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.     

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.     

变马赫数涡轮平面叶栅流场的实验研究

本文研究分析了三套涡轮平面叶栅设计攻角下变出口等熵马赫数时的气动性能,给出了三套涡轮叶栅设计攻角下的临界马赫数;阐述了叶栅出口总压恢复系数、能量损失系数、负荷系数及进口马赫数随出口等熵马赫数的变化规律;分析了叶片表面和叶栅端壁静压系数及等熵马赫数的分布情况。结果表明,三套叶栅所采用的叶型具有后部加载特性,具有较好的气动性能;叶栅出口能量损失系数随出口等熵马赫数的变化呈现出先减小后增大的变化规律。     

涡轮过渡段气动性能数值优化

采用CFD数值模拟方法对中档功率燃气轮机燃气涡轮与动力涡轮之间的涡轮过渡段进行气动性能优化设计.在原始涡轮过渡段流道及承力支板基础上,新设计进口导流叶片,优化过渡段流道,并采用Numeca软件Design3D 优化平台计算机自动寻优,数值模拟相对比较说明,新设计的涡轮过渡段气动性能满足指标要求.涡轮过渡段承接燃气涡轮、...     

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...     

进口热斑径向作用位置对无导叶对转涡轮低压级温度场的影响

为了探究无导叶对转涡轮进口热斑径向作用位置的变化对其低压级温度场的影响,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非定常多叶片排的数值模拟.结果表明,进入低压动叶中的热斑流体的迁移特性主要由通道二次流控制;进口热斑径向作用位置的变化将直接影响到低压动叶中的通道二次流结构,转子通道中的二次流与涡轮进口热斑直接相关;进口热斑径向作用位置的变化将对低压动叶吸力面上的附加高温区的强度产生显著影响.     

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。     

E3对转涡轮设计特点分析(Ⅱ)--过渡段不同方案的流场分析比较

本文以E3对转涡轮方案为背景,针对高压涡轮动叶设计难以满足低压涡轮预旋需求的难点,提出了取消低压涡轮导叶,改由过渡段支板弥补高压涡轮所提供预旋不足的过渡段改进设想.对过渡段支板不同改进方案和E3原方案进行了流场计算、气动性能比较及结构可行性分析.     

热斑分布方式对气冷双级涡轮气热性能影响研究

针对两种不同时序位置热斑在大冷气量燃气涡轮通道内的迁移对涡轮气动性能、叶片表面热负荷和气动激振力的影响开展了数值模拟研究,对比分析了涡轮效率、叶片表面温度分布、出口总温分布、非定常激振力时域/频域特征等,对进口热斑时序位置的选取方式进行了讨论。结果表明对于气冷燃气涡轮,与热斑正对通道中心相比,热斑正对导叶前缘可以有效降低动叶热负荷、改善第二级导叶温度分布均匀性、抑制效率下降、降低非定常激振力水平,有利于改善燃气涡轮气动热力性能。研究结果为大冷气量双级燃气涡轮热斑时序位置选取提供了依据。     

无导叶对转涡轮高压动叶叶尖开槽的研究

对一无导叶对转涡轮高压动叶叶尖经开槽后的叶顶间隙流场进行了研究, CFD预测结果表明叶尖开槽后对转涡轮间隙泄漏损失的降低幅度超过了10%.对数值结果的分析表明,叶尖开槽后叶顶间隙通道内的粘性阻力增加,致使间隙流场结构发生变化,并引起了泄漏涡强减弱和泄漏流量下降;另外间隙泄漏流通过凹槽侧壁对叶片具有额外的做功能力.在本文的研究条件下,高压动叶叶尖开槽使得对转涡轮整级性能得到明显改善.     

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％。     

进口热斑径向作用位置对无导叶对转涡轮高压级温度场的影响

为了探究无导叶对转涡轮进口热斑径向作用位置的变化对其高压级温度场的影响,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非定常多叶片排的数值模拟.结果表明,热斑流体在高压导叶中未发生周向和展向迁移;进口热斑径向作用位置的差异直接影响到热斑流体通过涡轮叶片时的温度耗散度;进口热斑径向作用位置的变化对高压动叶中控制热斑迁移的冷热气流掺混效应、通道二次流和浮力三种因素的作用效果产生了一定程度的影响.     

