基于三维CFD与智能算法的一体化涡轮过渡段气动优化

为提升一体化涡轮过渡段的气动性能,并掌握一体化涡轮过渡段气动优化技术中的关键点,对基于三维CFD与智能算法的一体化涡轮过渡段的气动优化技术开展了研究。结果表明:对优化前过渡段流动特征的分析和认识,是识别主要优化变量、取得较好优化效果的必要前提;过渡段几何参数化的优劣取决于初始模型的构建,初始模型的构建应以对优化前过渡段几何特征的分析为基础;对于原始叶片几何为6个径向截面的过渡段,采用径向3截面相比径向6截面进行参数化拟合,虽然参数化效果稍逊,但能有效减少拟合的参数数目,并消除优化结果叶片几何沿径向的扭曲。只对流道、只对叶片、同时对流道与叶片进行优化的过渡段,其总压损失降低效果分别达到0.49%、0.56%、1.12%。

雷诺数对低压涡轮性能试验冷热态性能差异影响研究

本文以某双级轴流低压涡轮为平台,采用ANSYS CFX软件基于SST-γ湍流模型,研究了雷诺数对低压涡轮冷态模化状态、热态真实工作状态性能差异影响规律。研究结果表明,设计状态热态真实工作状态相比冷态模化状态,低压涡轮效率低约1.5%,这是由于热态真实工作状态下,雷诺数较低,边界层较厚,端壁边界层内摩擦损失大,同时尾迹损失较大,由黏性效应引起的湍流度增加。本文研究可为低压涡轮性能试验效率修正提供参考。

动叶约化中心位置对涡轮非定常气动计算的影响

为掌握动叶约化中心位置对涡轮内部流动非定常计算结果的影响,对动叶前缘约化、动叶几何中心约化和不约化3个算例进行了非定常计算与对比分析。结果表明,动叶通道的平整性,使得2种动叶约化方式对涡轮性能与气动参数的时均值计算结果的影响量级均不超过0.50%。2种约化方式对转静轴向间距及动叶位置造成影响,从而影响到动叶通道中二次流与静叶尾迹在动叶通道中的耗散。动叶中心约化时动叶进口的上下端壁二次流最强。不约化时动叶通道中的上游尾迹强度最强,动叶前缘约化时次之,动叶中心约化时最弱。2种动叶约化方式对涡轮非定常气动计算结果的影响均较小,其中前缘约化方式的影响更小。非定常计算时2种约化方式都可选用,且优先选用前缘约化方式。

燃烧室涡轮交互作用尺度自适应模拟

为了揭示燃烧室涡轮交互作用机理,采用尺度自适应模拟方法对某航空发动机燃烧室和燃气涡轮开展了跨部件联合数值模拟研究,分析了燃气涡轮导叶对燃烧室内部流场和温度场的影响、燃烧室出口速度分布和热斑对涡轮气动和传热的影响。结果表明:尺度自适应模拟方法在预测燃烧室和燃气涡轮部件性能方面具有较高精度,并能有效捕捉燃烧室及涡轮流道中的复杂涡系结构。同时,涡轮对燃烧室内部速度场的影响一直可以回溯至导叶上游0.3倍弦长的距离,燃烧室出口速度分布对涡轮内部流动、热斑对燃气涡轮导叶及动叶绝热壁温均有较大影响。

涡轴发动机动力涡轮转子失去负载转速预测

为满足发动机适航规章CCAR33.27对涡轮失去负载时转子完整性的设计要求,研究涡轮失去负载瞬间转速随时间变化规律。采用多点稳态法对动力涡轮超转瞬时气动效率与转速对应关系进行研究,在此基础上,假设动力涡轮进口燃气能量不变,进而分析动力涡轮扭矩与转速的变化关系。然后采用理论力学和工程分析相结合的方法建立了动力涡轮失去负载瞬间转子转速随时间变化预测模型,并采用整机试验数据对该模型进行了验证,证明了该预测模型的合理性和准确性,建立的预测模型可为动力涡轮强度和超转保护设计提供理论依据。研究结果表明,动力涡轮转子失去负载后转速在200~300 ms上升至160%,接近大部分轮盘破裂转速,需要在涡轴发动机超转保护设计中引起足够重视。

导叶约化中心位置对涡轮非定常气动计算的影响

针对工程上常用的基于叶片数约化的涡轮非定常计算方法,为了掌握导叶约化中心位置对于涡轮内部流动非定常计算结果的影响规律,对导叶前缘约化、导叶尾缘约化、不约化三个算例进行了非定常计算与对比分析。研究结果表明:导叶前缘约化方式对于涡轮气动性能时均值影响量级在1%以上,而导叶尾缘约化方式的影响不到前者的1/2;两种约化方式均能捕捉到导叶中的主要流动特征,但前缘约化方式导叶吸力面的吸力峰更强,导叶出口的气流角与马赫数更大;前缘约化方式转静之间的势扰动更强,导叶尾迹也更强,导叶尾缘与动叶前缘上的压力波动更强。根据研究结果,对涡轮性能与流动的影响来看,同导叶前缘约化方式相比,导叶尾缘约化方式非定常计算结果同无约化方式更接近,故若采用导叶约化进行非定常计算,应优先采用导叶尾缘约化方式。