高压涡轮瞬态叶尖径向运行间隙计算分析

为了改善现代航空发动机整体性能和可靠性,将热分析和结构分析耦合起来,以航空发动机从地面启动到巡航这一过程为研究对象,对涡轮转子进行瞬态叶尖径向运行间隙计算分析。在计算中考虑了材料、温度和离心载荷的非线性,以及惯性力和温度的复杂的边界条件,分别对叶片、轮盘和机匣的变形进行计算和分析,进而得出涡轮叶尖径向运行间隙的变化规律以及与试验相符合的计算结果。该计算分析方法为涡轮叶尖径向运行间隙的概率分析和优化设计奠定了基础。     

巡航状态下涡轮径向间隙主动控制

发动机叶尖间隙变大,会导致压气机和涡轮的工作效率下降,发动机推力减少,耗油率增大。主动间隙控制技术是根据发动机工作状态,人为地控制机匣或转子的膨胀量,使转子和静子的热响应达到良好的匹配,以保证径向间隙最小。针对涡轮在巡航状态下采用冲击冷却,确定涡轮在冲击冷却下的优化设计数学模型,利用MPOP优化程序综合寻优,达到涡轮在巡航状态下优化设计主动控制的目的。     

考虑主动间隙控制的涡轮叶尖间隙建模计算研究

建立了具有涡轮叶尖间隙计算功能的发动机实时模型并设计了主动间隙控制系统,以反映涡轮叶尖间隙控制对发动机动、静态性能的影响。提出以半无限平面瞬态热传导与多项式拟合相结合的方法,更准确计算发动机动态过程中变化的叶尖间隙;基于涡轮叶尖间隙的变化量和涡轮性能参数的关系实时修正当前涡轮性能参数,提高了常规发动机部件级模型的计算准确度,且涡轮叶尖间隙每减少0.25mm,涡轮效率提高1%,耗油率下降1%;在分析气冷式主动间隙控制系统的基础上,设计了一种可以控制叶尖间隙变化的机械式主动间隙控制系统,使动态过程中变化的叶尖间隙始终处于指令间隙。通过对发动机地面加速过渡过程和巡航减速过渡过程的仿真,验证了上述方案的有效性。     

考虑发动机性能退化的涡轮叶尖间隙预估方法研究

针对有主动间隙控制的某型高压涡轮,建立了考虑发动机退化的叶尖间隙预估模型,重点研究了发动机在长期使用、性能退化过程中涡轮前燃气温度和蠕变变形对叶尖间隙的影响。研究中,首先分析了间隙预测中发动机性能退化影响的引入方式,建立了对应的间隙预估流程。随后以某型发动机典型工作历程为对象,对比研究了传统间隙控制方案、考虑发动机性能退化影响两种条件下的涡轮叶尖间隙尺度变化规律,并据此开展了间隙控制策略的优化调整。研究中发现,由于发动机性能的退化,导致涡轮前燃气温度升高,使得机匣、轮盘和叶片的热变形量增大,其中在最大巡航阶段对机匣的影响最大,其伸长量达到了6.914mm,与未退化前相比增大了17%,同时由于发动机的长期使用,叶片和轮盘受蠕变变形影响,导致叶尖间隙的变化。研究结果表明,采用优化后的主动间隙控制方案,各个工况下的叶尖间隙值均控制在合理范围内,尤其在高温起飞阶段,与退化状态下的间隙值相比提高了53%,有效避免了叶片严重碰摩等故障发生。     

民用涡扇发动机结构与建模分析研究

数学模型是航空发动机性能仿真与控制系统设计的重要技术基础,针对民用涡扇发动机建模需求,以广泛使用的大涵道比涡扇发动机为研究对象,参考国外经验并结合理论分析,进行与整机建模相关的发动机主要部件结构特点和部件建模方法研究,给出发动机大风扇特性分解方法,分析空气引气系统、压气机稳定性控制系统、涡轮叶尖间隙控制系统、反推力装置等系统的结构和建模方法,以期为民用大涵道比涡扇发动机整机建模提供技术支持.     

几种摇臂与联动环连接结构对比分析

为了改善航空发动机整体性能和可靠性,以航空发动机从地面起动到巡航过程为研究对象,采用热-固耦合分析方法,对涡轮转子叶尖径向运行间隙(BTRRC,Blade-tip Radial Running Clearance)进行动态分析.在分析中考虑了材料属性的非线性和温度载荷、离心载荷的动态性,分别对涡轮的叶片、盘和机匣的变形进行计算和分析,得到了涡轮叶尖径向运行间隙的变化规律,以及BTRRC最小点(可选择t=180 s)和最小值(约0.18 mm),为进行进一步涡轮叶尖径向运行间隙的动态概率分析和动态优化设计奠定了基础.     

