涡轮叶尖热主动间隙控制系统布局分析

涡轮叶尖间隙控制系统是现代军、民用大涵道比航空发动机普遍采用的提高发动机性能的重要系统之一。本文分析研究了现代大涵道比航空发动机典型的涡轮叶尖热主动间隙控制（ACC）系统的结构布局及冷却空气流向,根据各自特点将其总结归纳为双层机匣内置冲击隔板和机匣外部环绕冲击冷却管两种形式。其中,双层机匣内置冲击隔板布局结构简单,采用的引自高压气源的冷气在实现间隙控制功能后可以用于二次冷却其他部件,但从高压压气机中间级引气的性能代价比较高,因此实际应用较少。机匣外部环绕冲击冷却管布局结构件较多,但可以实现冷却管与机匣外壁凸肋的紧密配合,从而实现最优的冲击靶向位置及冲击距,增强机匣热响应效率,而且采用引自风扇后低压气源的冷气的性能代价低。从发动机实际应用来看,机匣外部环绕冲击冷却管布局在现代大涵道比发动机上应用较多,成为涡轮热主动间隙控制系统结构布局的发展趋势。     

涡轮叶尖径向间隙主动控制研究

以涡轮为研究对象,综合影响涡轮径向间隙变化的各种因素,对于叶片—轮盘,主要考虑温度和转速对其径向位移的影响,对于机匣,主要考虑温度对其径向位移的影响。利用ANSYS有限元软件,输入随时间变化的边界条件,计算出涡轮在整个时间历程的径向间隙变化情况。对于涡轮在巡航状态下,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。     

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     

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。     

航空发动机涡轮叶尖间隙损失的统计设计

应用数值计算方法对发动机涡轮叶尖间隙引起的涡轮效率损失进行了分析，结合计算机辅助公差设计，提出了基于涡轮叶尖间隙损失的间隙尺寸和公差优化设计方法。以制造成本和涡轮效率损失最小为优化目标函数，采用Monte Carlo随机模拟法和基因遗传算法，分析计算了涡轮间隙尺寸公差和装配组成环的尺寸公差分配。     

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。     

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。     

航空发动机叶尖间隙测量研究

阐述了在航空发动机设计领域应用间隙测量技术的必要性及迫切性。着重介绍航空发动机几种叶尖间隙测量技术,对叶尖间隙测试技术的测量原理及应用范围进行了论述。     

航空发动机涡轮径向间隙设计方法研究

利用PATRAN-NASTRAN有限元分析平台,以某型在研发动机为例,针对影响径向间隙的主要因素分别建立了发动机整体模型和局部实体模型,对涡轮叶尖径向间隙进行了数值分析,进而提出了径向间隙的设计方法。     

涡轮叶栅叶尖间隙流实验研究(英文)

This article describes the effects of some factors on the tip clearance flow in axial linear turbine cascades. The measurements of the total pressure loss coefficient are made at the cascade outlets by using a five-hole probe at exit Mach numbers of 0.10, 0.14 and 0.19. At each exit Mach number, experiments are performed at the tip clearance heights of 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5% and 3.0% of the blade height. The effects of the non-uniform tip clearance height of each blade in the pitchwise direction are also studied. The results show that at a given tip clearance height, generally, total pressure loss rises with exit Mach numbers proportionally. At a fixed exit Mach number, the total pressure loss augments nearly proportionally as the tip clearance height increases. The increased tip clearance heights in the tip regions of two adjacent blades are to be blame for the larger clearance loss of the center blade. Compared to the effects of the tip clearance height, the effects of the exit Mach number and the pitchwise variation of the tip clearance height on the cascade total pressure loss are so less significant to be omitted.     

