基于新型涡轮冷却算法的航空发动机性能计算模型

针对气膜冷却和对流冷却两种常用的冷却方式,建立了新的涡轮冷却计算模型,并实现了与燃气涡轮发动机总体性能计算模型的耦合,得到了可考虑的不同冷却方式、适用于高涡轮前温度、大冷气量的燃气涡轮发动机总体性能计算模型,并与简化涡轮冷却模型的计算数据及试验数据作比较分析,表明新型涡轮冷却算法的可行性和能够提供更详细的涡轮部件气流参数.     

单晶涡轮叶片的蠕变计算分析

介绍了DD3单晶叶片的蠕变计算分析方法,并用非线性有限元程序ANSYS对某型号发动机的涡轮叶片作了蠕变计算。同时分析了单晶材料的工程常数对蠕变的应力,蠕变应变和位移的影响,并与国外相应的单晶材料的计算结果作了对比分析。从计算结果分析说明DD3材料的单晶叶片抗蠕变性能是优异的。这对单晶叶片的选材和设计有其重要参考价值。     

基于典型飞行任务的CCA技术优势分析

基于典型飞行任务,在F-119发动机方案的循环参数基础上,对采用冷却冷却空气（CCA）技术的航空发动机性能开展研究,分析CCA技术对发动机总体性能及涡轮叶片温度的影响规律,评估采用CCA技术的涡扇发动机对其所装配飞机的飞行性能的影响。结果表明：针对仅预冷高压涡轮动叶冷却气方案,当保持冷却空气流量不变时,采用CCA技术可将涡轮冷气温度降低16.98%~41.21%,使得高压涡轮动叶表面最高温度降低8.89%~16.80%;当保持叶片表面最高温度不变时,采用CCA技术可减少高压涡轮动叶48.61%的冷却用气,且发动机的推力和耗油率等总体性能基本不变;针对同时预冷高压涡轮导叶和动叶冷却气方案,通过调整循环参数,在保持冷却空气流量和叶片温度不变的前提下,可使涡轮前最高温度提高6.91%,从而提高典型飞行状态下的航发推进性能,进而有效提升所配装飞机的起飞载质量、最大爬升率、最大马赫数、使用升限及航程等飞行性能。     

热辐射对气膜冷却叶片冷却性能影响

针对一种带有气膜冷却结构的涡轮一级导向叶片进行气-固-热耦合数值模拟,通过比较考虑/不考虑热辐射的温比和综合冷却效率,分析了多种辐射因素对叶片表面温度和冷却性能的影响。结果表明:入口黑体辐射温度在1200~1900K之间,叶片表面发射率在0.3~0.7之间时,考虑热辐射作用均会使叶片表面温度明显上升。入口黑体辐射温度1600K,叶片表面发射率为0.5时,叶片压力面温度整体上升约100K,叶片表面最高温度点（1350K）温度上升约50K;气体辐射对叶片吸力面和尾缘区域造成5%左右的温升;考虑辐射作用使得叶片综合冷却效率下降,叶片前缘和压力面尽管布置密集的气膜孔仍然难以满足冷却需求,综合冷却效率下降至0.3以下。      

用飞行员模型进行飞行品质自动评估技术研究

介绍了飞机的飞行品质评估典型任务,初步建立了飞行员行为特性数学模型以及飞行品质自动评定专家知识库,开发了基于试飞员模型的飞行品质评定软件的设计与实现;在六自由度动基座飞行模拟器上,针对某高教机电传飞控系统进行了飞行模拟器部分典型任务的飞行品质自动评估,其评估结果与飞行员评估结果基本吻合.该技术应用于飞控系统控制律设计、优化中,能提高设计效率,节约主观评定的时间,是客观飞行品质评定的有力补充.     

涡轮第一级导向叶片的气膜冷却仿真

气膜冷却是保证航空发动机涡轮导向叶片正常工作的重要方法之一。为研究在较高涡轮前温度条件下气膜孔布置对叶片前缘降温的效果,采用ANSYS CFX的RNG k‐ε模型对选定叶片进行了叶片前缘气膜冷却仿真。根据驻点、流动分离点等条件确定了气膜孔位置,并根据仿真效果对气膜孔布置进行调整。通过仿真结果表明,调整好位置的气膜孔对叶片前缘的冷却效果比较明显。     

