航空发动机涡轮叶栅进口热斑试验技术

正航空发动机燃烧室出口流场存在着明显的温度不均匀,其局部的最高温度可达到最低温度的两倍左右,这种局部的高温气流被称为热斑(Hot Streak)。热斑进入涡轮叶栅后,冷热气流具有不同的迁移路径,会导致叶片表面出现局部高温区,增加叶身热应力,严重时还会出现叶片局部烧蚀。因此,深入研究涡轮叶栅进口热斑迁移特性及其主要影响因素,将有助于制定更为合理的涡轮叶片冷却方案,从而提高涡轮的     

热斑压力比对气冷涡轮叶栅表面热负荷的影响

为深化对涡轮进口热斑效应的认识,采用试验和数值方法研究了热斑压力比对涡轮叶栅表面热负荷的影响.试验采用引气管形成热斑,叶片材料为环氧树脂,叶型为C3X.采用数值方法计算了不同热斑压力比(0.980～1.020)和冷气流量比(1％～5％)条件下叶片表面的热负荷.研究表明,计算值与试验值吻合良好.热斑压力比小于1.000时...     

进口热斑对涡轮级影响的非定常数值模拟

通过求解二维N-S方程对涡轮级进口有温度畸变时的流场和温度场进行了非定常数值模拟。由于叶排间的相互运动,使叶片表面压力和叶栅通道内的流场呈周期性地变化;当涡轮进口有热斑时,热斑中的气流总温要高于周围气流温度,在通过涡轮级时,热斑中的高温气流会向转子压力面上迁移,导致转子压力面上产生热点。热斑的存在对涡轮级中的压力分布影响很小,但是严重影响温度场的分布。同时进口热斑相对导叶的位置对叶片表面温度的分布也有很大影响。      

有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

为揭示叶片或机匣旋转条件和叶顶冷却对涡轮动叶气热性能的影响机理,选用LISA 1.5级涡轮动叶片,构建叶顶冷却孔,开展了不同冷气流量下的数值模拟研究。计算结果表明:不同旋转条件下,当冷气与主流的流量比为0.3%时,叶栅能量损失最低,当流量比为1.0%时,间隙泄漏流量最低、叶顶传热性能最好。叶片旋转、机匣旋转和平移运动都能降低泄漏损失和泄漏流量,叶片旋转时,叶栅出口下游上半叶高截面的能量损失最大降低约26.10%。旋转效应对泄漏损失的影响不随流量比变化而改变,但对叶栅总损失和叶顶传热品质的影响随流量比增加会不同。当流量比小于0.3%时,叶片旋转情况下叶栅总损失低于静止工况但高于机匣运动工况,且叶顶传热品质最优;当流量比大于0.7%时,叶片旋转使叶栅总损失最高,机匣运动使叶顶传热品质最优。     

有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

射流预冷技术可以有效降低进气温度并提高航空发动机的性能。为探究该技术在高空环境下对流场问题的影响,采用径向均匀射流方案,模拟高空条件,结合水滴的蒸发过程以及气液两相的耦合作用对预冷段射流喷水的情形进行数值计算。结果表明,径向喷射方案能够有效降低进气温度,在各个工况中,温降系数约为8%~26.7%;在高温工况中提高喷水量可以有效提高温降效果,工况6的喷水量和工作温度都是最大的,温降系数和蒸发效率分别达到了最高值的26.7%和73.9%;预冷段的压降损失和出口流场均匀度取决于来流马赫数和喷水量,高马赫数和较大的喷水量都会加剧压损与流场的紊乱程度,由于工况6的高射流量和气流马赫数,其在喷水装置处的压降系数达到了最大值的5.8%。     

高压涡轮导向器扇形叶栅试验研究

本文介绍了国内首次在平面叶栅风洞上进行的涡轮导向器扇形叶栅的试验方法和试验结果。扇形段由五个真实的高压涡轮导向叶片组成。试验中通过调整扇形段出13凸块的高度,可以获得满足要求的径向压力梯度。试验结果表明：该涡轮导向器扇形段叶栅在M2h≤1．05时,叶中截面处在带冷气和不带冷气时出口气流参数周向分布较均匀,周期性较好：在设计状态下．带冷气和不带冷气时靠近叶中的几个截面的出口气流参数沿径向的分布变化很小。     

