正二维的多级轴流式叶轮机械的“预测性设计”的工程计算方法,实现了QC185燃气轮机3级低压压气机的气动改装设计;计算与试验结果的对比表明,改装设计的3级低压压气机各项性能达到或超过了设计指标。     

低压模化对燃气轮机燃烧室工作特性影响的数值分析

为研究低压模化对于燃气轮机燃烧室工作特性的影响,采用ANSYS软件的FLUENT模块,对燃烧室在低压模化以及低压1/3尺寸模化条件下的燃气轮机燃烧室分别进行数值模拟研究,并与在全压条件下的燃烧室计算结果进行对比分析。计算结果表明:在低压模化条件下,燃烧室的流线形态与全压下基本相同;由于压力对于化学反应平衡的影响,在低压条件下燃烧室的壁温相比在全压下的平均降低70~100 K,其出口温度场指标比在全压下的更好;由于受燃烧室入口空气压力的影响,在低压条件下燃烧室的燃烧效率和流阻损失均比在全压下的低;另外,由燃烧室压力和尺寸的变化引起的燃烧室内温度分布变化,造成NO源分布的不同及燃烧室内NO的生成速率发生巨大变化,导致燃烧室NOx的排放水平不同,并验证了压力指数。其计算结果可为燃气轮机燃烧室的低压和常压模化试验提供参考。     

尾迹对低压涡轮端区非定常流动影响的数值研究

为提高尾迹对涡轮端区二次流影响的认识,利用尾迹降低端区损失,采用了数值模拟的方法对T106A非定常工况下的叶栅流动进行模拟,辅以实验进行校核。以上游尾迹对端区附面层的抬升作用和上游尾迹对叶栅通道前部涡系结构的破坏作用为切入点,分析尾迹对端区二次流非定常发展过程的影响。研究发现尾迹中心离开叶栅通道时,尾迹对叶栅端区二次流起抑制作用;当尾迹尾部离开叶栅通道时,尾迹卷起的轮毂附面层激励了端区二次流,使二次流更加活跃。     

高负荷低压涡轮时序效应数值模拟与试验验证

为了研究上下游叶片的相位对低压涡轮流动的影响机理,使用商用 CFX 软件进行数值模拟,并辅以试验校核。选取了0°和180°2个流动相差较大的相位,分析边界层分离与转捩、边界层积分参数,对吸力面的载荷系数、壁面剪力、附面层形状因子及动量厚度等进行对比,并从边界层的瞬态流动分析着手,在1个尾迹扫掠周期内对Klebanoff条纹、K-H涡等结构进行分析。结果表明：不同相位的流动特性差异主要取决于势流的压力扰动与速度扰动的相位,这将决定尾迹诱导转捩与寂静区之间的主导关系。当压力扰动与速度扰动同相时,寂静区处于逆压梯度逐渐增强的阶段,保持层流的能力被削弱;反之当二者异相时寂静区强度较大,尾迹诱导转捩带来的湍流损失可以被寂静区平衡。通过瞬态分析可知,0°相位尾迹诱导全展向K-H涡的卷起,全展向涡的破碎会带来较大的能量耗散,且其诱导的Klebanoff条纹强度较大,二者共同作用使得尾缘动量损失较大。     

多级低压涡轮内部非定常流场扰动分析

采用三维数值模拟方法,对带有过渡段和后机匣支板的低压涡轮进行全环非定常数值模拟,分析了各个叶片排流场中存在的非定常扰动及扰动源,研究了低压涡轮第二级中存在的多种扰动源叠加现象,并对流场中的静压波动进行了频谱分析。结果显示,过渡段的二次流对低压涡轮内部流场存在明显扰动,并向下游传播至涡轮出口。第二级动叶中,上游导叶通过频率与过渡段二次流自身脉动频率产生叠加,形成的新扰动频率为两者产生的差频。采用全环非定常数值模拟预测多级低压涡轮内部流动中存在的各种扰动频率及其相互叠加很有必要。     

涡轮低压导向器优化前后气动性能对比实验研究

采用实验方法对某型弹用涡扇发动机涡轮低压导向器原型和改型进行了详细的低速风洞实验。改型在原型基础上增加了多种优化措施。针对低压导向器进口前的中间机匣过渡段具有较大子午扩张角的结构特点,改型采用了等速度梯度过渡曲线来改善机匣段的扩压流动。为了减少导向器叶栅内能量损失的增长,改型采用了正弯叶片、后部加载叶型以及其它综合措施。实验结果表明,改型低压导向器的气动性能显著提高,出口总压损失比原型相对减少14.7%,出口气流角沿叶高分布较原型均匀。几种减少损失的方法得到了合理的匹配。      

数控铣修复高压涡轮导向叶片技术

本文主要研究了数控铣修复某型发动机M951高压涡轮导向叶片,为涡轮导向叶片的修复提供了理论依据.通过三坐标检测,并对所得检验数据进行分析,得出采用此工艺方法修复的高压涡轮导向叶片能够满足其表面质量、位置精度和其它设计要求.     

航空发动机低压涡轮出口温度标定方法

在航空发动机试车过程中,针对数字电子控制器采集低压涡轮出口燃气温度(T6)高于试车台数采系统采集值的现象,进行了多轮测温试验,并结合T6测温原理、热电偶及补偿导线电气特性等,提出了从数字电子控制器电路板终端进行温度标定的方法,以确保在发动机实际试车过程中控制器测量的T6值更接近真实温度.试验结果表明:在航空发动机试车中采用在数字电子控制器T6采集电路板的补偿导线终端进行标定的方法后,由数字电子控制器与试车台数采系统采集的T6值相差1℃以内,证明该标定方法准确可行.