涡轮气冷叶片局部外换热系数计算方法的改进

本根据目前航空发动机涡轮气涡叶片的设计要求，在献^[1]的基础上，引入燃气热物性曲线拟合公式；考虑了主流紊流度对前驻点，层流区换热以及转捩的影响。     

基于磁共振测速的复合冷却涡轮叶片流动分析

针对传统光学测量技术难以完整地测量涡轮叶片复杂冷却结构内部三维流场的问题,采用磁共振测速（MRV）技术测量了一种复合冷却涡轮叶片内部的三维流场,并重点研究了叶片尾缘的流动特征。在通过MRV数据验证计算流体力学（CFD）准确性和可靠性的基础上,进一步通过CFD研究了全高、半高扰流柱对尾缘弦向出流的影响。结果表明,MRV成功地捕捉到了复合冷却涡轮叶片内部流动特征（如扰流柱和半劈缝处的漩涡结构等）。CFD与MRV数据在尾缘处有一致的出流趋势：气膜孔出流量沿展向逐渐减小,而半劈缝出流量沿展向逐渐增大。通过不同扰流柱设计的尾缘CFD对比发现,全高、半高扰流柱对尾缘流动的影响主要在于增大了流阻和出流的驱动压差,进而改变了出流情况,使得气膜孔整体出流量增大约2.8%,半劈缝整体出流量减小约2.8%。     

涡轮叶片型面气膜冷却效率的计算模型

研究并发展了以低雷诺数k ε紊流模型为基础的气膜冷却效率计算方法,将前人针对平板气膜冷却提出的掺混模型推广应用于涡轮叶片型面。计算结果表明,导向叶片型面存在四个典型区域,每个区域自气膜孔喷出的冷气射流与主流的相互作用的规律不同,对于四个典型区域分别建立质量喷出率φ和三维掺混系数γ两个经验参数随冷气吹风比变化的规律,并用所得的规律计算叶片上单排气膜孔下游的冷却效率,与实验数据符合良好。     

涡轮叶片气膜冷却的数值模拟

在低雷诺数 Ｋ ε双方程紊流模型程序基础上,通过引进一种离散孔气膜冷却的喷射模型,预测了涡轮叶片上有冷气出流情况下的冷却效率,包括对不同吹风比, 不同二次流与主流的密度比,不同主流紊流度,不同展向孔间距,单排孔不同孔排位置及多排孔同时有冷气出流等多种情况,总结出了喷射模型中两个重要参数的变化规律,计算结果与实验数据符合程度良好。     

涡轮叶片尾缘内冷通道旋流冷却特性

针对简化的叶片尾缘,设计了3种旋流冷却结构,即冷气分别从旋流腔中部射流孔、旋流腔异侧射流孔、旋流腔同侧射流孔进出旋流腔,并与常规凸台扰流柱冷却结构进行了对比数值研究,分析其强化换热机理和效果.结果表明:旋流腔的结构和冷气的进流布置对旋流冷却性能的影响很大,冷气从旋流腔某侧射流孔进出的旋流冷却结构不仅在流向截面产生涡旋,在展向截面也会产生涡旋,从而有效强化对流换热;相比凸台扰流柱冷却结构,旋流冷却结构能够增强换热,平均努塞尔数增大6.8%~22.9%,但流动阻力也随之增加;冷气从旋流腔异侧射流孔进出的冷却结构强化换热能力较高;而冷气从旋流腔同侧射流孔进出的冷却结构流动换热综合系数比凸台扰流柱提高4.2%,综合性能相对较优.      

叶片吸力面不同位置处气膜冷却特性对比

在跨声速叶栅通道内,试验研究了叶片吸力面不同位置处的气膜冷却特性,详细地分析吸力面两个位置处的簸箕孔型在主流进口雷诺数为3.7×105、出口马赫数为0.81,0.91,1.01及气膜吹风比为0.6～2.1条件下的气膜冷却效率.结果表明:气膜孔2位于大的叶片曲率位置处,该位置处主流能使得射流更好地贴附在壁面上,但是该影响有利有弊.在小吹风比下,气膜孔射流本身就能很好地贴附壁面,因而主流使得气膜贴壁较好的作用不强,而主流使得气膜展向扩展不易的负面影响却比较明显.在大吹风比下,气膜射流法向分量较大,气膜容易脱离壁面,此时,气膜孔2由于主流作用使得气膜更好地贴附在壁面上,气膜冷却效率有较大提升.      

基于梁理论的涡轮冷却叶片蠕变计算

提出一种以梁理论为基础,采用累积损伤理论,利用材料的拉逊-米勒曲线方程计算给定外载荷作用下的等效应力,然后再利用材料的蠕变曲线计算涡轮叶片蠕变变形的方法。使用该方法对航空发动机燃气涡轮工作叶片在经历5个工况后叶尖的蠕变伸长量的平均值进行计算,并与发动机持久试车结果进行对比。结果表明,该方法所得叶尖平均蠕变伸长量与试车后的叶尖最大残余变形的误差为14.0%,验证了该方法在一定精度范围内的有效性。     

Equivalent model of close-packed film cooling holes in nickel-based single crystal cooled blade based on crystallographic theory

The mechanical properties of nickel-based single crystal thin-walled plate with close-packed film cooling holes were studied based on the equivalent solid material concept. The effective plastic parameters inversion method based on crystallographic theory were proposed. A simplification method for close-packed film cooling hole plates with square and triangular penetration patterns was presented. A large number of finite element analysis results covering different ligament efficiencies and penetration patterns were provided to verify the feasibility of the plastic equivalent principle and simplification method. The results show that the stress–strain curve and resolved shear stresses of simplification models are in consistence with the plate models with close-packed film cooling holes. The equivalent errors of yield strength are all within the error band and the values of equivalent errors are all less than 10%. In addition, the equivalent errors of the positions where maximum resolved shear stress occurs are all less than 15°, indicating the accuracy of plastic equivalent model and simplification method.     

