影响毫米级微型涡轮气动性能的若干参数

根据毫米级微型向心涡轮的特点,通过理论分析结合经验关联进行了涡轮性能与几何气动热力学参数之间的关联,在此基础上探讨了气动设计过程中各关键参数对微型向心涡轮气动性能的影响规律及影响程度.通过毫米级微型向心涡轮气动方案的设计,结合三维数值模拟手段对上述分析的系列参数选取原则的合理性进行了验证.针对毫米级微型涡轮中绝热壁面条件已不适用情况,探讨了固壁传热对涡轮气动性能的影响,这些研究为毫米级微型涡轮气动方案的设计提供了参考依据.      

通用核心机涡轮气动设计准则

针对通用核心机对涡轮部件性能的要求,尝试给出了描述涡轮气动通用性的定义,研究了速度三角形系列参数对涡轮气动通用性的影响规律,在此基础上,得到了通用核心机涡轮部件气动设计参数选取准则,并通过S2和三维数值模拟手段,利用一组真实涡轮的数据对涡轮气动通用性的定义和设计参数选取准则进行了验证。结果表明:在涡轮设计参数选择中,存在使涡轮部件气动通用性最优的速度三角形参数范围;一般情况下气动设计参数在Ω=0.35～0.45,μ=1.65～1.9,K1=0.55～0.6区域内时,所设计的涡轮气动通用性较好;一系列涡轮气动设计参数的分析表明本文给出的涡轮部件气动通用性的定义和得到的涡轮部件气动设计参数选取准则基本合理。     

某型高压涡轮级性能试验研究

本文介绍了某型高压涡轮级气动特性试验结果,主要包括总性能、变冷气流量比性能和变转子叶尖间隙性能三部分,并对此进行了分析.     

1+1/2级超跨声对转涡轮气动性能试验及分析

对转涡轮是高性能航空发动机的关键技术之一。采用试验方法对某1+1/2级超跨声对转涡轮气动性能进行了研究与分析。针对试验中涡轮级间难以布置测点的问题,提出了基于特性反推的分步试验方法,然后对超跨声对转涡轮运行特性进行了详细分析。研究结果表明,该超跨声高压涡轮流量特性几乎不随膨胀比变化,而效率特性变化较大;高、低压涡轮喉道面积比在涡轮膨胀比分配中起到重要作用,该值低于设计状态时,总膨胀比满足设计要求下,高压涡轮膨胀比增大,低压涡轮膨胀比减小;高压涡轮出口气流角对低压涡轮运行特性影响显著。     

间冷循环燃气轮机相似准则及性能修正方法

为准确预测不同环境条件下间冷循环燃气轮机的性能,提出了一种基于相似理论的燃气轮机性能修正方法。基于白金汉定理推导了间冷循环燃气轮机相似准则,给出了海水流量、一次水流量和海水温度对应的相似准则数;针对间冷循环燃气轮机相似准则建立过程中因假设带来的误差问题,采用指数修正的方法提高相似准则数精度;分析了实际间冷循环燃气轮机运行不相似对性能参数的影响;在此基础上,构建了间冷循环燃气轮机性能修正预测公式,并分别采用小偏差方法和拟合方法获得修正公式中的系数项。结果表明：所提出的相似准则数具有较高的计算精度,其中热效率计算最大误差不超过1%,动力涡轮出口温度计算最大误差不超过0.3%;基于拟合的性能修正方法可将不同环境条件、不同工况下的间冷循环燃气轮机性能计算误差修正到1%以内,具有较好的性能评估能力,可满足间冷燃气轮机性能评估需求,对间冷燃气轮机的研制和试验工作具有重要意义。     

涡轮动叶凹槽状叶顶传热特性和气动性能的不确定性量化研究

基于非嵌入式多项式混沌展开方法,结合Smolyak稀疏网格技术与Sobol Indic方法构建了涡轮动叶凹槽状叶顶传热特性和气动性能不确定性量化分析系统。研究并量化了几何参数叶顶间隙和运行工况参数主流进口总温与气膜冷却吹风比不确定性对涡轮动叶凹槽状叶顶气热特性的影响。不确定性分析结果表明：在考虑叶顶间隙与主流进口总温和吹风比不确定性的情况下,叶顶换热量 基本符合正态分布。 的统计均值相对于设计值增加13.56%并且其偏离设计值10%的概率高达65.68%。相比叶顶尾缘区域,叶顶前缘部分的换热量对不确定性输入更加敏感。前缘区域的叶片壁面换热量 的不确定性明显大于尾缘部分。在叶顶间隙与主流进口总温和吹风比不确定性的影响下,0-80%轴向弦长区域内叶顶总压损失系数存在微小偏差,但在80%轴向弦长以后区域总压损失系数的不确定性偏差会达到约50%。敏感度分析的结果表明主流进口总温是叶片换热性能不确定性的主导变量,其对 与 不确定性的贡献分别为93.87%和98.32%。叶顶气动性能的不确定性则完全由叶顶间隙控制,其对叶顶总压损失系数不确定性的方差占比高达86.44%。与主效应相比,各变量间的二阶交互效应对叶顶气热性能的影响几乎可以忽略不计。     

叶尖间隙对涡轮气动性能影响的试验研究

叶尖间隙对涡轮气动性能有较大影响,控制叶尖间隙可以提高涡轮的气动性能.通过在中国燃气涡轮研究院涡轮综合试验器上进行的两次变叶尖间隙对涡轮性能影响的试验研究,找出了叶尖间隙对涡轮气动性能影响的部分规律,对涡轮叶尖间隙的设计具有一定的参考价值.     

