多级无导叶对转涡轮气动设计研究

为了有效减少当前航空发动机轴流涡轮导向器的叶片排数,对多级无导叶对转涡轮的气动设计方法展开了研究.给出了该类型涡轮的基本结构和命名方法,介绍了使用该涡轮的发动机热力循环模拟和性能计算流程,提出了能够改善动叶进口预旋、提高级载荷和效率的设计方法。完成了一个由4排锥形动叶构成的高负荷多级无导叶对转涡轮气动设计,设计点总压比和总效率的数值模拟结果分别为10.4和91.2%,验证了设计方法的有效性.     

高性能高负荷轴流压气机设计参数选取分析

高负荷压气机设计参数的选择由于超出了常规负荷压气机设计参数的选择区间,有必要进行系统的分析以确定其关键气动和叶片几何造型参数的选取原则,从而保证其综合性能能够达到较优的状态。本文首先通过数值模拟方法,建立了基于CDA叶型的覆盖高负荷压气机叶型设计参数选择区间的数值数据库,发展了一套高负荷压气机叶型的损失评估模型,并建立了针对高负荷压气机设计参数合理化选取的低维分析方法。在此基础之上,分析了不同负荷水平的压气机基元级关键气动和叶型造型几何参数对基元级性能的影响。重点分析了在确定级负荷水平下,基元级进口预旋、反力度和叶片稠度选择对压气机效率和裕度的影响,并以此为依据初步确定了这些参数在高负荷压气机设计时的合理化选择区间。研究表明,对于超高负荷设计的压气机基元级,静子的设计难度更高,对压气机效率和稳定性的影响更为明显。     

涡轮静叶尾缘开槽冷却特性的数值研究

本文用三维数值模拟的方法,对某具有尾缘开槽冷却的涡轮静叶栅进行了详细的气热耦合计算与分析,研究了具有尾缘开槽冷却形式的涡轮静叶片的冷却特性,并结合叶片表面温度分布和静压分布对比分析了叶片在不同吹风比下该冷却方式对流场气动性能的影响。气热耦合计算结果表明:此种尾缘开槽的冷却形式可以对叶片尾缘高温区起到有效的冷却效果,同时使主流通道的气动喉口向上游迁移,在冷却槽口区域引起主流的压力波动。     

钝尾缘翼型非定常气动特性及机理

钝尾缘翼型气动特性受到尾涡脱落的影响,在翼型DU 91-W2-250的基础上对称加厚得到了新钝尾缘翼型DU91-W2-250_6,利用密网格进行了非定常气动特性的数值研究。在各个攻角下钝尾缘翼型气动特性都具有周期性的特点,具体的波动特征如波动幅值及周期等则受脱落涡的大小、脱落位置及尾迹宽度的影响,而升力系数波峰、波谷则分别出现在顺时针涡及逆时针涡脱落的时刻。     

高载荷低压涡轮叶片尾缘劈缝的叶栅损失影响

对带尾缘劈缝低压涡轮导叶在不同劈缝宽度与冷气吹风比条件下的叶栅出口的流场进行了数值研究。结果表明,增大吹风比可降低总压损失,掺混损失则先减后增。低吹风比时,总压损失几乎不受劈缝宽度影响,掺混损失随劈缝宽度增大而降低;高吹风比时,总压损失随劈缝宽度增大而降低,掺混损失反之。综合考虑劈缝宽度与吹风比,冷气流量一致时较宽的劈缝对掺混损失抑制的效果更好。     

超跨声涡轮叶栅尾缘激波系流动研究

本文通过分析超跨声涡轮尾缘波系的流动机理给出了详细的尾缘激波系流动图画,强调了尾缘分离激波的重要作用。经过分析,认为基底区压力是通过影响基底区宽度来影响涡轮叶栅尾缘激波强度的。最后将上述机理应用到某叶栅S1计算程序的改进工作中,数值计算和叶栅试验结果表明,改进工作有效提高了该程序对超跨声涡轮叶栅尾缘激波流动的模拟能力。     

悬臂静子叶栅与高速运动轮毂间隙流研究

悬臂静叶结构可以减轻压气机的重量并降低轴向长度，但在高速运动轮毂作用下其叶根泄漏流细节尚不明确。本文采用经过实验数据校准的数值模拟方法探究了高速运动轮毂情况下不同间隙对于悬臂静叶性能和泄漏流场细节的影响。结果表明，当间隙增大时，悬臂静叶总压损失呈非线性增大，近轮毂处叶片载荷峰值先增大后减小且其位置向尾缘方向移动。泄漏流轨迹呈现三区分布，间隙增大使得通道70%轴向弦长后的高湍动能区在周向和径向范围更大。     

