遄达XWB发动机发展与设计特点

遄达XWB发动机是RR公司遄达系列发动机的第6个也是最新的型号。该发动机在风扇支承结构、带冠高压涡轮工作叶片与中压涡轮级数上突破了RR公司的传统设计,各部件采用了21世纪初开发和验证的一些新技术。通过概述遄达XWB发动机的发展背景和研制进展,重点分析了总体结构及各部件结构设计的特点,得出该发动机在性能、经济性、排放特性、噪声特性、维修成本等方面具有良好的综合性能。     

复杂外形航空发动机TC4钛合金宽弦空心风扇叶片弯扭成形

弯扭成形是钛合金空心风扇叶片制造中一种有效的辅助成形手段,赋予空心叶片毛坯理想的过渡形状,改善工艺性。针对应用于大涵道比涡扇发动机的TC4钛合金宽弦空心风扇叶片的工艺试验件,研究适用于复杂外形叶片的单轴扭转与双轴扭转两种弯扭方法,提出了夹头运动参数的设计方法,分析了机构的运动规律以及成形原理。基于有限元模拟,研究了扭转方式以及弯扭路径等关键工艺参数对于制件外形、变形区分布、扭转力矩以及表面缺陷的影响,并进行了弯扭实验。结果表明,采用单轴扭转方式,弯扭温度为750℃,叶尖夹头扭角为20.4°,扭转速度为0.68(°)/min,能够将平板毛坯成形出合理的过渡形状。弯扭后面板上出现了失稳凹陷,与有限元结果一致。     

涡轮叶片前缘气膜冷却换热实验

针对某型涡轮叶片放大模型的前缘冷却结构气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了前缘的气膜孔倾角、吹风比、主流雷诺数等参数对绝热冷却效率和压力损失的影响.实验中前缘的3排气膜孔倾角变化范围是35°~90°,主流雷诺数变化范围是76112~142624,吹风比变化范围是0.44~2.64.结果表明:气膜孔倾角越小,前缘驻点附近的气膜覆盖效果越好;气膜孔倾角为45°的叶片压力损失系数最小,气膜孔倾角为75°的叶片压力损失系数最大;主流雷诺数增大,绝热冷却效率下降,压力损失系数增加;吹风比增大到1.32时,绝热冷却效率达到最大,吹风比再增大绝热冷却效率反而下降.      

热风洞中涡轮叶片温度场红外热像测量方法

提出了在热风洞中利用红外热像来测量涡轮叶片表面温度场的方法.针对热风洞特有的干扰因素,即石英玻璃窗口的透射比随着叶片表面温度变化以及燃气中的二氧化碳和水蒸气等组分参与热辐射所带来的干扰,在取得红外热像后按照燃气工况对温度场测量结果进行综合修正.考虑到叶片表面曲率的变化,通过几何上的变换重现了实际叶片表面上的温度场.结果表明:在热风洞的叶片温度场的红外热像测量中存在着110~140K的修正量.高温燃气环境中的红外热像测量结果必须按工况进行修正.      

涡轮叶片带肋U型通道水流模拟试验研究

针对航空发动机高压涡轮叶片尖部带肋U型通道、根部带肋U型通道和有尾缘劈缝尖部带肋U型通道放大模型,在保证几何面积相似、冷气流和水流进口雷诺数相等的条件下,分别采用红墨水和氮气作为示踪剂进行水流模拟试验,显示三种带肋U型通道的流动情况。试验结果表明,两种尖部带肋U型通道不存在滞止区,满足设计要求;根部带肋U型通道中气流发生分离,流场不稳定,需要调整肋的位置。     

气膜孔对涡轮叶片振动特性的影响

由于涡轮前温度的不断升高,叶片冷却结构的复杂化、复合化,为改善涡轮冷却叶片在愈发恶劣的工作环境下的抗振特性,建立了多个复合冷却方式涡轮叶片的3维有限元模型。通过对模型进行热-固耦合和振动特性分析,研究了气膜孔的大小、数目、位置、排列、角度对叶片固有频率的影响。结果表明:气膜孔数的增多会导致叶片固有频率的降低,最多降低8.0%;气膜孔的增大对其影响则是不稳定的;其角度和位置的影响可以忽略不计。     

球面收敛二元喷管电磁散射特性

采用迭代物理光学法和等效边缘电磁流法,对球面收敛二元喷管电磁散射特性进行研究.计算分析了该喷管电磁散射的构成及散射机理、散射场的空间分布特性、散射的频率特性,分别计算和对比分析了电磁波在俯仰平面和偏航平面入射时喷管在中间和最大两种状态下的电磁散射情况.研究表明该喷管在垂直极化下边缘绕射场对散射总场的贡献在大角度下体现.电磁波入射频率越高,该喷管后向散射越强烈,雷达散射截面分布对姿态角度越敏感.      

变壁厚气冷涡轮叶片结构参数化设计方法

叶片叶身截面内腔型线的光滑过渡是航空发动机变壁厚涡轮叶片结构设计的关键.为解决变壁厚插值在最大壁厚点处出现拐点而导致过渡不光滑的问题,提出变壁厚叶片结构设计方法即变壁厚抛物线插值法.该方法基于管道相交投影线拟合中弧线法,利用壁厚系数及其对应关系控制壁厚,实现变壁厚涡轮叶片结构参数化设计.设计实例结果表明:应用变壁厚抛物线插值法对不同壁厚气冷涡轮叶片进行结构设计,叶身截面内腔型线光滑,在最大壁厚点处不会出现拐点过渡.     

含有失谐特征的叶片-转盘-转轴转子系统动态特性

采用有限元法建立了叶片、叶片-转盘及叶片-转盘-转轴动力学模型,在结构谐调和失谐情况下,分析了不同类别的模型动力学特性,给出了不同模型的振型分布图和频率分布图.通过对比研究发现:对于叶片的特性计算考虑转盘和考虑转轴有着非常大的区别,一些模型出现严重的频率分裂和振型耦合现象.另外,由于失谐会造成叶片-转盘及叶片-转盘-转轴模型的不同类型的叶片耦合振动,也出现了振动频率的分离和集中现象,甚至导致系统模态的丢失和局部振动情况,结构失谐最终导致模态频率更为连续,这为叶片转子系统的设计带来一定困难.     

航空发动机高压涡轮叶片表面红外发射率测量及应用

在使用RotamapⅡ红外测试系统前需要已知被测涡轮叶片的表面发射率。阐述了1种使用电涡流加热涡轮叶片,从而获得较大温度范围内的涡轮叶片表面发射率的方法。试验测试了某型航空发动机的新、旧2种高压涡轮叶片的表面发射率。试验结果表明:不同温度下叶片的发射率数值会发生变化,新叶片的表面发射率随温度的升高而明显增大,当叶片表面发生严重氧化后发射率变化较小,在±0.02之间。采用RotamapⅡ系统测试某型发动机高压涡轮叶片温场时,发射率数值可以取0.893,其测温误差小于被测物体温度的1%。同时结合试验得出的发射率造成的测温误差曲线可以对红外测温结果进行修正。