高速涡轮发动机技术发展浅析

根据高速飞行器的发展趋势,介绍了高速涡轮发动机概念及应用背景。通过分析国外典型高速涡轮发动机产品及研制计划,归纳出高速涡轮发动机的基本特征:以现有涡轮发动机为基础,采用组合循环、进气预冷等扩包线技术,具有耐高温能力。鉴于此,提出高速涡轮发动机的发展,需突破进气预冷、先进加力/冲压燃烧室设计、冷却与热防护、先进进排气系统设计等关键技术。同时,对高速涡轮发动机的技术发展也提出了初步设想。     

TBCC进气道涡轮通道扩张段设计及涡轮模态特性

采用拓展中心线、不同的流通截面面积变化规律和倒圆半径变化规律对内并联型TBCC（turbine based combined cycle engine）进气道涡轮通道扩张段进行了设计.通过数值模拟的手段,对涡轮通道扩张段设计参数的影响规律和涡轮模态下涡轮通道扩张段的气动特性进行了研究,并利用高速风洞试验结果对数值模拟方法进行了验证.研究结果表明:中心线控制点纵坐标在1.50~2.25、涡轮通道扩张段出口等直段长度与出口直径比值在0.3~0.7的范围内取值时,涡轮通道扩张段可获得较高的出口总压恢复系数和较小的出口总压畸变指数;采用前急后缓的流通截面面积和倒圆半径变化规律能使涡轮通道扩张段获得较小的出口总压畸变指数;随着飞行马赫数的增加,进气道和涡轮通道扩张段的流量系数先不断减小,在飞行马赫数为0.9附近达到最小,之后又逐渐增加,涡轮通道扩张段出口总压恢复系数不断升高,在飞行马赫数为0.7附近达到最大,之后又逐渐降低;涡轮模态下,涡轮通道扩张段出口总压畸变指数均小于0.5,能很好地满足涡轮发动机对进口流场的要求.      

金属骨架陶瓷基复合材料涡轮导叶研究进展

金属骨架陶瓷基复合材料涡轮导叶(金属骨架陶瓷导叶)耐高温、耐腐蚀、密度小,且韧性好,解决了高温合金难以承受越来越高的涡轮前温度的难题。介绍了金属骨架陶瓷导叶的国内外研究背景,分析了该导叶工程应用的关键技术:认为通过改变陶瓷叶型与金属骨架沿周向的接触方式(柔性接触和点/线接触)可缓解二者的周向热变形协调,尽量减少陶瓷叶型与金属支撑板的刚性接触有益于径向热变形协调;金属与陶瓷基复合材料之间的连接必须解决化学相容性与物理匹配性的问题;探讨了该导叶的力学性能计算及试验验证方法。最后指出了金属骨架陶瓷导叶未来的研究方向。     

涡轮盘腔轴向封严流动的数值研究

利用数值方法研究了轴向封严结构内的燃气入侵与封严流动.研究表明:由于封严间隙处流场参数梯度较大,封严面非匹配网格影响了数值传递从而造成封严效率数值结果偏高.定常数值模拟结果低估了导叶下游静压的周向不均匀性,同时没有考虑转静干涉,所得到的封严效率较非定常结果要高.非定常计算得到的导叶下游静压周向分布与试验结果符合较好,在盘腔子午面内形成3个涡核结构,引导静盘壁面流体流向动盘以补充动盘泵效应所需流量.封严间隙内存在旋转的燃气入侵与出流结构,燃气入侵伴随较大的切向速度,封严间隙内的封严间隙涡对封严效率有积极影响,封严面上径向速度的瞬时值为时均值的3倍以上.燃气入侵受到导叶尾缘周向静压分布和转子旋转的共同影响.      

大涵道比涡扇发动机低压涡轮间隙分析与设计

航空发动机涡轮叶尖间隙的准确分析与合理设计对改善发动机性能有重要意义。对叶尖间隙的影响因素进行了详细分析,并指出在总体结构初步设计中,涡轮叶尖间隙分析和设计需要重点考虑的载荷因素;给出采用NX-NASTRAN进行间隙计算的求解方法和详细步骤;以某大涵道比发动机低压涡轮的间隙分析为例,给出详细的求解过程,求解得到低压涡轮在地面起飞状态等8个工况下间隙变化值为-0.4~1.1 mm,并指出间隙初始值的确定应当主要考虑设计点状态、起飞状态和地面慢车状态。     

