某型燃气轮机涡轮过渡段流场的数值模拟

对某型燃气轮机涡轮过渡流道流场进行数值模拟,得到了与实验结果比较吻合的计算结果。结果表明:过渡段内流动为亚声速流动,沿流道有较大的逆压梯度,整流支板的作用类似于扩压叶栅。该方法与结果为此类过渡流道的设计提供了参考,并为以后的进一步改进和优化打下了坚实的基础。     

某型涡轮过渡流道稳定工作范围优化设计

为保证高、低压涡轮间流场参数匹配,要求在高压涡轮出口旋流角增大时,涡轮过渡流道仍处于近最佳工作状态。利用全三维数值模拟方法对涡扇发动机涡轮过渡流道进行了初次优化设计。优化后的过渡流道压力系数提高了20.6%,总压损失系数降低了 5.0%,并且其无流动分离工作范围得到扩大。为进一步扩大非设计稳定工作范围,对初次优化设计结果进行了二次优化。虽然二次优化后涡轮过渡流道设计点性能略有下降,但其无流动分离工作范围进一步扩大,且非设计工况点流道出口流场分布更加均匀,改善了下游低压涡轮的进气条件。      

基于二维优化方法的涡轮过渡流道设计

为优化涡轮过渡流道的气动性能,以期提高发动机的整体经济性能,采用二维通流法与单纯性优化算法相结合的方法,对某型发动机涡轮过渡流道进行了二维优化.优化后过渡流道出口的总压损失系数降低了8.4％,流道扩压能力增加了40.4％,同时过渡流道出口气流均匀性也得到很大幅度的改善.使用CFD技术对初始流道和优化后流道性能进行了三维数值模拟,并分析比较了过渡流道与整流支板的三维流场分布,从而验证了二维计算与优化算法的可行性.     

大涵道比涡扇发动机涡轮过渡流道一体化设计研究

为了提高大涵道比涡扇发动机气动性能,降低其燃油消耗与污染物排放,同时考虑成本与重量因素,针对其高、低压涡轮之间的过渡流道,提出了一体化概念,即新设计的支板代替原型整流支板与低压涡轮第一级导叶,使其也能够为下游转子提供合适的进气条件。对一算例开展了设计工作,并通过数值模拟进行了流场分析,结果表明带一体化支板涡轮过渡流道与原型涡轮过渡流道出口马赫数与切向速度吻合很好,验证了一体化设计的有效性。带一体化支板的过渡流道设计点工况总压损失为4.3%,较原型流道总压损失略有增大(原型流道总压损失4.1%),但带一体化支板的过渡流道更能适应非设计点工况,具有一定的优越性。     

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。     

基于改进流线曲率法的环形扩压器数值分析

环形扩压器是高涵道比发动机中使用的过渡流道的基本形式。使用高性能的过渡流道是降低低压涡轮级的负荷系数,提高涡轮效率的重要手段之一。发展了环形扩压器性能预测的方法,基于改进的流线曲率法对环形扩压器进行数值模拟,重点分析了影响性能计算的诸多因素。同时,模拟计算四种不同旋流角时扩压器的性能,给出了扩压器的速度和压力分布,揭示了不同旋流角对扩压器性能的影响,给出了最佳旋流角的数值。比较和分析了数值结果和实验结果之间的区别,分析了粘性和掺混对扩压器的影响。通过对两组数据的对比,解释了掺混作用对性能计算的影响,论证了算法的可行性。     

毛刺和加工精度对涡轮流量影响的数值模拟

为了研究喷嘴内壁毛刺和内壁尺寸加工精度对涡轮流量的具体影响,采用数值计算方法对液动涡轮泵喷嘴机构的单喷嘴内部流动进行数值模拟。通过对比计算结果与试验结果,以及分析计算所得流场细节,表明各工况点计算值与试验值的变化趋势基本一致;毛刺和加工精度对涡轮流量都会产生影响,但相对于加工精度,毛刺是影响涡轮流量的主要因素。     

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。     

基于一维模型的涡轮过渡流道优化设计

降低涡轮过渡流道的损失,缩短其长度,增大其径向偏移,是提高高涵道比涡扇发动机经济性和环境友好性的重要手段之一。目前研究基于所发展的一维涡轮过渡流道性能预测方法,提出了涡轮过渡流道设计的优化问题,融合单纯性优化方法,建立了一套有自主知识产权的涡轮过渡流道初步优化设计体系,用于涡轮过渡流道的快速设计。文中简要讨论了涡轮过渡流道的一维性能预测方法,给出了一维优化过程中所涉及诸多因素的确定,如几何的参数化、目标函数的确定,优化方法的选取、初步设计的建立以及优化的流程等。最后,以某实际涡轮过渡流道的优化设计为研究对象,对所发展的方法进行了验证,结果表明优化后的流道在总压损失和压升方面都较原型有了提高。通过目前的设计算例,充分确认了方法的鲁棒性和有效性。     

涡轮盘腔内流动和传热的数值模拟

将实际涡轮盘腔简化为转子系统, 并用混合长度模型、N-S方程和能量方程模拟了该系统的流场和温度场, 采用SIMPLE法数值计算了自由转盘周围的温度场;封闭转子-静子腔内的流场和温度场;有入流和出流的转子-静子腔内的流场。计算结果与实验值符合较好, 因而为数值模拟涡轮盘腔内的流场和换热打下了基础。      

