一种低压无导叶对转涡轮特性分析与设计

为获得高载荷无低压级导叶对转涡轮气动设计规律,以一个流量5·25kg/s,膨胀比5·69,高低压涡轮转速均为2·5×104r/min的高效超跨声对转涡轮作设计实例,从基元级分析、通流设计和全三维数值模拟三个部分研究了对转涡轮在取消低压级导叶后出现的诸多新特征给气动设计带来的困难及相应采取措施。设计与分析结果表明,在相同气动设计参数条件下对转涡轮比传统涡轮效率高1·77%。对转涡轮设计关键问题是在合理选择主流参数后,解决高压涡轮动叶既作功又整流双重功能。     

主流攻角对双射流孔气膜冷却特性的影响

应用压力敏感漆技术,在平板上测量了不同主流攻角(i=-30°,-20°,-10°,0°,10°,20°,30°)下双射流孔的气膜冷却效率,并利用计算流体动力学(CFD)计算得到的流场对气膜冷却效率的规律进行了解析。所研究的双射流孔结构的孔间无量纲横向距离为0.5,孔间无量纲流向距离为3;射流与主流密度比为1.0,吹风比分别为0.5、1.0、1.5、2.0。结果表明小的主流攻角(i=-10°,0°,10°)下,流场中存在反肾型涡对或挤压作用,气膜层与壁面贴附良好,气膜冷却效率最高;大正值攻角(i=20°,30°)下,虽然气膜覆盖面积大,但反肾型涡对退化,气膜冷却效率下降;大负值攻角(i=-20°,-30°)下,流场中有肾型涡对,且气膜横向覆盖受限,气膜冷却效率最低。     

1+1/2对转涡轮内部三维流动数值模拟

完成了某型1+1/2对转涡轮的气动设计,对其特性及内部流动进行了三维数值模拟,比较详细地分析了设计点的流场.结果表明采用无导叶的对转涡轮气动参数满足涡轮设计要求.低压涡轮级由于去掉了导叶,没有与之相关的各种损失,因而获得了比高压涡轮级更高的气动效率.对流场的分析显示,高、低压级的流动状况良好,叶片表面没有明显的分离.各排叶片进口气流角与构造角都符合.高压导叶处于亚声流动状态下,高压动叶出口完全超声,尾缘存在较强的燕尾波,低压动叶设计点基本处在亚声条件下.     

低压涡轮导叶内环结构设计

为实现低压涡轮导叶内环初步方案快速设计、降低低压涡轮工作叶片冷气相对总温和提高冷却效率,以某型低压涡轮导叶内环为研究对象,提出了 1 种基于等熵过程的低压涡轮导叶内环设计方法和流程,并采用 3 维数值仿真方法对设计结果进行了分析和验证,得到了不同预旋喷嘴径向高度对转、静子腔内的流动影响规律。结果表明:提出的低压涡轮导叶内环设计方法和流程能够满足初步方案的设计要求;预旋喷嘴的径向高度对工作叶片和涡轮盘表面的相对总温影响较大,工程上需综合考虑。     

双模态冲压发动机高超进气道的实验研究

设计了侧压角为6°,后掠角45°,斜楔板压缩角分别为4°和8°的两套带隔离段的高超三维侧压式进气道,通过风洞实验研究了来流马赫数、出口反压、斜楔板压缩角以及隔离段等对进气道性能的影响.实验结果表明,在高来流马赫数及较小的斜楔板压缩角时,进气道的流量系数、总压恢复系数较高.总增压比在不同斜楔板压缩角时基本保持不变.     

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。     

变几何低压涡轮气动性能研究

为了探索变几何涡轮气动设计方案,导向器与动叶均采用厚前缘与后加载型叶片设计以及动叶进口负攻角设计。为了提高涡轮输出功,低压涡轮采用了大流道扩张角设计。应用数值方法对此设计涡轮进行了不同导向器开度以及有无导向器端壁径向间隙的涡轮气动性能与流场结构特性研究,并对大流道扩张角的导向器端壁径向间隙变化进行了理论分析。结果表明在设计点工况下,基本涡轮效率为0.903,相对折合流量为1.006,满足设计需求;大流道扩张角下,导向器端壁径向间隙对涡轮性能影响很大;在设计工况下,随着导向器开度的逐渐关小,涡轮主要气动参数反力度降低,通流流量下降,而效率变化相对较小,有利于调节发动机工作状态。在非设计工况下,涡轮效率随膨胀比变化亦相对较小。可见此设计变几何涡轮给发动机带来较大收益。     

