壁面导热对微型向心涡轮性能及流动影响

为了探讨传热对于微型向心涡轮的性能和流动的影响规律,根据微型向心涡轮的特点,针对涡轮的轮毂侧壁面传热现象,建立了涡轮的气动性能随传热量变化的一维模型,并利用数值模拟对模型进行了验证,分析了不同传热量下微型向心涡轮的流动变化。结果表明所发展的模型有较好的精确度,可以用以评估传热对微型向心涡轮性能的影响;较大的传热会改变转子进口相对气流角并影响转子整个通道内的流动;涡轮对外传热使得涡轮输出功降低,涡轮效率明显降低。      

基于某微型发动机对比分析轴流涡轮与向心涡轮的气动性能与减重

为了确定厘米级微型涡轮发动机在相对较大功率、流量需求时的涡轮形式,以实现发动机更高的性能,本文基于某直径12厘米微发样机开展研究。本文估算了该样机整机环境下单级轴流涡轮的做功能力,并按参数优选规律设计了一台微型轴流涡轮,将之与该样机所采用的微型向心涡轮进行对比,基于CFD和CAD工具分析了两种叶轮在功率、效率及尺寸重量方面的差别。研究表明：在先进微小型发动机总压比提高（4～6,本文设计采用4.2）的情况下,涡轮为了在保持效率的同时满足压气机更高的功率需求,轴流式必须采用双级方案,向心式单级就可满足要求;在压气机压比4～6条件下,进一步对比双级轴流与单级向心方案的结果显示,当流量小于500g/s时,向心式具有尺寸重量优势,发动机能实现较高的推重比。针对厘米级微型发动机,在发动机增压比较高且没有超出单级向心涡轮做功能力的范围时,向心涡轮方案是更好的选择。     

向心涡轮导向器设计改进及应用

为了提高微型涡喷发动机综合性能,对其单级向心涡轮导向器进行改进设计。改进设计中,采用发动机性能试验摸底导向器物理喉部面积,全三维气动手段优化叶片型线方法,提高涡轮级气动性能。数值计算得出:在近设计点处,涡轮级流量增加约12.5%,效率提升约2.5%。发动机性能试验表明:在设计转速下,推力增幅达21.7%,燃油耗油率降低12%。改进设计的涡轮导向器性能满足发动机总体要求。     

基于并行遗传算法的向心涡轮气动优化设计

为了提高向心涡轮轮周效率,保持流量、膨胀比不变,以流道、安装角、型面为设计变量,基于并行遗传算法的优化方法,对某微型发动机向心涡轮叶片气动性能进行多变量耦合的自动优化设计,利用商用软件NUMECA进行3维流场计算分析,并比较了优化前后向心涡轮转子的总体性能。结果表明:在设计工况下,向心涡轮的轮周效率提高近3%,流量也略有增加,膨胀比近似不变;在非设计工况下,优化叶片效率均高于初始叶片的,向心涡轮的整体性能得到提高。该算法不仅可自动实现多变量耦合优化,而且可高效地得到高气动性能叶片。     

大膨胀比向心涡轮多学科优化设计及敏感性分析

向心涡轮内部流动复杂,功率密度大且结构限制严,因此,向心涡轮的设计必须考虑到气动、强度、结构等多学科间的耦合问题。采用多学科优化策略是提升向心涡轮气动效率和安全可靠性的一种可行途径。基于向心涡轮结构特点,发展了通用的向心涡轮三维参数化造型方法。耦合多目标优化算法和向心涡轮三维参数化方法,建立了向心涡轮多目标多学科优化设计体系。以频率为约束,以提高总静效率、降低叶根最大应力为优化目标,开展了向心涡轮的多学科优化设计。优化后,在避开所有危险共振频率的前提下,就单一性能指标而言,涡轮级的总静效率最高可提高1.35%,叶根最大当量应力最高可降低12.54%。进一步,对设计空间开展了敏感性分析,揭示了对性能指标影响显著的设计变量,阐明了关键设计变量对性能指标的影响机制。     

某微型发动机轴流涡轮与向心涡轮的气动性能及尺寸对比分析

为确定厘米级微型涡轮发动机在相对较大功率、流量需求时的涡轮形式,基于某直径为12 cm的微型发动机样机开展研究.估算了该样机整机环境下单级轴流涡轮的做功能力,并按参数优选规律设计了一台微型轴流涡轮,将之与该样机采用的微型向心涡轮对比,分析了两种叶轮在功率、效率及尺寸质量方面的差别.研究表明:在先进微型发动机压比提高(＞...     