脉冲爆震涡轮发动机研究进展

介绍了脉冲爆震涡轮发动机的基本概念、主要结构形式以及基本特点.详细介绍了国内外研究状况及课题组的最新研究进展,对脉冲爆震涡轮发动机需要突破的关键技术、主要研究内容以及发展途径进行了探讨.研究表明:相比于传统的涡轮喷气发动机,脉冲爆震涡轮发动机的耗油率能降低5%~15%;在相同的燃烧室入口条件下,与等压燃烧驱动涡轮相比,用脉冲爆震燃烧驱动涡轮时的涡轮的单位输出功率要高;实现了由脉冲爆震燃烧室驱动涡轮,涡轮带动压气机给脉冲爆震燃烧室供气的自吸气模式,表明用脉冲爆震燃烧室代替传统等压燃烧室是完全可行的.     

基于涡轮导向器增燃技术的总体性能与燃烧组织

为了使航空发动机达到高推质比、低燃油消耗率、低污染以及拓宽稳定工作范围的目标,应使用涡轮导向器增燃技术在涡轮导向器叶片间喷油点火再次燃烧,提高涡轮内燃气温度,从而提高发动机的总体性能.阐述了涡轮导向器增燃技术具有提高航空发动机总体性能的潜在优势,分析研究了该技术中组织燃烧的关键技术、参数和机理问题,得出如下结论:①对于射流旋流方案,径向凹槽对燃烧室出口温度分布起决定性作用;降低燃烧凹环内当量比,可提高燃烧效率,从而降低CO,UHC(未燃碳氢化合物),NOx等污染物排放量.②当二次气流角为60°时,射流涡流方案各项燃烧性能较好.     

DD6镍基单晶合金气膜孔薄壁平板高温蠕变性能

采用气膜孔薄壁平板试样模拟冷却叶片,并与无气膜孔薄壁平板试样蠕变试验结果进行对比,研究了气膜孔对镍基单晶合金冷却叶片模拟试样高温持久断裂寿命的影响.试验结果表明:在950℃和377MPa条件下,无气膜孔薄壁平板试样的高温持久断裂寿命大约是气膜孔薄壁平板试样的2倍,扫描电镜(SEM)断口分析可以看出蠕变损伤首先发源于气膜孔周围并在气膜孔边缘开始起裂.基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对气膜孔和无气膜孔两种薄壁平板试样进行模拟分析.模拟结果显示在气膜孔周边存在应力集中和应力重分布,数值模拟分析结果与试样的断口表面形貌吻合.为便于工程应用,将高温持久断裂寿命与十二面体滑移系最大分切应力幅表达成指数关系,蠕变试验结果表明此式在该应力、温度条件下具有良好的精度.     

齿轮传动线外啮出冲击建模与计算

基于齿轮传动线外啮出冲击原理,提出在啮合线方向上构建含系统等效误差和齿对综合变形的啮出冲击计算模型.根据齿轮变形随载荷变化的曲线推导出线外啮出冲击点的综合变形.将系统等效误差与齿对综合变形沿啮合线方向进行合成,求出线外啮出点与冲击点的位置.根据啮合点法向速度相等原理,求解线外啮出过程中被动齿轮最小转速和啮出冲击速度,进而求解出线外啮出冲击力.结果表明:线外啮出冲击力为啮入冲击力的70%~80%.即啮出冲击对齿轮传动较啮入冲击的影响要小,验证了啮出冲击和啮入冲击对"啮合合成基节误差"具有不同的作用效果.     

镍基单晶合金叶片疲劳寿命预测方法研究

研究了3种针对镍基单晶合金各向异性低循环疲劳寿命建模的方法,分别为基于单晶合金弹性模量与晶体取向相关性的方法,与各向异性屈服函数相关的方法和传统滑移系的方法。对基于屈服函数的方法进行了修正以将其应用于单晶合金。利用公开文献中DD3单晶合金的低循环疲劳数据对修正的模型进行了验证,并对采用这3种方法得到的数据进行了比较。结果表明:修正的疲劳寿命模型和基于取向函数的寿命模型的预测结果与试验数据相比基本落在3倍分散带内,而采用基于滑移系的方法所得结果在4倍分散带内。基于屈服函数的修正模型和另外2种模型均可以较好地与3维有限元应力分析直接衔接,便于涡轮叶片结构级的寿命预测。