1+1/2对转涡轮模型试验件气动设计

本文在小函道比涡轮风扇发动机范围内,由高、低压轴功率匹配及先前研究结果确定了可行的1+1/2对转涡轮设计目标,进一步对模型试验件展开了气动设计和叶片造型。尽管设计未在实现目标方面进一步努力,但结合先前工作,建立了实用1+1/2对转涡轮设计的理论和技术基础,揭示出设计中存在的困难,指明了解决问题的方向和未来用于继续提升1+1/2对转涡轮的关键技术。     

某1＋1／2对转涡轮的气动设计及分析

针对某1＋1／2对转涡轮进行了气动设计及流场分析。在设计中,以降低高压转子通道中激波损失为目标,低压级载荷系数选择了较高和较低两种方案。分析表明,虽然第二种方案可以降低高压转子出口马赫数,但该方案亦具有过渡段损失较大等劣势,故本文最终选择了第一个方案。利用该方案,本文完成了1＋1／2对转涡轮的气动设计并对该涡轮进行了三...     

一个1+1对转涡轮的初步设计

本文初步尝试１＋１对转涡轮设计,试图发现区别于常规涡轮设计存在的问题,探索对转涡轮设计体系的组成和应用策略,对１＋１对转涡轮给出初步评价。     

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.     

1+1/2对转涡轮设计及控制方法探索

本文对 1 1/2对转涡轮试验件进行了详细设计,并对其控制问题进行了初步探讨,结果表明所设计 1 1/2对转涡轮基本达到设计要求,其控制问题由高压静叶可调和尾喷管面积调节共同解决。     

1+3/2与1+1/2对转涡轮对比分析

为理清1 1/2对转涡轮及1 3/2对转涡轮使用范围和效能,从而帮助设计决策,本文采用Stewart方法,从速度三角形基本分析入手,以速功比为主要变量,考察、对比1 3/2和1 1/2对转涡轮性能特点.研究表明:各转速比下,1 3/2对转涡轮高效率范围都比1 1/2对转涡轮窄,但其高效区发生在更小的总速功比区域;随转速比绝对值增加,两种涡轮高效率区都增加,高效率区位置都偏向大的总速功比区域;相比于1 1/2对转涡轮,1 3/2对转涡轮具有较低出功比,且偏向于低速功比区域;随转速比绝对值增加,两种对转涡轮出功比范围均拓展.这些结果为未来先进航空发动机涡轮选型提供了重要借鉴.     

关于1+1/2对转涡轮的基本分析和初步设计

１＋１／２（无低压导叶）对转涡轮是高性能军用发动机迫切需要的关键技术之一。本文针对该类对转涡轮展开基本分析,并以某型发动机为目标进行了 １＋１／２对转涡轮试验件的初步设计。研究表明 １＋１／２对转涡轮总效率更多由第一级决定,第二级效率一般较高;高低压轴出功比和第一级涡轮的负荷水平是表征此类涡轮设计难易程度的关键参数。     

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。     

考虑冷却的1+1/2对转涡轮初步设计

1+1/2对转涡轮技术是高性能航空发动机需要的关键技术之一。本文以某高性能涡轮为目标进行了考虑冷却的涡轮初步设汁,力图通过设计过程抓住对转涡轮设计与应用中的关键问题。研究结果表明在 1+1/2对转涡轮设计中,考虑冷却方案与不考虑冷却方案相差较大,其中高压涡轮动叶是此类对转涡轮设计中的主要关键点。     

某小型涡扇发动机高压涡轮气动设计

小涡扇发动机总体要求以及高压涡轮工作特点,决定了小涡扇发动机高压涡轮气动设计上具有低展弦比、二次流损失及叶尖间隙泄漏损失大的特点。根据总体性能结构要求,设计了膨胀比为3.4的单级高压涡轮,三维黏性数值计算表明涡轮性能达到要求,具有较高效率,并重点描述了导向器内部流动现象.为了更好地评估实际工作环境下高压涡轮流动特点,对转静子冷却封严二股气流进行了数值模拟研究,详细分析其对转子二次流动及叶型攻角的影响。     

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.     