1+1对转涡轮气动设计技术研究

分析了对转涡轮方案的影响因素,推导了带导叶对转涡轮基元级速度三角形参数与涡轮效率和出功比的关系,进行了速度三角形的分析,得到了带导叶对转涡轮速度三角形的设计规律。为验证此规律,选取了基元级基本参数,在此基础上,进行了考虑冷却的1+1对转涡轮气动方案的设计;并利用三维数值模拟手段对所设计的气动方案进行了验证。结果表明,所完成的涡轮气动方案能够满足设计要求,且选取的速度三角形基本参数与数值模拟结果较为接近。     

叶顶压力侧小翼对跨声速涡轮级气动性能影响的数值研究

为了研究涡轮叶顶间隙泄漏流动有效控制的方式,本文将肋条小翼结构这种被动流动控制技术应用于涡轮级动叶叶顶中,以控制跨声速涡轮级叶顶间隙泄漏流动并改善其气动性能.通过数值模拟方法,分析了采用平顶方案、肋条方案和小翼肋条方案的涡轮级气动性能和叶顶间隙流动特性,研究了变间隙条件下小翼肋条方案对间隙泄漏流的控制效果,深入探讨小翼...     

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。     

带涡轮燃烧室的涡扇发动机设计点性能分析

本文采用气动热力循环参数分析方法,对一分开排气、涡轮级间带燃烧室的涡扇发动机进行了设计状态下的气动热力计算,分析了发动机不同部件对总体性能的影响。其结果可为新一代涡扇发动机的设计提供参考。     

涡轮多学科优化中的气动设计技术探讨

通过对涡轮多学科优化的分析,讨论了多学科优化中的气动设计技术.提出了基于叶栅特征参数和贝塞尔函数的二维叶栅参数化造型方法,并结合积叠轴的掠、弯形成三维复杂几何叶片成型技术.通过对气动优化过程中的数学模型分析,给出了一般要求的约束条件,并根据不同阶段的气动设计和约束条件提出了分阶段嵌套优化方法.针对三维气动计算,对商用软件CFX进行了二次开发,实现了三维计算的自动分网、建模、求解和后处理.最后,结合具体算例完成的优化设计结果表明,其涡轮效率提高了约2.3%,工作叶片数减少13.21%,叶片叶身总质量下降8.96%.      

Aerodynamic design of three-stage vaneless counter-rotating turbine

An aerodynamic design criterion was discussed for the 1+3/2 counter-rotating turbine by analyzing the velocity triangles. There are 8 key aerodynamic parameters in the criterion, based on the consideration of aerodynamic efficiency and some strength requirements. Then, an aerodynamic design for the 1+3/2 counter-rotating turbine was made according to the criterion, and a three-dimensional simulation was conducted for it. Finally, the conclusions were obtained. The criterion containing 8 key aerodynamic parameters is verified rationally and the efficiency of the turbine reaches 91%. The aerodynamic characteristics of 1+3/2 counter-rotating turbine are mainly decided by the load coefficient, and due to an optimal power distribution coefficient of the low pressure turbine, the efficiency of the low pressure turbine can be best.     

典型涡扇发动机陶瓷基复合材料涡轮叶片概念设计

为了推动先进航空发动机陶瓷基复合材料（CMCs）涡轮叶片设计技术进步,以典型涡扇发动机基准性能参数为原始数据,按照涡轮叶片正向设计流程,从气动设计,到结构设计,再到变形及强度分析,梳理出以材料强度为约束,发动机推力和耗油率为输入值,涡轮叶片叶身模型为结果的概念设计方法。设计了一种陶瓷基复合材料低压涡轮转子叶片,该叶片实心无冷却,设计工况下的气动性能、强度和振动特性仿真结果满足设计要求。安全储备系数可达1.8,涡轮盘外载预估减少50%,验证了陶瓷基复合材料用于先进航空发动机热端部件的可行性。涡轮效率提高0.98%～1.17%表明陶瓷基复合材料具有提升先进航空发动机热端部件性能的潜力。     

重型燃气轮机透平气动性能研究

为提高某重型燃气轮机单轴多级透平气动性能,利吲航空发动机设计及校核程序,对某重型燃气轮机透平的设计进行了反演算,利用1维平均半径流场的计算方法进行了计算分析,得出了气动参数的展向分布,并进行了透平冷、热态流道的计算对比,分析了大尺寸透平尺寸换算的变化规律,通过采用变比热、多损失模拟的准3维正问题计算方法,对结果进行了校核计算。结果表明：采用现有的航宅发动机设计平台进行重型燃机单转子多级透平反问题设计和正问题校核计算误差较小,其技术可靠,为进一步利用该体系完成透平性能改进打下了基础。     

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。     

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。     

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...     

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.      

微燃机双面复合叶轮压缩特性

为追求高性能参数、高新技术装备的核心机,基于结构融合、过程融合思想,对传统微燃机核心机进行融合创新。基于3D打印设计制造技术基础,创新设计了一种双面常规叶轮与空心涡轮叶片径向连接为一体的双面复合叶轮结构,有望成为未来极具潜力的高效叶轮。具体对基于双面复合叶轮的微燃机工作原理,结构方案及预期性能进行初步分析,重点对双面复合叶轮的压缩特性与后进气管换热特性进行了数值模拟研究。结果表明:该叶轮相比常规叶轮,压缩特性符合预期,较为理想,在压比、流量、效率方面均有显著提高;后进气管回收4.4 K尾气温度可提高热效率,为高气动性能、高循环参数的燃气轮机发展奠定了基础。     

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。