分流叶片位置对高转速离心压气机性能的影响

运用三维粘性流动数值计算程序FineTM/Turbo对叶顶间隙泄漏存在时带分流叶片的高转速离心压气机模型级内部流动进行了数值模拟,重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压气机级内三维粘性流场及整级性能的影响.计算中采用Jameson的中心差分格式结合Baldwin-Lomax代数模型使用时间推进法求解雷诺平均N-S方程,计算模拟了模型级内部复杂的三维粘性流动过程及气体参数分布的详细结构和规律.计算结果表明:采用分流叶片在进口段会减少叶片阻塞,从而使更高的质量流量可以流经叶轮;分流叶片起始位置位于Ⅲ时,两个通道叶轮出口处速度分布最均匀;分流叶片越短,长叶片压力面无量纲静压载荷越大.当分流叶片长度达到某一数值后,长叶片载荷变化趋于平缓.分流叶片位于不同周向位置时,IBSA叶轮的模型级效率最高,压气机性能最好.     

涡轮叶片温度分布新式测量技术

介绍了一种新式涡轮叶片温度分布测量技术。     

基于SODIX方法的叶片前缘噪声指向性及降噪实验研究

以NACA 65(12)–10独立基准叶片为对象,使用线性传声器阵列和SODIX(SOurce DIrectivity modeling in the cross-spectral matriX)方法对基准叶片前缘噪声指向性分布特征及波浪前缘对叶片前缘噪声的影响进行了实验研究。开发了SODIX数据处理程序并进行了数值仿真验证,结果表明：不同指向角下计算结果的最大误差不超过0.26 dB。在半消声室内,利用由31个传声器组成的非均匀分布优化阵列,对NACA 65(12)–10独立基准叶片和仿生学叶片的前缘噪声开展了参数化声学实验。结果表明：在40°～142°指向角测量范围内,基准叶片前缘噪声指向性符合典型偶极子声源特征,峰值在130°指向角附近;随着频率升高,基准叶片前缘噪声指向性产生了显著的“波瓣”现象,频率越高,“波瓣”越多。进一步研究表明：不同波长和幅值的前缘构型都可以有效降低指向角测量范围内的前缘噪声;与波浪前缘的波长相比,波浪前缘的幅值对前缘噪声的影响更为显著,特别是在90°～120°指向角范围内,A30W20叶型的降噪量可达7.71 dB。     

基于检查数据和物理退化模型的涡轮叶片检修策略优化

根据发动机涡轮叶片在日常使用过程中的损伤检修数据确定其失效概率分布函数,应用Paris公式对叶片裂纹增长进行反演分析,得到在指定阈值下可检裂纹长度与初检时间的对应关系;再模拟裂纹增长过程,得到叶片在寿命周期内各个检查时刻的状态;最后通过仿真结果的统计分析得知叶片的失效概率。案例研究结果表明:叶片在服役过程中如果初检时间太早,初检时扩展裂纹长度小,不易被检测到,后续的重复检查间隔长,在各重复检查时刻容易产生失效;如果初检时间太迟,叶片在初检时会接近甚至超过临界损伤值,也增加失效概率。在允许失效概率为10-5的条件下,涡轮叶片在计划运行周期内的最优检查次数12次,最优初检时间和重复检查间隔分别为1 371循环和307循环。所提方法和研究结果为航空公司机务维修人员和发动机工程师的风险评判和检修决策提供依据和参考。     

TBCC旋流燃烧涡扇模态下的流动特性研究

为减小整流段和钝体造成的损失,针对涡轮基组合循环发动机(TBCC)燃烧室,基于离心力燃烧加速火焰传播的机理,通过数值模拟方法研究了不同旋流进口位置、旋流角度及其组合方式下的流场特征,以及不同燃油喷射粒径在离心力场下的油雾场分布特性。研究发现:相比于单一位置的旋流进口及旋流角度,利用不同旋流位置及不同旋流角度的组合方式,总压损失虽然有所增大,但切向速度衰减较快;对于不同的燃油喷射粒径,70μm粒径的油珠相比于50μm的受到的离心力较大,所需掺混距离缩短,其油雾分布特性更符合燃烧室温度分布要求。     