大涵道比涡扇发动机低压涡轮间隙分析与设计

航空发动机涡轮叶尖间隙的准确分析与合理设计对改善发动机性能有重要意义。对叶尖间隙的影响因素进行了详细分析,并指出在总体结构初步设计中,涡轮叶尖间隙分析和设计需要重点考虑的载荷因素;给出采用NX-NASTRAN进行间隙计算的求解方法和详细步骤;以某大涵道比发动机低压涡轮的间隙分析为例,给出详细的求解过程,求解得到低压涡轮在地面起飞状态等8个工况下间隙变化值为-0.4~1.1 mm,并指出间隙初始值的确定应当主要考虑设计点状态、起飞状态和地面慢车状态。     

发动机斜流压气机叶尖间隙稳态数值分析

燃气涡轮发动机旋转叶轮的叶尖间隙对其性能和结构可靠性均有较大影响,因此国内外的相关研究机构在叶尖间隙控制方面进行了大量的数值分析和试验测试工作.利用Ansys软件采用流-固-热耦合分析方法,分析了某型发动机斜流压气机叶片、机匣的热、机械、气动载荷产生的结构响应,得到了发动机不同稳态状态点下斜流压气机叶尖间隙沿轴向的分布规律.结果表明:斜流压气机叶尖和机匣位移响应沿轴向的变化趋势一致,位移响应的最大值均位于机匣曲率最小的位置;在机械载荷最大点,叶尖间隙小于设计点相应值,而在热载荷最大点,叶尖间隙远大于设计点相应值.     

高压涡轮主动间隙热控制系统机匣传热特性试验

设计了实际尺寸高压涡轮（HPT）主动间隙控制（ACC）系统机匣组件试验件,模拟ACC系统在高温、高压条件下的工作状态,研究了HPT机匣的温度分布规律,以及机匣温度随冷气雷诺数的响应特性,验证了供气总管及冲击冷却管的流动特性。结果显示:供气总管压力分布均匀,冲击冷却管从进气端至封闭末端的沿程压力逐渐升高,但管内压力随冲击冷却管开孔面积比的增大而接近一致;当ACC系统不工作和工作时,机匣周向单点温度与平均温度最大相对偏差分别为48%和58%;而在ACC系统工作时,随冷气雷诺数的变大,涡轮外机匣温度能显著降低,试验工况中,机匣各冷却部位平均温度的降幅可达16%～37%,达到预期效果。基于试验测试数据,验证并改进了HPT机匣组件换热分析模型,该模型具有较高精度和良好适用性。      

叶尖间隙控制系统供气部件特性及模拟方法

针对低压涡轮叶尖间隙控制系统中典型供气管路,即圆形截面90°弯曲冷却管,开展其工作特性和模拟方法研究.通过1∶1单管模型试验结合三维数值模拟方法,研究了冷却管上冲击孔的出流特性,分析了进气参数、冲击孔排布对冷却管内气体流动及流量分配的影响规律.在此基础上,提出了基于冲击孔进口有效总压概念的冷却管一维网络流动计算模型,建立了低压涡轮叶尖间隙系统中典型供气管路的一维网络流动计算方法,并应用于某型发动机组件流量特性试验设计中.研究中发现,随着远离进口位置,冷却管冲击孔出流流量和冲击孔流量系数逐步增加;随着进口雷诺数的增加,冷却管内冲击孔出流流量均有所增加,而冲击孔流量系数基本保持不变.试验数据和计算结果比对表明,所建立的一维网络流动计算模型可以准确模拟出冷却管的出流特性,计算结果同组件流量特性试验数据之间最大相对误差为4.5%,在叶尖间隙控制系统这类系统复杂流路的流动问题分析中具有良好的应用效果.      

间隙主动控制系统中冷却空气管换热特性实验研究

针对民用发动机低压涡轮主动间隙控制系统中冷却空气管气流冲击机匣的典型结构,建立1∶1简化试验模型并开展换热特性试验研究。试验中依据相似准则确定试验工况,通过改变进口Re数、孔排方式、冲击间距(即冷却管和机匣间距)等参数,分析了机匣表面局部和平均Nu数的分布和变化规律。试验中发现尽管冷却管上冲击孔沿周向均匀分布,机匣表面周向温度却存在明显的差异,对应局部换热系数相差可达3倍以上。试验数据表明:由于冷却管冲击孔周向出流流量不均匀,造成机匣表面局部Nu数随着对应圆心角的增加而逐步变大;当进口Re数增加后,冲击板面局部及平均Nu数均随之增大;试验工况下,机匣表面局部及平均Nu数均随冲击间距、冲击孔间距与孔径比(L/d)的增加而减小。     

高压涡轮间隙控制

现代航空燃气涡轮发动机的高压涡轮间隙对发动机效率即经济性和可靠性影响很大。高压涡轮间隙过大,漏气损失增大,发动机效率降低,供油量增加,使发动机高温,对发动机的寿命有不利影响;高压涡轮间隙过小,在大转速时可能使叶片折断,发动机失效。因此,高压涡轮的间隙大小对发动机高效、安全而可靠工作至关重要。本文以CFM56—3民用高涵道比涡扇发动机为例,分析高压涡轮间隙的控制方法以及对发动机性能的影响情况。     