涡轮叶栅非定常实验的测量方法研究

阐述了实验测试技术的发展历程和现代测量技术发展的最新成果,比较了各种实验测量仪器的具体参数.而后分别利用激光粒子图像测速仪和热线风速仪测量了涡轮叶栅沿叶高平面和出口速度场的整场信息,分析了圆柱尾迹对下游叶栅流动性能的影响,以及不同相对叶高下叶顶和叶根的二次涡会合、脱离情况.研究发现,在较小的相对叶高下叶栅出口二次涡汇合,强度较大;而在较大的相对叶高下二次涡分离.同时,上游圆柱相对位置变化得到的最高效率对应着圆柱尾迹被输运到下游静叶的前缘附近,最低效率对应着圆柱尾迹被输运到下游静叶的流道中央.实验结果可为叶栅气动性能研究提供有益的参考.     

涡轮叶栅叶冠泄漏流动数值研究

以小展弦比涡轮叶栅为研究对象,利用三维数值计算的方法研究了篦齿数、篦齿排列型式、上下游压力以及径向间隙对叶冠泄漏流量的影响,并分析了泄漏流动与主流的相互作用.研究表明,叶片排上下游压比和径向间隙是影响叶冠泄漏流动的主要因素,篦齿数和篦齿排列型式对泄漏流量的大小和出口气流角均有重要影响.考虑了主流的影响之后,叶冠出口流动呈现出高度的三维性和周向不均匀性.在周向压力梯度的作用下,径向速度以正负交替的形式出现,而且周向速度和轴向速度则出现了明显的分层结构.     

尾迹对涡轮叶栅边界层转捩的影响

为研究周期性尾迹对下游涡轮叶栅边界层转捩的影响机理,并验证γ-Reθ转捩模型在非定常计算中的适用性,在自行开发的CFD程序上实现了该模型,对带有尾迹发生器的T106D-EIZ涡轮叶栅进行数值模拟;对比分析了实验数据与数值模拟的结果,并对流动机理进行阐述。主要结论如下:γ-Reθ转捩模型对周期性尾迹影响下的边界层转捩预测得较为准确,转捩位置随时间的变化规律及幅值均与实验值符合得很好;尾迹的时均作用是使吸力面转捩位置向尾缘移动,相比于无尾迹情况其移动距离约为5%轴向弦长;尾迹使吸力面阻力系数时均值较无尾迹情况增加约40%,同时减弱了分离泡的强度,但对分离泡的位置影响不大。     

考虑几何设计参数不确定性影响的涡轮叶栅稳健性气动设计优化

外形偏差是典型的叶片气动不确定性影响因素,考虑几何设计参数不确定性影响的叶片稳健性气动设计优化（RADO）有助于提高叶片平均气动性能及气动稳健性。首先,介绍RADO的基本原理及实现方法,采用基于灵敏度分析的叶片气动不确定性量化方法计算叶片目标气动函数的统计值,并实现目标函数对设计参数的梯度计算。然后,开展考虑设计参数不确定性影响的HS1A跨声速涡轮叶栅RADO研究,降低总压损失系数的统计均值及方差;通过与确定性气动设计优化（DADO）对比,揭示RADO在改善优化叶片气动稳健性方面的有效性和优越性。最后,对叶片进行流场统计分析,进一步揭示气动外形优化设计对降低总压损失系数敏感度的影响机理。     

分级燃烧循环液体火箭发动机涡轮叶栅设计

本文利用涡轮设计软件,设计了用于分级循环燃烧火箭发动机的涡轮叶栅。为控制二次流损失,动静叶均采用先进的后加载叶型,静子叶栅采用正弯设计。流场计算结果表明,弯曲静叶整级效率提高0．92％,静叶内部漩涡强度减小,二次流减弱。经涡轮吹风试验验证,其级性能完全满足要求。这也表明后加载叶型及叶片正弯的方法适用于该类型涡轮。     

中德跨音速涡轮叶栅试验对比

叙述了中德合作课题“高负荷跨音速涡轮叶栅试验研究”的试验结果，通过同一VKI-1叶型在SB301和德国DLR哥廷根叶栅风洞的对比试验表明，两风洞所测得的主要性能参数基本接近。     

跨音涡轮叶栅计算机辅助设计

 本文介绍了一种跨音涡轮叶片造型、气动设计的计算机辅助设计方法,它是“涡轮叶片一体化CAD系统”的核心环节之一。对应用该方法设计的大负荷斜切口叶背反凹叶型作了叶栅吹风试验,获得了很好的超音叶栅性能,但亚音工况叶栅性能略受影响。     

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.      