虑及高循环疲劳的裂纹型外物损伤叶片的可用极限

为了发展一种航空发动机钛合金风扇/压气机叶片外物损伤（FOD）可用极限的确定方法,对典型叶片的可用极限进行了调研,基于裂纹门槛值原理建立了应力比相关的FOD裂纹不扩展等值曲线图,根据TC4钛合金不同应力比下材料的疲劳耐久性极限强度对比了两种裂纹不扩展判据的适用性,通过该方法确定了一种典型风扇叶片撕裂/裂纹型外物损伤的可用极限。结果表明:现有维修手册中对叶片不同区域不同类型FOD的可用极限要求不同,FOD可用极限的主要限制尺寸为损伤深度,深度限制一般在1mm以内。通过裂纹不扩展等值曲线图确定的典型风扇叶片撕裂/裂纹型FOD可用极限分布在0.020~0.525mm内,可用极限沿叶片展向分布可分为三个区域:叶根区可用极限约0.08mm,叶中区可用极限约0.3mm,叶尖区可用极限约0.5mm,越靠近叶根可用极限越小。      

基于表面缺陷特征的疲劳寿命预测方法

在含表面缺陷试样的疲劳数据的基础上,提出了表面缺陷对疲劳寿命影响的尺寸参数,将其引入Walker寿命方程,建立了可以考虑表面缺陷尺寸特征的疲劳寿命预测方程。将该方程的寿命预测结果同考虑应力梯度的寿命预测方法的计算结果进行对比,两者在±3倍以内,验证了方法是准确可靠的。进而,将该方程应用于粉末高温合金涡轮盘的疲劳寿命预测中,获得了不同尺寸的表面缺陷对涡轮盘寿命的影响规律,其工程意义在于:依据涡轮盘危险位置的应力特征,能够给出存在缺陷时的疲劳寿命,可作为使用过程中的重要参考数据,一旦出现漏检的表面缺陷,也能够保证涡轮盘的安全工作。      

轴向非均匀凹槽叶顶的实验与数值研究

为探究不同轴向非均匀凹槽间隙控制泄漏流动的效果和机理,采用实验与数值结合的研究方法,对两种间隙条件下的叶顶凹槽结合渐缩型间隙、均匀型间隙和渐扩型间隙方案对涡轮叶顶泄漏流动的控制效果进行研究。结果表明:减小泄漏流流量与控制叶栅总压损失之间没有直接联系,渐扩型间隙增大了26.7%的泄漏流流量,但在小间隙和大间隙条件下分别减小了2.44%和3.53%的总压损失;渐扩间隙减小总压损失,是通过有效减小通道涡在节距向和展向的尺度,并在一定程度上减小泄漏涡在节距向的尺度实现的;渐扩间隙减小通道涡和泄漏涡的尺度,其原理在于渐扩间隙的布置增强了凹槽内的径向流动,使压力面再附线更靠近叶片,吸力面泄漏涡分离线位置更靠后,从而抑制了泄漏流动。      

航空发动机风扇叶片与机匣刮蹭分析及结构设计

针对异常载荷下,航空发动机宽弦风扇叶片的叶尖与机匣刮蹭变形及损伤特征缺乏数据支持,而传统理论计算方法存在较大的误差问题,建立了宽弦风扇叶片叶尖刮蹭显式动力学分析模型,采用宽弦风扇叶片与机匣刮蹭试验数据,对分析模型的计算精度进行了验证。基于分析模型进行了仿真参数的敏感度分析,得到了叶片与机匣刮蹭后叶片变形及机匣损伤规律。研究结果表明:叶尖伸长量对转子转速非常敏感,叶尖径向伸长量增加速率远大于转速增加值,因此在叶片设计中应考虑到风扇叶片极限转速下叶尖伸长量。同时需要选取合理的扭转角度以满足叶片安全性和气动性能的要求。在风扇机匣包容区设计中应主动考虑异常载荷的影响,增大安全性设计域度;设计合理的耐磨层材料参数,减小风扇叶片对其冲击损伤。采用该方法可以提高叶尖间隙控制精度,减小刮蹭对叶片和机匣造成的损伤。      

大子午扩张涡轮扇形叶栅变工况性能实验研究

为了研究大子午扩张低压涡轮变工况下的流动性能,分别对大子午扩张低压涡轮的两套不同的扇形叶栅进行气动实验研究。在设计进口气流角条件下,分别进行不同高亚声速马赫数出口变工况实验研究;在出口马赫数不变的条件下,完成变攻角实验。分析了大子午叶栅流动损失特点和二次流的影响规律。结果表明:大子午扩张实验叶栅出口存在两个明显的高损失通道涡,上通道涡位于展向1/3位置,远离上端壁,且强度明显大于下通道涡。随着马赫数增加,叶栅出口流动损失增加了15%。大子午扩张涡轮端壁曲率影响近端壁叶片的压强分布和变工况敏感性,优化端壁曲率将有助于流动状态的改善。