静叶轮毂间隙对压气机角区分离的控制研究

本文以某1.5级轴流压气机为研究对象,采用三维数值模拟方法研究静叶轮毂间隙对压气机角区分离的控制,先从轮毂整体等间隙入手,然后发展到整体梯形间隙,再到部分间隙,最后提出尾缘间隙。结果表明,整体间隙可以吹除静叶根部的角区分离从而改善压气机低工况点的性能,但也付出了设计点性能下降的代价,并且整体梯形间隙优于整体等间隙。而对于轮毂部分间隙,随着间隙位置往尾缘方向移动,部分间隙控制角区分离的能力逐渐增强,设计点性能降低的程度逐渐减轻。最后,提出尾缘间隙,选择一定大小的尾缘间隙可以在基本不降低设计点性能的前提下使低工况点的流量增加0.88 kg/s、效率提高1.37%、压比提高0.15%。     

风力机翼型尾缘襟翼动态特性分析

采用计算流体力学方法研究了带有运动尾缘襟翼的风力机翼型,考察了襟翼偏转角频率对翼型气动参数及非定常特性的影响。结果表明:多数情况下,翼型升力系数滞后于偏转角变化,且相位差随着角频率的增加先增大后减小;尾缘襟翼改变升力系数的能力随着角频率的增加而减小;以尾缘襟翼长度为特征尺度定义的襟翼折合频率可作为尾缘襟翼问题非定常特性的判断准则,当该折合频率大于或接近0.01时,流场具有明显的非定常特性。     

导叶展弦比对部分进气涡轮性能影响的数值研究

本文针对导叶展弦比对部分进气涡轮性能的影响进行了数值研究。结果表明:转子前缘靠近导叶吸力面边界处流动发生分离形成分离涡,使得损失增加;展弦比增加能增加进气区转子前缘靠近导叶吸力面处主流速度,进而降低分离涡强度并降低部分进气效应对进气区中心区域流动的影响,改善进气扇区中心区域流动,从而减少损失提升效率。与此相反,叶高、稠度不变时展弦比增加使得叶片数增加,叶型损失增加,且进气度越大,叶型损失增加量越大。当进气度小于50%时,进气扇区较小,展弦比增加诱发的分离涡强度降低的作用效果明显强于叶片数增加的影响,二者的综合作用使得涡轮效率得到提升;当进气度大于50%以后,分离涡对进气扇区中心区域的影响降低,分离涡强度的降低仅能改善进气区边界靠近导叶吸力面处的流动状态,但此时叶片数增加导致的叶型损失会显著增加,二者的综合作用导致涡轮效率提升的幅度降低。     

正弦锯齿尾缘对轴流风机尾迹及气动性能的影响

轴流风机尾缘涡脱落是产生噪声的重要因素,为改善尾迹流动来降低风机噪声,通过在轴流风机尾缘添加一种正弦形锯齿结构,采用定常及非定常数值模拟的手段结合实验验证的方式,分析其对轴流风机尾迹和气动性能的影响。研究结果显示,正弦锯齿结构削弱了叶片尾缘做功能力,使得风机全压降低,但提升了中小流量工况下风机效率;并能减弱叶片中部以下位置的尾迹强度,且对尾迹的抑制作用从叶片部底到中部逐渐减弱;以增加转速的方式补偿锯齿结构引起的压损,对原型风机和提升转速后的尾缘锯齿结构风机在设计流量点进行噪声数值预测分析,结果显示低频段噪声比原型机有明显改善,表明这种尾缘正弦形锯齿结构一定程度上是一种抑制轴流风机低频噪声的有效途径。     

一种涡轮叶栅内部流动控制方法

本文介绍了一种涡轮叶栅内部流动的控制方法,利用数值模拟手段对应用该方法后的涡轮叶栅内部流动进行了分析.研究结果表明;采用尾缘附近喷气的控制方法,能有效地控制涡轮叶片表面边界层分离,从而增大叶栅负荷,并降低气动损失.     

离心透平一维气动设计与优化

以离心透平为研究对象,采用完全气体为流动介质,在效率最优的前提下,提出了一种完全径向出气(α_2=90°)的一维气动设计优化方法,并与效率最优、无约束出气的一维气动设计方法进行比较,结果表明:在压比ε~*=0.625,反动度在0～0.5范围内的情况下,无论是否存在余速利用,无约束出气和完全径向出气对应的最佳速比和最佳轮周效率随反动度的变化规律基本一致;在变压比的情况下,该一维气动优化设计方法得到的最佳轮周效率与无约束出气设计方法得到的最佳轮周效率相差不超过0.5%。但是由于约束了α_2=90°,减少了一个设计变量,简化了设计过程。因此可以用该设计方法进行离心透平的优化设计。     

1+1/2对转涡轮高压动叶叶顶间隙变化规律及影响作用

为阐明1+1/2对转涡轮高压动叶叶顶间隙高度在变工况时的变化规律,以涡轮流场和高压动叶为整体进行气热双向耦合计算,根据所得温度场对叶片进行热弹单向耦合计算,获取了叶片形变量。不同于常规亚音速涡轮动叶的间隙变化规律,1+1/2对转涡轮高压动叶在较高转速和膨胀比的工况范围内,随着膨胀比降低,前缘间隙高度保持不变,而尾缘间隙高度以二次曲线规律减小。这是由于该工况范围内高压动叶流场展向全超音堵塞,喉道上游流场不受膨胀比变化影响,下游流场的温度随膨胀比减小而升高。相应地,叶片喉道前部温度不变、后部温度升高,导致前缘叶高不变、尾缘因热膨胀伸长。为避免尾缘间隙减小引起碰磨,根据叶片尾缘形变特点增大了设计点的尾缘间隙高度,导致设计工况时叶片后部间隙泄漏流射流速度增大、剪切作用增强,泄漏流流量和损失增加。为保证工作安全的同时提高涡轮效率,有必要发展前、尾缘叶顶间隙独立控制方法,使变工况时前、尾缘的叶顶间隙高度皆在合理范围内。     