基于改进的BP网络的水机温度模型建立

传统的水电仿真系统中的温度模型的构建方法存在模型可移植性比较差、推导过程必须有水电专家的参与、推导过程复杂度大、模型精确度不高等不足,这些都对水电仿真的进一步发展和准确性产生了一定影响。因此需要一种更新的方法来适应水电仿真的发展。为此提出了一种改进的BP网络神经元网络学习算法,通过改进训练算法以提高神经网络的训练效率以及准确度。将这种算法应用于吉林丰满水电厂水电仿真系统的水机温度模型的建立实验中,并与原有的神经网络方法进行比较,比较结果表明,该方法能提高分类准确率和训练速度。     

旋转状态涡轮叶片吸力面单孔气膜冷却实验

采用稳态液晶测温方法,系统研究了1.5级涡轮叶片吸力面在旋转状态下的气膜冷却特性.实验中,主流经加热压缩后冲击涡轮转动,基于动叶弦长的涡轮进口主流雷诺数为8×104.射流分别采用空气和二氧化碳,其对应射流-主流密度比分别为1.03和1.57.实验转速为630,700 r/min和737 r/min,对应旋转数分别为2.092,2.324和2.448.吹风比从0.3到3.0变化.结果表明,吸力面上,气膜冷却效率随吹风比的增大先上升后下降,存在一个最佳吹风比,使冷却效果最好;增大密度比有利于增加气膜覆盖面积;旋转降低了气膜冷却效率;气膜向低半径方向偏转,但并不十分明显.      

旋转状态下涡轮叶片复合冷却结构

采用三维流固耦合换热计算研究了旋转状态下涡轮叶片冷却结构的复合冷却性能,讨论了辐射换热和转速对综合冷却效果的影响.结果表明:结构1叶根处出现局部高温区,低冷却效率范围大,叶片整体温度分布不均匀,结构2通过更合理的气膜流量分配提高了前缘附近冷却效率,降低了叶片表面最高温度,结构3采用内部蛇形通道使吸力面冷却效率显著提高,叶片整体冷却效率分布较为均匀;考虑壁面辐射换热时叶片表面温度升高,当表面发射率为1时局部温升超过50K,壁面辐射换热的影响不能被忽略;压力面综合冷却效率随转速增大而升高,3种结构的局部冷却效率最高分别能提升15.6%,13.4%和16.4%,吸力面上除弦中区冷却效率随转速升高有所降低外,其余位置冷却效率变化不大.      

跨声速叶栅通道中叶片压力面簸箕孔型气膜冷却特性

在跨声速叶栅通道内,试验研究了叶片压力面气膜冷却特性,详细地对比分析了在不同主流进口雷诺数(Re=1.7×10⁵,3.7×10⁵,5.7×10⁵)、出口马赫数(Ma=0.81,0.91,1.01)及多个气膜吹风比(M=0.5～3.0)条件下的压力面簸箕孔型气膜冷却效率。试验结果表明:主流出口马赫数变化对气膜孔下游冷却效率的分布与具体数值均无影响;而主流进口雷诺数的影响较大。增大主流进口雷诺数使得气膜分离再贴附对应的吹风比相应增大,Re=1.7×10⁵时在吹风比M=1.0时出现气膜分离与再贴附现象,而Re=3.7×10⁵和Re=5.7×10⁵对应的临界吹风比则分别为2.0和2.5;主流进口雷诺数越大,小吹风比下近孔区域的冷却效率越高,而在孔下游区域则相反;大吹风比下,则主流进口雷诺数越大冷却效率越小。     

冷气预旋系统温降与流阻特性的试验

简化发动机冷气预旋系统,对特定结构的两种冷气进口预旋角度的转静盘腔系统,开展冷气温降和流阻特性的试验研究.建立预旋系统旋转试验台,在旋转部件表面采用微型压力传感器测量压力,经过标定校正后获得预旋系统的出口总压.获得了旋转雷诺数、无量纲质量流量对预旋系统温降和流阻特性的影响规律.研究结果表明:对两种角度的预旋喷嘴,无量纲温降随无量纲质量流量的增大先增大后减小,随旋转雷诺数的增大而减小;无量纲压降随无量纲质量流量的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而减小.