低速模拟技术在高压涡轮级中的应用

借鉴低速模拟技术在航空发动机高压压气机研究中的成功经验,探索了将其应用于高压涡轮部件时的气动设计方法,提出了一种改进的叶型重设计方法.以此方法为设计准则,选取E3发动机高压涡轮的第1级为原型高压涡轮,设计了与其相似的低速涡轮试验设备.在设计过程中保证了两者之间相等或相近的稠度、展弦比等结构参数,相近的效率、负荷系数、沿径向分布的效率和气流角等气动参数,以及类似的无量纲叶片表面等熵马赫数分布形式.数值模拟结果表明:由于低速涡轮设备的落压比、总温比等参数均与原型高压涡轮差别较大,压气机低速模拟中常用的流量系数、叶片表面压力分布等相似参数不再适用.按照给出的结构和气动相似参数所设计的低速涡轮模型达到设计要求,其能够反映出原型高压涡轮主要的气动参数变化趋势,能够作为涡轮内部气动热力学研究的试验载体.      

肋条布局对涡轮动叶凹槽状叶顶传热和气动性能的影响研究

为提高凹槽状叶顶气热性能,探究肋条布局对凹槽状叶顶间隙腔室内旋涡的调控作用和降低传热系数与气动损失的作用机制,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程和k-ω湍流模型的方法研究了肋条布局对涡轮动叶凹槽状叶顶传热和气动性能的影响。基于GE-E~3涡轮级动叶凹槽状叶顶结构,在叶顶凹槽腔室内沿中弧线等间距设计了全肋条布局、吸力侧半肋条布局、压力侧半肋条结构和凹槽尾缘半肋条结构共4种肋条布局。数值模拟动叶叶顶传热系数分布与实验数据对比,验证了所采用的数值方法和湍流模型的有效性。结果表明:凹槽尾缘半肋条布局的叶顶平均传热系数比凹槽状叶顶结构、全肋条布局、吸力侧半肋条和压力侧半肋条布局分别低了11.3%,3.1%,11.3%和2.8%;压力侧半肋条布局与凹槽尾缘半肋条布局的动叶出口截面总压损失系数相近,比凹槽状叶顶结构、全肋条布局和吸力侧半肋条布局分别减小了1.4%,2.7%和4.0%。肋条布局能够有效降低凹槽状叶顶间隙腔室内的旋涡强度,减少叶片的气动损失;同时上游凹槽腔室强度较弱的旋涡通过凹槽尾缘半肋条布局进入下游凹槽腔室,降低了尾缘区域的传热系数。凹槽尾缘半肋条布局的动叶叶顶具有最佳的气热性能。     

高压涡轮冷却叶片叶顶结构气动与传热

开展了叶顶结构及间隙变化对高压涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的研究,建立了四种不同叶顶结构的涡轮冷却叶片几何与数值分析模型,进行了高精度流热固耦合分析,得到了不同叶顶结构及间隙对涡轮冷却叶片气动与传热性能影响的数值分析结果。结果表明:不带射流孔叶片随着叶顶间隙的增大,总压损失增加;由于近壁面处存在的涡流,凹槽叶顶结构能够减少叶顶燃气泄漏,阻碍叶顶平面高温燃气的流动与热交换;叶顶射流孔冷却效果明显,能够大幅度降低叶顶平面温度。在相同叶顶间隙下,凹槽射流叶片具有最高的气动性能。     

气动物理地面模拟试验相似律

依据流动子过程特征量分析方法，导出了高超声速化学反应流动的相似律。将得到的相似律应用于气动物理地面模拟试验，给出了确定地面模拟试验条件的相似准则，分析了地面模拟试验中需要进一步解决的其它基础理论问题。     

高负荷涡轮叶栅气动性能试验

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对某型高负荷涡轮静叶栅进行了吹风试验.应用五孔球头测针,详细测量了在三个冲角下由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布.试验结果表明,沿叶高变负荷结合叶片弯曲,在满足高负荷要求的条件下能够控制边界层的集聚、转捩与分离.在主流区采用前加载叶型,保证叶片能承担高负荷.在两个端壁区采用后部加载叶型,并通过叶片正弯进一步降低气动负荷,从而减小端壁横向压力梯度,削弱端壁横向二次流.正、负冲角仅影响叶片前缘吸力面或压力面的静压分布,引起气动负荷的增加与减小.研究的高负荷涡轮叶栅具有良好的冲角适应性.      