涡轮转速对无导叶对转涡轮流动特性的影响

为了探究无导叶对转涡轮在不同涡轮转速下的流动特性,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维定常多叶片排的数值模拟.结果表明,涡轮转速的变化对无导叶对转涡轮的喉部位置基本没有影响;随涡轮转速的升高,高压动叶内的激波损失增大,低压动叶内的激波损失减小,源生于低压动叶吸力面上的激波沿吸力面向尾缘移动;对于远离设计点的非设计工况,流动分离损失及低压动叶中的激波损失构成了对转涡轮损失中的主体;涡轮转速的变化对高低压动叶出口气流角及高压动叶出口马赫数的影响作用较大;高低压涡轮出功比、对转涡轮的总功率及等熵效率均随涡轮转速的增大而增大.     

尾缘结构变化对空调外机轴流风叶声场的影响*

为探索空调外机轴流风叶尾缘结构变化引起的气动声学变化,参照国标噪声测量方法,搭建传声器阵列,测量不同尾缘结构风叶在不同转速下的声压级信息;采用波束形成技术,探究不同尾缘结构风叶在不同转速下的声源位置分布规律。结果表明：与原风叶对比,尾缘凹陷结构风叶、尾缘微孔结构风叶、尾缘锯齿结构风叶均能有效降低气动噪声,其中尾缘凹陷结构风叶可降低噪声1.93 dB-2.78 dB;原风叶、尾缘微孔结构风叶、尾缘锯齿结构风叶声源位置随频段的增加逐渐远离旋转中心,其中在频段Ⅰ四种风叶声源位置都位于轮毂和叶根附近,在频段Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ尾缘凹陷结构风叶声源位置分布在尾缘凹陷结构区域附近。为优化风叶气动声学性能提供试验参考。     

离心式透平的热力设计与分析

以离心式透平为研究对象,用完全气体作为流动介质,进行一维热力设计计算与分析,推导出轮周效率η_u的关系式,得到其与反动度Ω、速比x_a、径比D_2/D_1、扩张角、进口总温、进出口压比、进口角α_1、动叶速度系数ψ、静叶速度系数φ等九个参数相关。在透平进出口压比一定、进口总温一定、静叶出口气流角一定且动、静叶的速度系数认为已知的条件下,分别研究剩下的四个参数对级效率的影响,最终得到一组最佳参数范围,为离心式透平的设计提供可靠的依据。     

基于全叶片曲面参数化方法的涡轮气动优化

为进一步挖掘涡轮性能潜力,实现气动优化参数化降维,减少优化耗时,基于全叶片贝塞尔曲面参数化方法、多岛遗传算法和CFD求解器构建了涡轮三维优化平台。通过建立涡轮叶片吸压力面展开曲面和贝塞尔曲面的参数化映射,全叶片贝塞尔曲面参数化方法实现了叶片吸力面和压力面的同时变形控制,减少了优化控制变量,具有型面光顺性和构造便捷性。对TTM跨音涡轮开展全局气动优化设计研究,结果表明：优化历时约70 h,涡轮设计点绝热效率提升0.48个百分点,流量增加0.97%,膨胀比下降0.32%,验证了曲面参数化优化方法对涡轮气动优化问题的有效性、工程实用性和降维特性。     

考虑冷气的某对转涡轮设计简述与流场分析

为进一步缩减涡轮轴向尺寸,提升航空发动机推重比,在考虑冷气的影响下,将某型高负荷1+1对转涡轮改型为1+1/2对转涡轮,并对其内部流场加以分析。研究结果表明,与原型涡轮相比,改型设计在叶片数大幅减少的前提下,效率略有提高且保证了原有的做功量基本不变。此外,对于此类涡轮设计,需考虑大冷气量下通流设计及叶片匹配、高出口马赫数叶型尾缘激波控制、高来流马赫数叶型设计以及高负荷涡轮叶片通道中通道涡对冷却效果的影响等问题。     

高膨胀比有机工质向心透平气动优化研究

本文采用NURBS曲线参数化表达和控制几何型线,结合CFD数值实验,对膨胀比为8的有机工质向心透平进行气动优化研究。跨声速喷嘴叶型型线经气动优化后,喷嘴内处于顺压梯度的加速流动状态,喉部跨声速膨胀流动得到改善,流场最大Ma降低,全工况下的叶栅总压损失系数显著减小,跨声速工况下的级组效率明显提高。叶轮子午流道型线经优化后,流道宽度变化更均匀平滑,原动叶轮吸力面分离被消除,透平级组效率也有提高。