1+1/2对转涡轮应用中的关键技术问题

本文对1+1/2对转涡轮应用的关键技术问题进行了探讨。分析表明,出功比SWR是衡量1+1/2对转涡轮技术 难度的特征参数。增加高压转叶出口气流角和马赫数是降低出功比的两条现实途径。关于高压转叶与低压转叶非定常作用 的分析和理解将是1+1/2对转涡轮成功的关键。     

1+1/2对转涡轮短周期试验台性能测试

本文介绍了工程热物理所暂冲式短周期实验台及其涡轮试验方案,使用该试验台对1 1／2对转涡轮进行了性能测试,并使用Numeca软件包对该涡轮进行了定常数值模拟,给出了试验和计算结果对比。试验结果表明该短周期试验台性能良好,能提供大约200 ms的测试时间,能够满足涡轮性能测试的要求。为了以后的研究工作,试验方案和技术,尤其是流量测试技术还有必要进行进一步的改进。     

1+1对转涡轮1.5级时序效应数值研究

本文针对1+1对转涡轮1.5级不同时序位置进行了非定常数值计算,结果表明,通过改变低压级导叶时序位置,1+1对转涡轮1.5级在较差时序位置仍可获得较高时均效率。在分析涡轮内部流场时,首先,发现1+1对转涡轮高压级动叶的尾迹在低压级导叶内的演变规律与常规涡轮(拉伸、剪切、扭转最后聚集成一团)有所不同,尾迹一般呈现由细渐粗的线状分布特征,该特征有利于涡轮时均效率的提高;其次,发现尾迹与二次流两类低能流体迁移规律的不同导致时均效率随时序位置变化出现双峰值现象;最后,发现改变时序位置时,低能流体对下游导叶前25%轴向弦长叶表非定常力有所影响,且低能流体越强非定常力变化越大,后75%轴向弦长叶表非定常力基本不受时序位置影响。     

关于1+1对转涡轮中热痕现象的研究

热痕现象深刻影响涡轮叶片的热负荷,关于该现象的研究成果将对提高涡轮前温度、优化发动机燃烧室与涡轮叶排周向相对位置等起到促进作用。本文采用无粘时间精确解对热痕现象在所设计１＋１对转涡轮中的作用做了初步研究。     

1+1/2对转涡轮用出口超音叶栅设计与试验

本文以1 1/2对转涡轮为背景,开展出口马赫数1.5、气流角为70°高出口马赫数涡轮叶栅设计与试验研究。研究与分析表明,尾缘厚度及尾缘附近叶表速度分布是决定上述高出口马赫数叶栅性能的关键;尾缘后约一倍叶栅出口宽度范围内,损失剧烈增加,此距离之后,总压降低趋于平缓。初步试验结果说明高出口马赫数涡轮叶栅是可行的。     

1+1/2对转涡轮中激波结构的数值研究

本文对1 1／2对转涡轮中激波及激波／叶排干扰等进行了详细的数值模拟。分析发现,1 1／2对转涡轮高压动叶流道中压缩波系与常规涡轮流道中的压缩波系存在明显的不同。1 1／2对转涡轮高压动叶吸力面60％轴向弦长处产生了一组压缩波,它与内伸波相交。在常规涡轮中,这组压缩波将不会出现;内伸波在吸力面的反射波很强,不能忽略。在常规涡轮中,内伸波的反射波可以忽略。由于尾迹及低压动叶的作用,高压动叶外伸波的影响范围和强度呈现周期性的变化。     

叶片弯曲对改善1+1/2对转涡轮高低压涡轮出功比的数值研究

本文基于NuMECA软件的全三维优化设计平台Design3D,通过改变末排动叶的弯曲规律的方法,对1+1／2对转涡轮模型级设计点进行降低出功比的优化设计。结果表明,末排低压动叶通过采用正弯叶片造型,可以在保证效率保持不变的前提条件下,使得高低压涡轮出功比降低2．6％。     

某超高负荷低压涡轮叶型气动性能分析

针对某系列Zweifel数约为1.6的超高负荷低压涡轮叶型,分别对其在定常来流条件下、上游尾迹扫掠条件下的二维流动开展了数值研究.计算结果表明,在低雷诺数、低湍流度工作环境下,叶片吸力面存在较大层流分离,且前加载叶型二维气动性能优于后加载叶型.同时,上游尾迹扫掠对超高负荷低压涡轮叶型分离流动控制作用有限,需引入新的流动控制方法.研究结果对超高负荷低压涡轮设计有较好的启示.     

动叶顶部间隙对1+1/2对转涡轮性能的影响

本文对1+1／2对转涡轮中动叶顶部间隙大小对涡轮性能的影响进行了详细的数值模拟。对涡轮总体性能参数、节距平均出口气流角、出口节距平均相对马赫数以及不同叶高的负荷进行了对照,发现间隙对1+1／2对转涡轮性能影响明显,尤其是当间隙较大时。当低压动叶间隙宽度达到高压动叶前缘叶高的4．5％时,低压动叶间隙中流动普遍超音,在设计1+1／2对转涡轮时需要加以重点考虑。