变壁厚气冷涡轮叶片结构参数化设计方法

叶片叶身截面内腔型线的光滑过渡是航空发动机变壁厚涡轮叶片结构设计的关键.为解决变壁厚插值在最大壁厚点处出现拐点而导致过渡不光滑的问题,提出变壁厚叶片结构设计方法即变壁厚抛物线插值法.该方法基于管道相交投影线拟合中弧线法,利用壁厚系数及其对应关系控制壁厚,实现变壁厚涡轮叶片结构参数化设计.设计实例结果表明:应用变壁厚抛物线插值法对不同壁厚气冷涡轮叶片进行结构设计,叶身截面内腔型线光滑,在最大壁厚点处不会出现拐点过渡.     

On Relationship of Flow Swirl Parameters and Gas-Dynamic Efficiency of Gas Turbine Engine Interturbine Transition Duct

The paper highlights significance of the interturbine transition duct as part of the high pressure and low pressure turbine spool. The correlations have been suggested allowing us to estimate variation of the average cross section flow swirl while its passing the interturbine transition duct.     

大涵道比发动机涡轮过渡段气动改型设计

大涵道比发动机的发展对涡轮过渡段设计提出了更高的要求。依据涡轮过渡段设计流程的5个步骤对某大涵道比发动机过渡段进行气动设计,并且对原型进行3维校核分析。总结过渡段内流动的特点,在原型的基础上进行改型设计。结果表明:通过控制流向面积分布规律能够确定过渡段沿流向的压力分布,选择合理的流向面积分布规律形式、改变过渡段流道型线的曲率能够改善当地的局部流动,获得更好的设计。改型设计消除了原型设计中存在的流动分离,并且减小了二次流损失,增大了过渡段的总压恢复系数。     

正交化设计对大子午扩张涡轮紧凑过渡段的流动性能影响

为了降低大子午扩张涡轮端区二次流损失和流动损失,同时降低过渡段缩短对涡轮性能的影响,对具有大子午扩张低压涡轮过渡段的紧凑过渡段设计进行气动分析,设计的紧凑型过渡段径向长度减小了30％,分析涡轮带原始过渡段和缩短后的紧凑型过渡段的气动性能和流场状态.并对涡轮静叶采用正交化设计,初步探索正交化设计对大子午扩张涡轮紧凑过渡段...     

Ma4内并联TBCC发动机匹配设计与模态转换性能分析

由于发动机自身工作能力的限制,要想获得最大的发动机性能,在不同的飞行马赫数下,对应不同的发动机形式,因此为了达到宽马赫数飞行的目的,在不同工作区间采用不同发动机进行工作的组合循环发动机应运而生。涡轮基组合循环发动机(TBCC)作为组合动力的一种,采用涡轮发动机与冲压发动机组合的形式,可以在未来作为远程高速飞行器和可重复使用2级入轨(TSTO)飞行器的第1级动力,有广阔的使用前景。作为宽速域内工作的 TBCC,模态转换是实现 TBCC 发动机宽马赫数工作必须解决的关键技术问题之一。针对Ma4 速域 TBCC 发动机,建立了相应的涡轮发动机与亚燃冲压发动机并联模型,通过考虑2种发动机的设计点与非设计点工作条件,对模态转换马赫数进行了选择,并基于保持固定流量这个前体条件,给出了相应的并联TBCC 模态转换控制过程。基于建模并联模型,初步确定了采用涡轮与亚燃冲压动力的 TBCC 发动机的可行性,在合适的匹配条件下,TBCC 组合动力可以满足飞行器的推力需求。     

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S形转接段半反问题设计方法研究

研究了压气机部件间S形转接段的气动设计方法,提出了一种控制转接段壁面静压梯度等参数的半反问题设计,并发展了相应设计程序.采用所述方法,对某轴流-离心压气机转接段进行了设计验证.结果表明:通过调整反问题设计参数,可以自由控制内壁面的静压分布及壁面几何,又通过对外壁面几何进行数值匹配,能够很好地实现所设计的内壁面上的静压分布,验证了本方法可行.在未寻求最优内壁面静压梯度分布的情况下,进口高度长度比达0.138,轮毂半径差长度比达0.485的轴对称转接段的总压恢复系数可达0.98以上.      

基于壁面压力梯度控制的压气机S形过渡段设计

建立了S形过渡段流道几何的参数化描述方式,并提出了半程落差比的概念,将过渡段流道几何归结为内壁半程落差比及控制点面积比的函数;探讨了通过半程落差比及控制点面积比控制壁面压力梯度的方法;将该方法应用于过渡段的设计,探索其设计规律。研究结果表明:适当增大半程落差比可使过渡段内壁扩压前移,减小后半程的逆压梯度,从而抑制过渡段内壁出口附近低能附面层的分离,减小损失;同时,控制点面积比也将显著改变壁面压力分布,构造先扩张后收缩的面积变化可减小过渡段内壁进口的吸力峰值,并且进一步减小后半程的逆压梯度;对于所研究的进出口面积相等的压气机S形过渡段,当半程落差比在0.55～0.65之间,控制点面积比在1.1附近时,过渡段的总压损失最小。