跨音涡轮转子叶尖间隙内流动分析与建模

为明确跨音涡轮叶尖泄漏流动机理，进一步提升涡轮效率，对跨音条件下叶顶喷气对平叶尖及凹槽叶尖性能的影响进行研究，并探讨跨音条件下平叶尖及凹槽叶尖间隙内部的流动状态。结果表明：跨音条件下，叶顶喷气可以增加平叶尖叶栅的气动效率，而刮削涡仍是凹槽内的主控流动结构；喷气流量的增加对平叶尖的总泄漏流量影响有限，但会增加凹槽叶尖的总泄漏流量。在更高负荷情况下，平叶尖间隙内呈跨音速流动特征，具体状态与叶片负荷、叶片厚度有关；凹槽叶尖条件下，泄漏流动在吸力侧肋条上方快速膨胀至超声速状态。基于此，建立可用于跨音条件下的泄漏流量预测模型。     

RFSSW套筒外壁形貌优化设计及材料流动规律研究

对于回填式搅拌摩擦点焊工艺,套筒的最大下扎位置和套筒回抽路径上容易形成因材料流动不足而导致的孔洞和未填充缺陷,而套筒形貌是影响焊接过程中材料流动的主要因素。提出在套筒外壁开设倾斜凹槽的方法,在试验验证有限元模型正确性的基础上,利用数值模拟的方法对凹槽影响材料流动行为的规律进行分析。研究结果表明:倾斜凹槽有助于提高材料向下流动的速度。随着凹槽宽度增加,材料最大向下流动速度下降而材料高速向下流动的区域变大,当套筒宽度为0.75mm时,套筒促进材料向下流动的效果最为明显。     

高压涡轮叶尖径向运行间隙概率设计

为了改善高压涡轮叶尖径向运行间隙(BTRRC,Blade-Tip Radial Running Clearance)设计和控制合理性,考虑典型载荷下的热载荷和机械载荷和合理选取随机变量,在确定性分析基础上对BTRRC进行了概率设计.通过确定性分析,得出涡轮盘、叶片和机匣的径向变形以及BTRRC随时间变化规律,并找出危险点(t=180 s)作为概率设计的计算点.通过概率分析,不但得到了各部件径向变形的概率分布特征及不同稳态叶尖间隙δ下的失效数、失效概率和可靠度,还找到了影响它们径向变形和BTRRC的主要因素.综合考虑航空发动机可靠性和效率,将δ设定为1.95 mm为宜,满足设计和工程要求,为BTRRC的控制和设计提供了依据.     

涡轮叶尖空腔造型数值分析

对某高压涡轮第一级的转子叶尖进行空腔造型处理,并在级环境下对原始叶片和修型叶片进行数值模拟。详细分析了叶尖空腔造型对泄漏流流场的影响,计算比较了不同空腔深度对涡轮效率、泄漏流流量的影响。结果表明:通过对涡轮叶尖进行空腔造型处理,可削弱通道涡和泄漏涡,使泄漏流流量下降,改善出口流场,提高涡轮效率。空腔深度对涡轮效率有较大影响,且存在最佳深度值,在最佳深度值下涡轮效率提高约0.24%。     

跨声速压气机转子叶尖流场旋转不稳定现象的数值研究

对某跨声速压气机转子在不同工作流量下的叶尖非定常流场进行了数值研究.结果显示:大流量状态下,该转子叶尖流场几乎不发生振荡.此时,叶尖流场可以按定常流场进行分析;小流量状态下,叶尖泄漏涡大幅振荡,相邻叶片通道内的叶尖泄漏流之间也存在周期性相互干涉.其结果是在稳定状态时出现由于叶尖泄漏涡的振荡及其周向传播造成的"旋转不稳定"现象."旋转不稳定"流场结构主模态旋涡个数大约为40%的叶片通道个数;其周向尺度占据2~3个栅距.     

斜沟槽型处理机匣对压气机性能影响的数值研究

采用数值模拟方法,研究了不同沟槽深度和开槽位置的斜沟槽型处理机匣对压气机气动性能的影响。结果表明,叶尖间隙较小时,与光壁机匣相比,机匣处理后压气机堵点流量提高,最大效率基本不变,稳定工作裕度下降;叶尖间隙较大时,机匣处理后压气机最大效率不变,堵点流量、压比和稳定工作裕度提高。适当减小开槽点与转子叶尖前缘距离,可在不损失效率的情况下提高压气机近失速点压比。斜沟槽型处理机匣对流动的影响:一是流通面积增加和斜坡带来的收缩通道作用,有助于缓解叶尖流动堵塞,降低损失;二是机匣突然升高造成后台阶流动分离,造成较大的总压损失和效率下降。     

航空发动机过渡态典型热端部件热响应分析

为满足航空发动机方案设计阶段结构分析及强度寿命评估的要求,必须提供相关零件稳态和过渡态热状态数据。应用1维解析方法和数值方法分别对薄壁类和轴对称缘盘类热端部件进行了过渡态热状态计算分析,得到带涂层叶片、盘及机匣平均温度随发动机状态的变化,并依此分别进行了各零件热响应分析;由热响应分析结果得到了高压涡轮转子和机匣过渡态热伸长量,并进行了过渡态的热间隙分析,为结构分析提供输入;计算结果与采用ANSYS软件计算的结果偏差普遍在3%以内,说明计算方法合理,可适用于方案设计阶段过渡态热端部件热状态计算。     

考虑主动间隙控制的涡轮叶尖间隙建模计算研究

建立了具有涡轮叶尖间隙计算功能的发动机实时模型并设计了主动间隙控制系统,以反映涡轮叶尖间隙控制对发动机动、静态性能的影响。提出以半无限平面瞬态热传导与多项式拟合相结合的方法,更准确计算发动机动态过程中变化的叶尖间隙;基于涡轮叶尖间隙的变化量和涡轮性能参数的关系实时修正当前涡轮性能参数,提高了常规发动机部件级模型的计算准确度,且涡轮叶尖间隙每减少0.25mm,涡轮效率提高1%,耗油率下降1%;在分析气冷式主动间隙控制系统的基础上,设计了一种可以控制叶尖间隙变化的机械式主动间隙控制系统,使动态过程中变化的叶尖间隙始终处于指令间隙。通过对发动机地面加速过渡过程和巡航减速过渡过程的仿真,验证了上述方案的有效性。     

多腔室凹槽对涡轮叶顶流动传热特性影响的数值研究

现代航空发动机为获得更大输出功率和推重比,涡轮进口温度不断提高,因此高温燃气在无围带动叶叶顶间隙的泄漏引起叶顶热负荷急剧增加,甚至导致叶片烧蚀、失效,严重影响涡轮运行安全。为降低叶顶热负荷,抑制泄漏流,本文以GE-E3第一级叶栅为研究对象,通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS）方程和湍流模型研究了多腔室凹槽对叶顶流动传热性能的影响。研究结果表明:在多腔室凹槽中,叶顶换热系数随着叶顶空腔数量的增加而逐渐减小,凹槽腔室内刮削涡可有效降低泄漏流量。格栅结构在凹槽中起到“气动篦齿”作用,在0至20%的流向区域内泄漏流控制效果显著。Case7的叶顶换热系数最小,比Case1降低了40.44％;Case2和Case3可显著抑制叶顶泄漏量,与Case1相比分别降低了33.82％、28.90％。