民用航空发动机涡轮叶尖间隙主动控制技术分析

综述了民用航空发动机涡轮主动间隙控制技术发展现状,总结并分析了涡轮叶尖间隙的影响因素与变化机理,介绍了主动间隙控制方法及其发展趋势,给出了涡轮主动间隙控制方案分析和主动间隙控制系统的关键技术     

基于航空发动机工况的叶尖间隙智能预测方法

在实际工程中保持航空发动机高效运行的有效措施之一是应用叶尖间隙主动控制技术,其前提是建立精确的叶尖间隙模型以实现叶尖间隙预测。建立叶尖间隙的简化物理模型和数学模型,将叶尖间隙计算转化为热变形与传热问题,通过机器学习模型对发动机工况参数进行特征提取,利用有效特征求解传热问题的边界,从而实现基于发动机工况参数快速预测实时叶尖间隙。机器学习模型的十折交叉验证集的平均准确率为98.9%,叶尖间隙模型的验证误差为4.3%,得到了不同工况下的叶尖间隙计算结果和冷气流量大小变化规律,计算耗时小于0.03 s。     

叶尖间隙对涡轮性能影响的试验研究

为了获取叶尖间隙对涡轮性能的影响规律,通过对某型发动机高压涡轮第1、2 级叶尖间隙的主动调控,进行叶尖间隙 对涡轮性能影响的试验研究。采用精密传感器对叶尖间隙进行测量,通过试验得到不同叶尖间隙下涡轮效率、换算流量、换算功以 及出口流场的变化数据。结果表明：第1、2 级叶尖间隙每增大1%,涡轮效率约降低0.58%～0.69%;存在1 个叶尖间隙变化对涡轮效 率影响较明显的敏感区;叶尖间隙变化对叶尖出口流场有明显影响。     

发动机主动间隙控制系统的应用及发展趋势

为了尽可能减少燃油消耗,并进一步降低使用成本和环境影响,航空发动机需要保持较高的整机效率。由于涡轮间隙严重影响涡轮效率,为消除其不利影响,分析了叶尖间隙形成和变化的机理及主要影响因素,重点综述了3种不同的主动间隙控制系统的控制方法及其技术特点,总结了主动间隙控制在提高整机效率、降低燃油消耗、减少排放、降低维护费用等方面的巨大收益,并对主动间隙控制技术的关键技术和未来发展方向进行了讨论。认为国内需要认识到主动间隙控制技术的重要性并大力开展其关键技术研究。     

航空发动机叶尖径向间隙研究进展综述

航空发动机叶尖径向间隙是影响其性能和结构安全性的重要因素。简述了航空发动机叶尖间隙研究的国内外发展现状,进而量化间隙对发动机性能的影响,摸清叶尖间隙随飞行里程的变化规律,总结出影响叶尖间隙的主要因素有热负荷、离心负荷、转子不平衡响应、转子热弯曲、机动载荷等,基于各影响因素认为,通过转、静子变形来综合计算分析稳态、瞬态间隙是目前发动机叶尖间隙主要分析方法。为数值分析发动机叶尖间隙打下技术基础。     

航空发动机叶尖间隙数学模型的建立与验证

在航空发动机装配中,保证设计要求的叶尖与机匣间隙,可以减少工作介质泄漏,降低端壁损失,从而保证发动机性能。基于单传感器单步法测得的间隙数据在国内开创性地建立了叶尖间隙数据处理的数学模型,推导出判断转子与机匣装配是否合格的叶尖间隙相关特征参数FIR,IMP以及转静子同心度ECC的求解公式,建立了发动机水平放置时消除下沉量影响的数学模型。并在Lab VIEW平台上开发了相应的数据处理软件验证了所建立的数学模型的正确性。     

涡轮流体介电常数对高压涡轮叶尖间隙测量影响计算分析

为了评价涡轮流体介电常数对电容式高压涡轮叶尖间隙测量精度的影响，通过理论分析获得航空发动机涡轮流体介质 的成分，并计算各成分的体积分数。由于水蒸气的体积分数对涡轮流体介电常数影响较大，仿真计算了不同工况和不同水蒸气体积 分数下涡轮流体介电常数的变化范围，在此基础上计算了涡轮流体介电常数对涡轮叶尖间隙测量误差的影响。计算结果表明：涡轮 流体介电常数对涡轮叶尖间隙测量带来的误差最高为0.3%，在工程应用时可以忽略。     

涡轮3 维叶尖间隙对典型故障特征的响应特性分析

为了有效地克服传统叶尖间隙在航空发动机涡轮叶盘的健康监测中传递信息能力有限的不足,充分考虑了在航空发动机运行过程中涡轮叶片叶尖的3维特征,提出包含径向间隙、叶片叶尖端面轴向偏转角和周向偏转角在内的涡轮3维叶尖间隙的概念,并将3维叶尖间隙特征参量作为叶片故障信号载体,通过有限元方法分析了3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片典型裂纹故障的响应特性。结果表明:3维叶尖间隙特征参量对高压涡轮叶片尾缘裂纹的故障特征信息有良好的反映效果。