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。     

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。     

1+3/2无导叶对转涡轮设计特点分析

无导叶对转涡轮的结构形式是减轻发动机质量、提高发动机推重比的有效技术途径之一。以现有1＋2对转涡轮为平台,在保持总体性能参数不变的前提下,进行了1＋3／2无导叶对转涡轮初步设计,并对无导叶对转涡轮的设计特点进行了分析。研究结果表明,1＋3／2无导叶对转涡轮设计中必须以合适的高压涡轮为基础;其低压涡轮特性与常规涡轮的基本一致,第1级低压涡轮转子叶片在各工作状态下效率水平均较高。     

高压涡轮变几何对高低压涡轮流场匹配及气动性能的影响

为了研究高压涡轮变几何对涡轮整体性能的影响,对涡轮高压级进行球面端壁变几何改型,并对该涡轮的高、低压级流动进行了全三维数值模拟研究。结果显示:高压可调导叶旋转通过改变低压涡轮进口总温、质量流量来实现对低压涡轮比焓降和功率的调节,低压涡轮功率随可调导叶旋转将出现大范围的变化,低压涡轮效率随可调导叶的关闭会有所下降;高压导叶可调会改变低压涡轮进气角,进而影响低压导叶的流场结构和损失;随着轴向位置远离可调导叶,下游叶排内流场受可调导叶旋转的影响将减小。     

1+1对转涡轮变工况性能分析与优化设计

为阐明1+1对转涡轮变工况性能损失的主要来源并提出改进方法,以1+1对转涡轮为例进行了部分载荷工况下的流场模拟、分析和优化。与相同设计参数的同转涡轮进行部分载荷工况流场对比,发现部分转速下同转涡轮在级间导叶吸力面前缘出现分离,而1+1对转涡轮在压力面前缘出现分离。针对此流动损失,为1+1对转涡轮级间导叶提出了一种基于分离角的压力面优化设计方法,提高了近前缘压力面的气流速度,增强了其对负攻角的适应性,基本消除了叶片14%、58%和92%叶高处压力面前缘的流动分离,在正攻角工况下亦保持了良好气动性能。数值验证了该涡轮的效率在全工况范围内明显提高,而设计点效率未受负面影响。其中,在对转涡轮70%和50%设计转速的两个工况点上,低压涡轮效率较优化前分别提升了1.5%和2.0%,涡轮总效率较优化前分别提升了0.5%和0.7%。     

时序效应对涡轮尾迹传递过程影响数值研究

为了研究时序效应对尾迹传递过程的影响,利用基于密度修正的求解雷诺平均N-S方程的商用CFD软件对某一1.5级轴流低压涡轮级进行了详细数值模拟。通过调整第二级导叶的周向位置来产生时序效应,结合涡轮级中湍动能分布、叶片表面剪切应力分布等来详细分析时序效应对涡轮流场的影响。结果表明：同名叶栅数量比例是影响时序效应的一个重要因素,文中时序效应对涡轮效率影响很小,涡轮最大和最小气动效率之间相差0.1%。时序效应对涡轮性能的影响主要体现在尾迹与主流之间的掺混损失和尾迹诱导的边界层转涙损失两方面。当一条进口导叶尾迹在靠近出口导叶吸力面流过通道而与其相邻的另一条尾迹通过出口导叶压力面附近时,涡轮效率最大;当一条进口导叶尾迹撞击在出口导叶前缘而另一条尾迹从出口导叶通道中部通过时涡轮效率最小。     

PW1100发动机涡轮中介机匣后外侧活塞环磨损分析

PW1100发动机全球机队已发生数起低压涡轮3级叶片断裂事件,其中约28%发生空中停车。最主要的原因是涡轮中介机匣后外侧活塞环搭接部分在振动、气压环境下磨损、断裂,脱落后打伤低压涡轮3级叶片。本文分析了活塞环磨损、断裂、脱落后打伤低压涡轮3级叶片的整个过程,提出在翼监控方法,以供业内参考。     

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.     

基于基准控制的低压涡轮转静子装测一体化方法

为进行大涵道比航空发动机低压涡轮转子同心度的精确测量与控制,根据其多级耦合的结构特点和0.05 mm转子同心 度的控制需求,开展了基于基准控制的低压涡轮转静子高精度装测一体化方法研究。通过基准调节方法实现测量基准与回转轴 线重合,消除了定位误差;通过基准保持方法避免了装配操作对基准的影响,保证了测量基准姿态的一致性;结合质心对转子不平 衡量的影响,搭建了专用测试系统,实现对低压涡轮转子同心度的装配结果管控。将该方法应用于发动机低压涡轮转静子装配, 结果表明：实现了0.0125 mm转子跳动的精确测量,有效避免了低压涡轮转子初始不平衡量超差,减少了重复装分工作,提高了装 配质量和效率,对多级部件同心度的高精度测量具有工程指导意义。     

锯齿冠低压涡轮工作叶片叶冠防错位设计方法

针对锯齿冠低压涡轮工作叶片在使用过程中发生的叶冠错位故障,在综合分析各次叶冠错位故障发生原因的基础上,总结了锯齿冠低压涡轮工作叶片叶冠错位模式,绘制了模式图,并针对各种叶冠错位模式提出了1套完整的锯齿冠低压涡轮工作叶片预防叶冠错位的设计方法。在2型发动机上进行应用的结果表明,本方法是切实可行的。     

无导叶对转涡轮新技术气动设计探讨

由于当供新的歼击机发展的需要,推重比10以上的涡扇发动机的研制势在必行,而对于涡轮部件,采用超跨声、大负荷、低稠度、无导叶、大转折角的对转涡轮方案是一个重大的技术措施。它将大幅度减轻发动机重量,提高推重比。分析了对转涡轮的优点,引出涡轮气动设计,计算方面的新问题和新概念。设计制造出了试验件,建立了对转涡轮试验台。     