涡轮转子H形叶片叶尖间隙测量

叶尖间隙是燃气轮机中的一个重要性能参数和安全监测参数。现代燃气轮机中采用H形凹腔冷却涡轮叶片,该叶片具有单叶片双间隙的特点。利用电容式叶尖间隙测量系统,通过改进算法,实现了H形叶片的叶尖间隙测量,并成功应用于H形叶片涡轮级性能试验。试验录取了三种不同设计间隙下的实际叶尖间隙变化数据,分析了叶尖间隙与涡轮性能之间的关系,并对试验中的转子异常运动进行了成功监测。     

涡轮叶尖间隙计算实现方法与结果分析

叶尖间隙分析是研究叶尖问隙控制方法，改善发动机性能的重要内容。本文应用有限元ANSYS软件分析了某型发动机高压涡轮在温度场及离心力作用下叶尖间隙在发动机工作过程中的变化情况，介绍了涡轮各构件换热边界条件的计算方法，给出了对涡轮盘施加温度场的新方法。计算结果表明：除起动初期及停车前的很短时间外，离心力引起的涡轮盘径向位移为轮盘总位移的20％左右；离心力所引起的叶片径向位移约为叶片总位移的5．5％。     

涡轮叶尖泄漏流主动控制数值模拟研究(英文)

在涡轮设计中一直追求减小损失、提高效率,流动控制作为一种减小损失的一种有效手段,在涡轮叶尖泄漏流动方面引起广泛的关注,因此本文对在涡轮叶尖表面进行主动射流对叶尖泄漏流动的影响作了数值模拟。结合基于密度修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,详细分析不同叶尖间隙高度下射流孔位置和射流流量改变对间隙泄漏流场的影响,并相应地阐述射流主动控制的机理,分析了主动射流条件下叶尖间隙流动的拓扑结构,最后计算考虑射流影响的涡轮转子效率。结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.30;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,若不考虑周围流场的拓扑结构,则射流孔附近的流场满足奇点分布规律。     

大间隙涡轮叶栅流场结构的研究

对具有 3.6 %相对叶顶间隙涡轮叶栅的三维流场进行了实验和数值模拟 ,分析了大间隙涡轮叶栅流道内的涡系结构。结果表明在叶顶间隙内部和上半叶展出现了复杂的分离涡系 ,在上半叶展存在叶顶泄漏涡、上通道涡、吸力侧脱落涡、压力侧叶顶脱落涡和被泄漏流吹向下游的尾缘涡系的相互作用。     

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。     

某间冷燃气轮机台架试验控制系统总体设计方案研究

为了研究某间冷燃气轮机的性能,需要研制1套控制系统完成燃气轮机在台架上的试车验证,并视情对燃气轮机的控制规律及参数进行修改。介绍了某间冷燃气轮机台架试验控制系统总体设计方案,详细地阐述该系统的组成、功能实现方案及控制逻辑、对燃气轮机的安全保护及数据监控等方面。描述了此系统的"六性"设计准则、研制风险、关键技术等。研究结果表明:该间冷燃气轮机控制系统的特点结构简单、原理合理、功能完善、技术成熟、工作安全可靠,证明该系统总体设计方案可行。     

磁浮多电航空发动机的研究现状及关键技术

介绍了国际上磁浮多电发动机的研究现状、发展趋势及其核心关键技术如高温磁悬浮轴承、高温位移传感器、附件电传动技术、备用轴承和多电发动机的结构设计。介绍了美国的IHPTET计划中有关磁浮多电发动机的研制情况,IHPTET计划和美国的德雷伯实验室(DraperLaboratory)、Synchrony公司等多个单位进行了长期的合作,共同研制该发动机的核心关键技术"高温磁悬浮轴承",从目前掌握的资料分析,IHPTET计划中的磁浮多电发动机将采用Synchrony公司研制成功的"高温磁悬浮轴承"。1997年底,欧共体制定了类似的AMBIT研究计划,期望率先研制出以磁悬浮轴承支撑的航空发动机,参加该计划的有英国、德国、法国、奥地利和瑞士等5个国家。