局部进气涡轮研究进展综述

涡轮是工业领域的重要部件之一,随着应用需求的多样化,涡轮的运行范围更广,而局部进气技术是实现多工况条件高效运行的关键手段之一。但局部进气会带来强烈的流场不均匀性和受力非定常性,增加了涡轮的设计和加工难度。本文首先对局部进气涡轮在不同领域的应用特征进行总结,其次对局部进气涡轮损失机理和性能影响因素开展分析,对比不同局部进气损失预测模型的精度,归纳局部进气涡轮的优化设计方法及性能提升效果,分析局部进气涡轮目前研究的不足,最终对局部进气涡轮发展趋势进行展望,为下一步局部进气涡轮性能改进提供方向。     

局部进气ATR涡轮性能影响因素数值模拟研究

为研究局部进气条件下ATR涡轮内的流动特性,对局部进气涡轮进行定常和非定常数值模拟.定常计算采用冻结转子方法,改变动叶与静叶的周向相对位置研究涡轮内流场特征;改变进气扇区布局、进口参数和局部进气度,研究其对涡轮性能的影响.研究结果表明,对于给定局部进气度,进气扇区整体布局时,涡轮性能的优越性最大;在局部进气ATR涡轮的设计中,需要综合考虑流量、效率和功率3个因素来决定局部进气度.不同位置定常流动结果的平均值与非定常流动的时均值存在差异,非定常计算更好地展示了静叶尾迹和流动积累效应的影响,因而更加可靠.     

TBCC发动机进气机匣流道评估与优化

对涡轮基组合循环(TBCC)发动机进气机匣进行全三维流场计算,评估进气机匣流道的流场和性能,发现进气机匣流道中气流损失过大,总压恢复系数不满足指标要求,需进行优化。然后根据流场分析结果和流道截面积变化,使用三次样条插值方法对进气机匣流道进行优化,使流道截面积变化更为平缓。对修改设计后的流道再进行全三维流场计算分析,反复迭代使得最终的进气机匣流道和支板的总压恢复系数大幅提高,并满足指标要求。     

局部进气条件下空气涡轮火箭发动机掺混燃烧研究

为揭示空气涡轮火箭发动机燃烧室中富燃燃气与空气在涡轮局部进气条件下的混合增强机制和燃烧反应机理,对富燃燃气与空气的湍流混合及燃烧过程进行了数值模拟,并结合试验结果定量分析了两类燃烧组织方案的掺混和燃烧效率。研究结果表明:涡轮局部进气条件下波瓣混流器强化掺混的主导因素是大尺度流向涡的对流型混合,涡轮局部进气对涡系的初始空间分布及涡量强度具有显著影响,其对下游掺混质量的影响与波瓣型面相关;肼分解燃气与空气的燃烧是一种分支链锁反应,其主要反应历程是氢气的氧化反应和氨气的分解,热混合效率可作为掺混燃烧效率预测的重要参考量。      

基于边缘射流的起落架气动噪声控制研究

:起落架噪声可以看成是一系列结构件单独引起的气体扰流噪声以及这些不同结构件相对位置引起的干扰噪声的耦合.为了降低起落架气动噪声,提出一种基于边缘射流的主动控制技术.以某型飞机前起落架为研究对象,在其扭力臂背风面施加射流,利用分离涡脱模拟方法对其支柱和扭力臂结构简化模型的周围流场进行非定常计算,获取声源分布,采用FW-H积分获得远场噪声特性.结果表明:边缘射流能够有效抑制干扰噪声和支柱噪声,起落架的中频噪声得到一定幅度的下降,宽频噪声强度也有所减弱;射流改变扭力臂尾涡的脱落状况,可以减轻甚至消除涡脱落对支柱的冲击,从而减弱了支柱表面由于撞击而产生的脉动压力,达到降低声源强度的目的.     

轴向间距变化对低压涡轮定常与非定常气动性能影响的数值研究

为了研究不同轴向间距下定常计算与非定常计算间的差异,以表明在涡轮设计中进行非定常计算与分析的必要性,对高负荷低压涡轮级进行了在不同轴向间距下的定常和非定常流动的数值模拟研究,并通过分析动静干涉条件下轴向间距变化对涡轮气动性能的影响并与定常条件下间距变化对气动性能的影响进行对比。结果表明:只有在某个合适的轴向间距范围内,定常计算结果才具有较好的参考价值;轴向间距的增加使得动叶正、负攻角都有减小的趋势,有利于改善动叶的流动状况;非定常流动的动量掺混损失具有其逆效应,它使动叶端部横向压力梯度减弱,二次流损失下降。     