预冷型组合循环发动机技术

预冷型组合循环发动机具有工作速域宽、比冲高和推重比大等优点,在未来空天领域有广阔的应用前景。本文首先回顾了LACE、SABRE和ATREX等主要预冷型组合循环发动机的工作原理、技术特点和研究情况,对各型发动机热力循环中面临的难点问题进行了分析。其次,针对发动机预冷器、压气机、涡轮和燃烧室等关键部件,建立了热力循环计算模型,研究了预冷和燃烧对冷却剂的流量需求问题、预冷器与压气机性能参数匹配问题和压气机与涡轮共同工作问题等。结果显示,1.0～2.0倍当量比的氢在马赫数0～4.5速域内能将空气冷却51～476 K,而相同流量的甲烷在马赫数0～4.0速域内仅能将空气冷却24～182 K;熵函数用于表征预冷器和压气机在热势差效应和功热转换过程中的能量损失总和,根据发动机性能需求,在熵函数图上可设计不同的当量比-压比（φ-π_c）协同工作线;涡轮总功率是影响预冷发动机压气机压比的主要原因,与传统涡轮相比,驱动涡轮的工质（冷却剂）流量小,要求涡轮单位功率高,给涡轮设计带来挑战。最后结合评估结果对预冷型组合循环发动机的未来发展提出了一些建议。     

用于微型涡轮机的节流孔式静压气浮轴承实验

对用于厘米级微型涡轮发动机的径向静压气浮轴承展开了实验研究,分析了长径比、节流孔径、气膜间隙及供气压力等对承载力、刚度和耗气量的影响.提出了这些设计参数的优选方法,并结合直径11 cm的某微型喷气发动机,给出了与之匹配的径向静压气浮轴承设计方案:工作面直径15 mm、长度17.5 mm、节流孔径0.35 mm、气膜间隙25μm.此方案在供气绝对压力2.5 kPa时,双轴承支撑能力为13.72 N,耗气量小于1.0 g/s,有效地满足了微型涡轮发动机要求.      

S弯扩压器内旋流的监测参数

 一、实验模型和设备 研究用的实验模型为一个带有进气导流段的矩形截面S弯扩压器（见图1）。进气导流段设有可更换部分,使导流段相对扩压器的角度在攻角方向由0°变为5°、10°、15°、30°、45°或60°,以改变扩压器进口截面的气流条件。导流段的进口采用了ρ=60sin2α的双纽线外形。模型设计及其详细的几何尺寸见文献[1]。     

一个几近等反力度涡轮级的计算及讨论

利用导叶反扭和前倾,算出叶高反力度只变化0.032,且峰值在叶根附近的涡轮,而间隙站压力仍在叶尖最高。对此作出分析及讨论。并提出进一步研究方向。     

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

带围带的涡轮叶栅间隙泄漏流动与气动性能实验

针对叶型转折角为108.1°的涡轮直叶栅,利用低速风洞,实验研究了带围带和无围带情况下叶栅出口截面的流场结构和叶栅气动性能.研究了不同围带上腔间隙、不同来流冲角情况下叶栅出口截面二次流结构、气流角分布及总压损失系数变化情况.结果表明:相对无围带叶栅,围带能够有效控制叶顶间隙泄漏,降低叶栅气动损失;随着围带与上端壁之间高度的增大,泄漏流体增多,导致泄漏流体与主流掺混的气动损失增大.对于所研究的叶栅,围带与端壁间的间隙高度不应大于1%叶展.冲角变化影响叶栅中的三维涡系结构及其强度,对叶片吸力面静压分布影响较为明显.适当的正冲角能够改善流动状况,进而提高大转折角叶栅的气动性能.      