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。     

涡轮转子叶片叶冠修形对涡轮气动性能的影响分析

以某型涡桨发动机某级动力涡轮为研究对象,采用实际叶冠结构进行三维数值计算模拟动叶叶冠处的流动,并对叶冠修形对动力涡轮气动性能的影响进行了研究。研究发现叶冠修形对动力涡轮气动效率的影响在0.2%以下,且小面积的前缘修形有利于抑制进口腔内叶冠表面的分离,大面积的前缘修形则使得进口腔内涡强度增强且向下游移动,而后缘修形使得叶冠出口堵塞及回流情况恶化,直接导致了涡轮效率损失的增加;在不同蓖齿间隙或不同气动载荷的条件下的涡轮气动效率随修形面积的变化规律是相似的。     

双级高压涡轮气动性能试验状态模化方法

针对双级高压气冷涡轮的低温试验状态模化方法,对以空气为工质、基于不同相似准则数的试验模化状态的流场相似性进行数值仿真。结果表明：对于有冷气试验模化方法,采用出口马赫数与设计状态一致的模化方法可获得相似性较好的试验状态流场,此时反力度、载荷系数、马赫数均能保证良好的相似性,主要相似准则数偏差不超过5%;对于无冷气试验模化方法,保持涡轮几何不变并增大膨胀比使得等熵速比与设计状态的一致,或通过改变叶片数保证各排出口马赫数与设计状态的一致,均能显著改善无冷气模化状态与设计状态的流场相似性。其中前者反力度相似性接近98%,而后者载荷系数和马赫数的相似性达到了同样水平,但破坏了模型的几何相似。     

级环境下弯叶片对涡轮气动性能影响数值研究

针对某两级低压涡轮的弯扭叶片进行气动性能影响的数值研究,通过对比分析不同弯角和不同类型弯叶片的流场,认为级环境下弯叶片需根据具体载荷分布条件匹配设计.对于研究两级涡轮,第一级静叶反弯、第二级静叶正弯具有相对最优的气动绝热效率,J型弯相比对称弯改善负荷分配,降低二次流损失和激波损失,且小弯角叶片表面压力分布更均匀,流道中部熵增更小,性能高于大弯角叶片.      

叶冠齿数和齿顶间隙对涡轮气动性能的影响

通过数值方法对某1.5级带冠涡轮的流场进行研究,对比分析了不同叶冠齿数和齿顶间隙对涡轮气动性能的影响.研究结果表明,泄漏流与主流掺混后形成一个涡流区,改变了叶栅上半通道的流场结构,使得顶部流体以负攻角进入下级静叶,造成攻角损失,改变了下级静叶的气动性能.同时发现间隙相对于齿数对涡轮气动性能的影响程度更为显著,间隙相同,齿数从1增加到4时,涡轮效率增加0.75％;齿数相同,间隙从2mm减小到0.5mm时,涡轮效率增加1.82％.     

涡轮试验准则数对流场相似性的影响

基于某高压涡轮模型,以各叶片排出口的气流角和马赫数径向分布为流场相似的评价标准,通过数值模拟的方法分析对比了几种常用的涡轮试验准则数对流场相似的影响,为涡轮试验提供参考。结果表明:未考虑比热比和考虑比热比的物理转速值相差15%以内,且流场差异很小;进口温度为450K时,保证比热比、折合转速、膨胀比相等可以很好地保证流场相似,而保证折合转速、膨胀比相等和保证折合转速、折合功率相等时,2级动叶出口马赫数与设计点差异最大,平均相对差异接近6%;温度越高,流场的相似性越好,且保证折合转速 折合功率要优于保证折合转速 膨胀比的方法;若无法保证比热比,进口温度至少需要800K才能使各叶片排马赫数相似差异在2.5%以内。      

旋转盘腔流动与换热试验准则

在分析空气系统旋转盘腔作用,及对其开展流动与换热试验研究目的的基础上,利用相似理论,推导出试验研究时应遵循的进气雷诺数、旋转雷诺数、普朗特数、旋转格拉晓夫数等相似准则及准则方程,解决了试验参数选取依据及匹配等问题,并建立了初步试验方法及数据处理方法。研究成果对进行相关试验研究具有一定的参考意义,但仍需通过试验研究进行不断补充与完善。     

叶尖间隙对涡轮性能影响的计算与试验研究

采用电容型叶尖间隙测量系统,在国内首次对单级涡轮级性能试验状态下的转子叶尖间隙进行了实时测量,并利用获得的叶尖间隙热态试验数据,完善了涡轮转子叶尖间隙计算方法。同时,开展了变叶尖间隙的涡轮级性能试验,总结了叶尖间隙对涡轮性能的影响规律。另外,还对试验方案进行了数值模拟,并与试验结果进行对比分析,进一步研究了叶尖间隙对涡轮性能的影响。结果表明,电容型叶尖间隙测量系统具有较高的准确性,利用该系统有助于掌握叶尖间隙真实变化规律,提高试验安全;通过对叶尖间隙实时测量,可正确评估涡轮性能随叶尖间隙的变化规律,具有较高的工程应用价值。