基于红外技术的发动机低压涡轮叶片温度场测量

为了解某型发动机整机运行状态下低压涡轮工作叶片的温度分布情况,使用红外测试系统测量了该发动机整机状态低压涡轮工作叶片前缘及盆侧的温度场。试验前对该发动机进行了测试改装,设计了用于实现叶片定位的转速信号分析仪,以及用于提供高压气源的气体增压系统。试验共测得多个状态下发动机涡轮叶片的表面温度分布数据。结果表明:涡轮叶片前缘和叶盆中间位置的温度较高;相同位置下每片叶片的温度有轻微差异;叶片的最高温度位置位于测试区域的下方,与仿真计算结果相吻合。采用红外测温技术可以得到清晰的涡轮叶片表面温度分布云图,结合示温漆标记技术,可用于定位温度最高的叶片和叶片温度最高的位置。     

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。     

无导叶对转涡轮气动设计技术

采用先进的无导叶对转涡轮气动布局是提升航空发动机性能最为有效的措施之一。结合无导叶对转涡轮高压涡轮动叶进出口轴向速度变化较大等特点,采用理论分析等研究了对转涡轮基元速度三角形参数的优化选取方法,并给出了高压涡轮导叶、动叶出口气流角等变化对效率影响的详细变化关系。流量系数小、高压动叶出口气流角大以及高压动叶进出口轴向速度比大是设计满足出功比高效率对转涡轮的关键。而采用Bezier曲线造型的收敛-扩散叶型叶背曲率的控制、尾缘半径的选择、叶型出口面积与几何喉道面积之比等则是设计适合出口马赫数1.5～1.6高性能叶型的关键。     

一种对转涡轮性能基本分析

借鉴Stewart关于对转涡轮的效率分析方法,从速度三角形基本分析入手,以速功比为主要变量,通过与一级高压一级无导叶低压涡轮对转涡轮的比较,考察一级高压两级低压第一级无导叶对转涡轮性能特点。研究表明:各转速比下,后者对转涡轮高效率对应的总速功比范围都比前者对转涡轮窄,但其高效区发生在更小的总速功比区域;随转速比绝对值增加,两种涡轮高效率区都增加,且其位置均偏向更大的总速功比区域;相比于前者对转涡轮,后者对转涡轮具有较低出功比,且偏向于低速功比区域;随转速比绝对值增加,两种对转涡轮出功比范围均拓展。     

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

大涵道比发动机多级低压涡轮试验技术研究

涡轮试验是检验涡轮性能是否达标的重要过程。基于某全尺寸涡轮试验器、现有涡轮试验方法和试验规范,通过对试验器进行适当设备改造,结合试验涡轮的进出口压力、温度、流量和功率等参数的耦合关系,形成针对大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮性能试验状态评估、过程控制和数据分析方法,并通过国内某型大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮试验进行验证。试验结果表明:基于试验参数耦合关系的试验状态评估、过程控制和数据分析方法有效,填补了国内大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮试验方法和试验数据的空白,同时,该型发动机低压涡轮的效率达到设计指标,处于国内先进水平,所述方法可为国内后续多级低压涡轮试验提供参考。     

基于红外辐射的涡轮转子叶片前缘温度场测量

根据发动机涡轮转子叶片温度场测试需求,对发动机进行了局部改装,并设计了安装支架,利用红外辐射高温计测量了发动机涡轮叶片前缘及叶盆温度场。试验结果表明,所有叶片表面温度分布具有明显的规律性——中截面附近区域前缘温度最高、叶盆次之,在前缘和叶盆之间存在一低温区;从前缘到叶盆的叶尖弦向温度呈反S形分布。各涡轮叶片叶盆存在一椭圆形高温区,该高温区在中截面附近温度最高,沿叶尖和叶根方向延伸并伴随温度递减。各涡轮叶片前缘温度的高温区都集中在中截面附近约1/3叶高范围,叶尖和叶根温度都较低。     

低压涡轮气动/声学一体化设计——总体参数优化

低压涡轮是航空发动机的重要噪声源之一,同时也是影响发动机单位推力耗油率的重要部件之一。为适应新一代发动机高效、低噪的设计目标,提出了基于传统涡轮设计流程的低压涡轮气动/声学一体化设计思路,并以某一典型民用发动机6级低压涡轮的设计要求为例,对末级功分配、通道外径、涡轮出口马赫数、叶片数目等涡轮总体参数进行了优化探索。结果表明,文中提出的设计思路可以在涡轮设计的总体参数选取阶段对涡轮效率和噪声同时进行有效评估,以便合理地选取涡轮总体参数,是一种可行的高效、低噪涡轮设计方法。     

时序效应对涡轮叶片非定常作用力影响的数值研究

为了研究时序效应对尾迹传递及其与下游叶片排的作用机理,利用基于密度修正的求解雷诺平均N-S方程的商用CFD软件对某一1.5级轴流低压涡轮级进行了详细数值模拟。通过调整第二级导叶的周向位置来产生时序效应,结合叶片中径处的静压系数分布来详细分析时序效应对涡轮叶片非定常力的影响。结果表明:时序效应对涡轮效率影响很小,涡轮最大和最小气动效率之间相差0.1%,当进口导叶尾迹撞击出口导叶前缘时涡轮效率最小;时序效应对动叶表面中径处压力分布影响不大,对出口导叶影响较大,压力分布改变的主要原因包括尾迹的对流传递及其撞击引起叶片环量改变;时序效应对涡轮出口导叶气动力分布影响较大,相对最大效率,最小效率下的气动负荷系数和方位角要大。