低压涡轮的气动-声学三维数值优化: 倾斜导叶策略

 低压涡轮既是飞机进场着陆时发动机的重要声源,也是发动机中对效率要求很高的部件之一,为了实现低压涡轮低噪声的设计目标必须同时兼顾气动性能指标。研究给出了高效低噪声低压涡轮气动-声学三维优化的思路,即首先通过计算流体力学(CFD)定常计算评估三维设计变化对气动性能的影响;然后利用非定常CFD方法与三平面压力模态匹配(TPP)方法的结合来评估其降噪的效果与非定常气动影响;最后确定最佳的设计方案。以GE-E³(Energy Efficient Engine)低压涡轮末级为算例,数值模拟了导叶倾斜作为低压涡轮降噪措施的潜力。计算结果表明,正倾斜导叶角度小于19°时单级涡轮气动性能较直列叶栅要好,效率最大提高了0.3%。对单音噪声级的评估指出,正倾斜由于改变了导叶的尾迹特征,涡轮级噪声水平是增大的,因此不能作为有效的降噪策略。数值研究的结果表明CFD方法能够同时反映出叶片三维设计的细节变化对气动和噪声级的影响,可以作为三维气动-声学优化的手段。     

带多孔板的APU进气系统气动性能实验

利用实验方法对一类带多孔板的辅助动力装置(APU)进气系统气动性能进行了研究.实验结果表明:两出口的总压恢复系数和总压畸变指数均随流量的增加不断降低.总压恢复系数在定总流量时略微下降,在定配比时几乎线性下降.总压畸变在周向上主要受多孔板无孔区影响,径向上主要受流道曲率影响.随开孔率增加,总压恢复系数不断增加.动力端不同开孔率下,总压畸变以径向畸变为主,负载端在小开孔率时以周向畸变为主,大开孔率时径向畸变成为主要因素.      

实验探究周向进气畸变对局部喘振型跨声速轴流压气机进气的影响（英文）

为深入探究失速点变化机理,采用实验方法探究了三种不同周向畸变强度的进气边界对压气机失稳演化的影响机理。在试验过程中,通过增加动态测试点以测量转子叶尖的静压和静子尾缘的总压,并在压气机出口容腔内增加测点以检测系统响应。结果表明,当进口存在周向畸变时,失稳点流量的减小是由于压气机的失稳演化过程从局部喘振转变成了突尖波。在均匀进气时,该压气机失速演化过程为局部喘振,扰动以低频轴对称的形式出现在静子叶根区域。当进口存在周向畸变时,静子叶根处仍会出现不稳定低频扰动,但由于周向畸变的存在使其不再具备轴对称性,因此该低频扰动无法进一步发展,最终由于转子叶尖出现了突尖波导致压气机失稳。本研究主要结论为周向进气畸变可以通过改变压气机失速过程进而影响压气机失速点变化。     

基于优化算法的压气机叶片气动设计

将数值最优化方法与叶轮机械正问题流场计算相结合,实现对风扇/压气机叶片积叠线、子午面流道和沿径向弦长分布组合的优化设计,数值最优化采用基于局域网的并行遗传算法.运用该软件对NASArotor67风扇转子进行重新设计,设计目标为设计点压比和流量不变、效率最高以及堵点流量不变.与原风扇转子比较,稳定工作流量范围略增大并且在整个工作流量范围内优化转子压比近于不变、效率提高约0.5个百分点.      

S型收缩流道对涡轮通流能力影响的研究

为进一步提高航空发动机涡轮通流能力,以小型跨声速涡轮为原型,研究了静子S型收缩流道对涡轮通流能力的影响。将S型流道直线段长度和收缩段内外圆半径比作为流道造型参数,分别针对原型涡轮静子内外端壁进行调整造型,得到一系列不同参数组合的S型内外端壁涡轮算例。保持膨胀比为设计值不变,利用CFD软件对原型和S型流道涡轮进行设计点模拟分析。结果表明,S型流道涡轮流量提升的原理在于增大的静子喉道面积。在相同造型参数下,S型外端壁涡轮的静子叶根损失被有效降低,流量提升明显,且流量高于S型内端壁涡轮1%左右,但由于最大外径增大使其质量通量提升效果减弱;与之相反,S型内端壁涡轮的质量通量提升明显,且高于S型外端壁涡轮3%左右。从提升涡轮质量通量并保证效率不低于原型的角度看,S型外端壁造型参数选取范围更广。     