涡轮叶栅外换热系数计算

采用求解三维雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程和带转捩模型的二方程Shear stress transport(SST)湍流模型,完成了MARKⅡ,VKI两个高压涡轮导叶叶栅及一个VKI高压涡轮动叶叶栅的外换热系数计算.计算结果与试验数据的对比表明,发展的带转捩模型的数值方法明显地提高了外换热系数的计算精度.      

超高负荷涡轮弯曲叶栅的实验研究

对具有160°折转角的超高负荷涡轮叶栅开展了实验研究,通过实验测量和流动显示,并借助流谱拓扑分析手段,考察了叶片弯曲对超高负荷涡轮叶栅气动性能的影响.结果表明:弯叶片对超高负荷涡轮叶栅的作用效果与传统低负荷涡轮具有明显差别,叶片正弯时,流场进一步恶化,损失明显增加;而叶片反弯时,流场得到改善,损失降低.      

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。     

环形涡轮动叶栅旋转效应数值研究

为揭示动叶旋转与机匣相对转动对涡轮叶栅流场结构和气动性能的影响,针对平顶和翼型冠叶顶的LISA1.5级涡轮动叶片,开展了三维数值模拟研究。结果表明:平顶叶栅中,机匣相对转动能降低泄漏损失,但通道涡强度增大,旋转离心力和科氏力亦对旋涡位置和尺度产生影响;叶顶结构不同会影响各转动条件下的损失变化规律,相对于动叶旋转工况,机匣相对转动可使平顶叶栅出口损失降低3.62%,但使翼型冠叶栅损失提高12.11%;在间隙泄漏流流量方面,不论是平顶叶栅还是翼型冠叶栅,机匣相对转动时叶顶泄漏流量最低,动叶旋转工况次之,静止工况最大。实验中用机匣相对运动代替动叶旋转在研究泄漏流特征时具有一定的合理性,而对于研究旋转效应对通道涡的影响方面则会产生误差。     

热膜测试技术在涡轮叶栅边界层测量中的应用

为了更加精确地测量附面层流动状态,并验证表面热膜测试技术的可靠性,利用表面热膜测量了低雷诺数定常来流条件下高负荷涡轮叶栅通道内叶片吸力面附面层的流动状态,并与表面静压实验测得结果进行对比。结果表明,利用表面热膜测得的准壁面剪切力以及相关的统计参数能够准确捕捉到附面层分离泡和转捩的位置,对于高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量是可靠有效的。     

超声速涡轮叶栅超声速气膜冷却数值研究

为了研究超声速涡轮叶栅通道内的超声速气膜冷却,采用数值计算的方法,对主流压比2.33~4、冷气入射角度15°~45°条件下的涡轮叶栅超声速气膜流动和传热进行了研究。计算结果表明:超声速气膜射流与主流作用后产生的斜激波与尾缘激波交汇,形成两道反射激波,其中一道反射激波作用在气膜孔下游的叶片表面又形成了反射;在不同的主流压力下,超声速气膜射流在叶片法向和展向上展现出不同的发展特征,对转涡对(CVP)在展向上相互挤压,扼制了高温主流卷入叶片壁面;主流压比增加到4,气膜射流区在法向拉长,在展向相对较弱,导致主流在对转涡对(CVP)的作用下被卷入气膜射流的底层,壁面冷却效率降低;气膜入射角从15°增大到45°,冷却效率整体上呈先上升后下降趋势,在入射角30°时冷却效率相对最大,这与射流的穿透能力、冷却气流再覆壁面特征有关。