桥式槽处理机匣的扩稳机理研究

利用数值模拟的手段对桥式槽处理机匣的失速机制和扩稳机理进行研究。通过与实壁机匣和全通槽处理机匣的对比分析结果表明:叶尖泄漏和叶片吸力面的分离均会引起叶尖通道堵塞,进而诱发失速。在实壁机匣情况下叶尖泄漏流堵塞叶尖通道是诱发失速的主要原因;全通槽和桥式槽处理机匣均能减弱叶尖泄漏流强度,但是全通槽处理机匣加剧了吸力面的分离,这造成了较大的效率损失;而桥式槽处理机匣能够通过改变抽吸区和喷气区的面积大小控制泄漏流和分离流引发的流道堵塞,从而在裕度提升和效率损失之间取得平衡。研究表明:喷气区面积越大,叶尖攻角越大,吸力面分离越强,压气机效率越低;抽吸区面积越大,泄漏流越弱,压气机的失速裕度越大。     

自适应流通机匣处理改善压气机性能的机理

为了探索自适应流通机匣处理形式影响跨声压气机性能及流场的流动机理,文中采用非定常数值模拟方法研究了自适应流通机匣处理对NASA轴流Rotor37气动性能的影响。数值计算结果表明:自适应流通机匣处理能有效地延迟失速并在大部分流量范围内略微提高压气机的效率。通过详细的流场分析表明,该机匣处理能有效地增大叶顶区的气流进气角度,抑制了间隙泄漏涡在叶顶通道内的发展,同时阻止泄漏涡涡核在通过激波后破碎,提高了转子顶部通道的流通能力,进而减少叶顶区的流动损失。     

涡轮叶冠间隙流场PIV测量

为了研究带有冷却气流的涡轮叶冠间隙流场流动特性,采用粒子图像测速仪(PIV)技术得到了叶冠间隙流场中各个典型截面的瞬时流场显示,并对叶冠间隙流场特性进行了研究.研究发现:由于叶冠腔内有两股叶尖冷却气流的注入,叶尖泄漏流流过叶冠间隙时会与两股冷却流相互掺混,从而使腔内气流的流动状态变得非常复杂,因此在叶冠突肩之后以及叶冠腔内流体汇合处会有大小方向各异的涡流产生.同时,两股冷却气流均对泄漏流有一定的阻挡作用,前孔冷却流的阻挡作用更为明显.随前孔与后孔岀流比增加,前孔流及后孔流对泄露流的阻挡作用增强.      

透平叶顶泄漏能量损失的数值计算

商用N S求解器已经被用于透平动叶顶部空隙的非定常流场的模拟和研究。本文介绍了一种新的用于透平动叶片顶部空隙区域流场计算的能量损失方法 ,可以方便地用于各种流场。发现高黏度效应区域位于上端壁附近而不是在叶片顶部。研究表明对于不同的动叶片其顶部泄流的能量时均损失是不一样的。该结果提供了一个有用的线索 ,可以通过叶片设计者设计出不同几何和空气动力学参数的非统一的动叶片 ,从而减小能量损失     

涡轮叶冠换热特性实验与数值模拟

利用数值模拟及实验方法对涡轮叶冠间隙流场换热特性进行了研究,分析静止状态下叶尖泄漏流雷诺数、前后孔岀流比、叶尖间隙等参数对叶冠的表面传热系数的影响.结果表明:叶冠转速的变化对表面传热系数影响较小;随着泄漏流雷诺数的增加,叶冠的平均表面传热系数增大;平均表面传热系数随前、后孔岀流比增大而增大,其中前孔出流比的影响较为明显;叶尖间隙减小,平均表面传热系数增大,并且随叶尖间隙的减小,增长越来越快.将计算与实验结果进行了比较,吻合良好,误差小于10%.      

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...     

Numerical analysis for impacts of nozzle end-clearances on aerodynamic performance and forced response in a VNT turbine

It has been well known that nozzle end-clearances in a Variable Nozzle Turbine (VNT) are unfavorable for aerodynamic performance, especially at small openings, and efforts to further decrease size of the clearances are very hard due to thermal expansion. In this paper, both the different sizes of nozzle end-clearances and the various ratios of their distribution at the hub and shroud sides were modelled and investigated by performing 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element Analysis (FEA) simulations with a code of transferring the aerodynamic pressure from the CFD results to the FEA calculations. It was found that increasing the size of the nozzle end-clearances divided equally at the hub and shroud sides deteriorates turbine efficiency and turbine wheel reliability, yet increases turbine flow capacity. And, when the total nozzle end-clearances remain the same, varying nozzle end-clearances’ distribution at the hub and shroud sides not only shifts operation point of a VNT turbine, but also affects the turbine wheel vibration stress. Compared with nozzle hub clearance, the shroud clearance is more sensitive to both aerodynamic performance and reliability of a VNT turbine. Consequently, a possibility is put forward to improve VNT turbine efficiency meanwhile decrease vibration stress by optimizing nozzle end-clearances’ distribution.