高压涡轮工作叶片内部流场特性试验研究

为研究变工况特性下涡轮叶片内部通道流场特性,选取高压涡轮二级工作叶片内部通道作为研究对象,在5种不同的进口雷诺数（Re）工况下,利用TRPIV（时序PIV）技术对通道内的流场特性进行了试验研究。Re变化为32426～64700,模拟了飞行循环过程中的若干典型工况。在先进加工技术的辅助下,保留了真实叶型约束下的完整内冷三通道带肋结构,捕捉到一些不同于常规截面两通道模型等简化模型中的流动现象,包括：弯头区域不对称主流分离结构和非对称二次涡系。通过数据分析,明确了高、低雷诺数下流动特性的差异。在高Re工况条件下,弯头出口附近的冲击区域增大;对于第一通道内的二次流,在接近弯头位置处,横向速度分量会导致纵向涡对的强度被削弱,高Re工况下拥有更加剧烈的影响,极有可能削弱吸力面的换热强度。     

舰船燃气轮机间冷系统流动参数优化分析

在传统换热器的设计理论和方法的基础上,进行了燃气轮机间冷系统的优化设计。使用VB程序语言和VS平台开发了辅助间冷系统设计程序,利用该程序进行了某参数条件下燃气轮机间冷系统的初步设计,并分析了不同液侧进口参数对间冷系统性能的影响。分析结果表明：乙二醇水溶液流量和海水流量的增加都可以提高间冷系统性能,但流量不是越大越好,应根据条件合理选择流量;海水温度对间冷系统效率的影响很显著,优化设计时要加以考虑。     

低压涡轮叶栅流动分离主动控制实验研究

 实验研究了低雷诺数条件下射流式旋涡发生器(VGJs)控制的低压涡轮叶栅,实验在西北工业大学吹气式低速涡轮平面叶栅风洞中进行,进口雷诺数范围为19 000~260 000,自由流湍流度为1%。实验中对VGJs吹气比为0~8,53%Cx,63%Cx和72%Cx射流位置,0°,30°,60°和90°射流偏斜角度,25 000,50 000和100 000雷诺数状态下叶栅出口流场和表面静压进行了测量。研究发现,VGJs有效地控制了低雷诺数条件下叶栅吸力面的流动分离;VGJs需要一个最小有效吹气比,大于此吹气比时,VGJs效果基本上不变,高吹气比VGJs效果稍微减弱;VGJs射流偏斜角越大,控制效果越好,90°偏斜角效果最好;位置对VGJs效果影响很大,VGJs控制流动分离的最佳位置应该在分离点附近;随着雷诺数提高,VGJs效果减弱,更高的雷诺数,VGJs会增大叶片损失。     

高速压气机等离子体流动控制仿真研究

为了研究等离子体流动控制扩大压气机稳定性的流动机理,采用数值模拟方法研究了三种轴向等离子体激励方式对转速15200r/min,叶尖速度350m/s的高速压气机的扩稳特性。结果表明,对于轴向布置的三组等离子体激励器,其安装位置对单转子轴流压气机扩稳效果具有重要的影响,当第二组激励器位于叶尖前缘时扩稳效果最好。通过分析可知,等离子体气动激励能够显著改善叶顶负荷分布,抑制动量比的增加,改善泄漏涡的位置与形态,抑制泄漏涡向前缘的摆动,减小叶顶阻塞区域,最终扩大了高速轴流压气机的稳定工作范围。     

某型航改燃气轮机空气系统设计及试验验证

介绍了某型航改燃气轮机空气系统的设计方法和准则,通过典型流动单元建立了1维空气系统设计网络,采取1元等熵不可压流方法完成了燃气轮机空气系统设计与计算分析;通过空气系统整机试验,获得了关键部位的压力温度分布,根据试验验证完成了该系统设计方案。     

基于温度信号的高速干铣削试验研究

本文应用红外测温系统对高速铣削过程中切削温度的动态变化进行在线监测.给出了铝合金高速铣削过程中不同磨损程度和不同材料的刀具加工时对应的切削温度以及切削温度随切削速度的变化规律,其结论有助于指导铝合金高速铣削加工、优化高速切削工艺.     

轴流透平级的最佳流型设计方法

把近代最优控制论方法引入轴流透平叶片的设计,在优化的轴流透平子午通道内,建立包括透平级内所有性能参量的最优流型命题的完整的物理模型及其数学表达式,并归化为一个在给定初始状态、自变量终端固定、部分状态变量终端受有约束的条件下,使级的某一性能指标(如级的功率)达到最优的最优控制问题,应用“代价函数法”及“共轭梯度法”编制计算程序,计算得到符合给定约束条件、并使目标函数取极值的最优环量分布,结果是令人满意的。      

基于模糊推理的最优参考轨迹的预测函数控制技术

为了获得简单而又精密的控制器,采用预测函数控制计算控制指令,并运用模糊推理对控制量进行补偿,设计出合理的预测轨迹控制系统,使飞机自动地跟踪已规划出的最优参考轨迹,并针对各种典型地形进行了数字仿真,大量的数字仿真表明该方案是可行的。