三维跨音速叶栅自动气动优化设计

应用三维叶栅自动设计参数化方法,选择E3约束的条件下进行了自动气动优化设计.优化后,最优叶栅的总压恢复系数比参考叶栅提高了0.8%,流量和出口气流角都在约束范围内.对优化结果的详细气动分析表明,叶栅性能有显著的改善,表明该算法具有良好的优化性能.     

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。     

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。     

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。     

燃气涡轮静叶考虑叶型及冷却结构的气热耦合优化

为通过气热耦合优化计算改善叶片表面温度场,提高叶片气动效率,编制了气热耦合气动和冷却结构参数化方法程序及网格自动生成程序,采用该程序对燃气涡轮静叶进行了考虑叶型及冷却结构的气热耦合优化。优化结果表明:对叶型及冷却结构优化后,形成解集中气动效率分别提升0.3%和0.17%,主流流量仅变化0.116%和0.058%,高温函数降低38.55%、51.6%,叶片表面最大温度降低5.6 K、6.9 K,平均温度降低5 K、7 K。通过分析,前缘第一腔高温区雷诺数的增大以及第三腔低速回流区的减小是改善叶片温度场的主要因素;根中截面的型面压差的减小导致横向二次流损失的降低是减小气动损失的主要原因。     

基于Isight的二元进气道压缩楔射流控制参数优化

二元进气道常用于宽速域吸气式飞行器。宽速域飞行器的飞行速域较大,进气道要兼顾高低速条件下的飞行要求,这存在一定的困难。利用射流进行前体激波控制,在一定程度上可以改善流场,并提升进气道性能,但现有的射流激励方案仅是将激波推至唇口,不一定使得进气道达到最优性能或造成射流流量过多损失,因此射流控制参数的优化是一个重要问题。基于Isight软件搭建优化流程,采用Hooke-Jeeves优化方法,以射流角度、射流宽度以及射流位置作为优化变量,流量系数作为约束条件,总压恢复系数最大作为目标函数进行优化,探究了来流Mach数为6时不同射流参数对进气道性能的影响。结果表明,Hooke-Jeeves优化方法可以应用于进气道前体射流控制参数优化问题,优化后的进气道能够满足流量系数的要求,射流角度优化后的总压恢复系数相对于无射流方案提升18%,综合优化后的总压恢复系数相对于仅优化射流角度提升2.82%。     

某1+1对转涡轮的气动设计及其流动特性的初步分析

本文对某1+1对转涡轮的气动设计进行了研究,并利用三维计算程序对其流场进行了定常和非定常的数值模拟。研究结果表明,对转涡轮中低压导叶安装角的选取要大于常规涡轮。在低压静子中,1+1对转涡轮与常规涡轮有着不同的尾迹输运方式:高压转子的尾迹被低压导叶切断之后进入通道中,且具有从吸力面前移压力面的趋势。数值结果还表明,非定常下的低压级性能与定常下有显著的不同。     

基于流动损失权重分配的扩压叶栅弯叶片优化探究

本文采用经过实验校核过的数值模拟方法研究了CDA叶型的矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失之间的权重关系,并以此为指导进行叶片周向弯曲优化设计,改善叶栅气动性能.结果表明:原始叶栅中集中脱落涡所影响区域的总压损失权重占总损失的60%,并通过对该旋涡结构所对应的分离区域的拓扑分析确定了叶片周向弯曲的弯高、积叠线控制点和弯角数值.叶片周向弯曲的作用将该分离区从角区闭式分离转变为开式分离,同时降低叶片根部负荷,改变横向和径向压力梯度分布.优化叶栅降低了集中脱落涡所占的总压损失权重41.3%,最终降低了出口截面质量流量平均的总压损失系数2.55%。基于旋涡结构的流动损失分配权重分析方法有效地提升了叶栅气动性能,大大地缩短了叶栅流场优化设计周期,据有可观的工程应用前景。