1+1/2对转涡轮叶排轴向间距对性能影响的研究

木文对1+1/2对转涡轮中轴向间距影响进行了初步研究。对不同轴向间距叶栅流场进行了大量时间精确模拟。研究表明,1+1/2对转涡轮高低压转叶间轴向间距成为追求高效率的制约因素,轴向间距为高压转叶喉部宽度是关键点。因此有关小轴向间距下强激波/叶排干扰的研究应该加强。

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。

对转涡轮研究的回顾与展望

概述了国外对转涡轮技术的发展状况,详细介绍了中国科学院工程热物理研究所近年来对对转涡轮研究的情况。研究表明:1+1/2对转涡轮所面对的挑战是前所未有的,而1+3/2对转涡轮是战胜这种挑战的有效途径;加OGV是扩展1+1/2对转涡轮应用范围的有效措施。同时,列举了对转涡轮所面临的基础问题。

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。

无导叶对转涡轮气动设计技术

采用先进的无导叶对转涡轮气动布局是提升航空发动机性能最为有效的措施之一。结合无导叶对转涡轮高压涡轮动叶进出口轴向速度变化较大等特点,采用理论分析等研究了对转涡轮基元速度三角形参数的优化选取方法,并给出了高压涡轮导叶、动叶出口气流角等变化对效率影响的详细变化关系。流量系数小、高压动叶出口气流角大以及高压动叶进出口轴向速度比大是设计满足出功比高效率对转涡轮的关键。而采用Bezier曲线造型的收敛-扩散叶型叶背曲率的控制、尾缘半径的选择、叶型出口面积与几何喉道面积之比等则是设计适合出口马赫数1.5～1.6高性能叶型的关键。

大扩张通道超声高载荷对转涡轮动叶三维设计方法研究

为设计一种SRR结构具有大扩张通道的超声高载荷对转涡轮高压动叶,提出了一种更符合三维真实流动状态的S1流面三维造型法,详细阐述了三维造型方法基本原理,并用之设计了一个出口马赫数为1.33、通道扩张角为37.3°的超声高载荷对转涡轮动叶。三维数值模拟结果显示对转涡轮动叶流场参数分布合理,没有出现分离,滞止效率达到92.57%。实例表明三维造型法由于充分考虑涡轮流场三维性,对于通道扩张度大、流线曲率变化剧烈的涡轮叶片,比传统二维柱面造型法更精确、更实效。

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.

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。

无导叶对转涡轮新技术在高推比航空发动机中的运用

由于当代新的歼击机发展的需要 ,推重比 1 0以上的涡扇发动机的研制势在必行 ,而对于涡轮部件 ,采用超跨音、大负荷、低稠度、无导叶、大转折角的对转涡轮方案是一个重大的技术措施。它将大幅度减轻发动机重量 ,提高推动比。文中对此论述了它的主要优点 ,以及由此带来涡轮气动设计、计算方面的新问题和新概念。我们设计并制造出了试验件 ,并与 6 0 8所合作在北航建立了对转涡轮试验台。

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。

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。

无导叶对转涡轮三维流场的非定常数值模拟

为了揭示1+1／2(无低压导叶)对转涡轮流场的非定常流动特性,运用全三维粘性流场计算程序对某1+1／2对转涡轮模型级的流场进行了非定常数值模拟。结果表明,非定常计算可以获得比定常计算更为丰富的流场信息;非定常效应具有逐级累积的趋势;高压导叶压力面叶表静压展向分布比吸力面均匀;高低压动叶压力面和吸力面叶表静压的展向分布不均匀;高压动叶的负荷随叶高的增加而增大;高低压动叶出口气流角沿整个叶展均较大地偏离轴向,说明高低压涡轮的功负荷较高,在出功量上达到了设计目标。

超跨音对转涡轮大转折角叶片的高次多项式解析造型研究

超跨音对转涡轮高气流转折角特点对叶片解析造型提出了苛刻要求,本文探讨高次多项式解析造型方法设计超跨音对转涡轮大转折角叶型。在保证表征叶片气动特性的主要特征参数,如栅距t、尾缘转折角δ和叶栅喉道宽度bth等不变的情况下,通过调整和优化选择叶型辅助参数,采取控制叶背与叶盆型线曲率大小和叶栅槽道收敛性的方法,达到控制燃气速度在超音速大转折角叶栅内流场合理分布及抑制激波的生成与强度的目的。数值模拟实例表明,高次多项式解析造型方法能快速、高效、可靠地设计出高性能的超音速大转折初始叶型。

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。

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。

无导叶对转涡轮三维流场数值分析

为了揭示1＋1/2（无低压导叶）对转涡轮流场的流动规律,运用全三维粘性流场计算程序对某对转涡轮模型级的流场进行了数值模拟.结果表明,对转涡轮各方面性能基本达到了设计目标,说明高压动叶采用收扩型叶栅通道且整个涡轮子午流道也采用收扩结构的设计可以获得满意性能;三排叶片（尤其是高压动叶）仍有改进余地,即涡轮效率还有进一步提升的潜力;高压动叶出口沿整个叶高均为超声速,出口马赫数节距平均值在1.4～1.6之间;高压动叶尾缘斜激波强度以中展为中心向两侧递减;涡轮性能随出口背压的增加而下降;涡轮出口背压的变化对高压转子性能基本没有影响,但对低压转子性能的影响较大.

一种低压无导叶对转涡轮特性分析与设计

为获得高载荷无低压级导叶对转涡轮气动设计规律,以一个流量5·25kg/s,膨胀比5·69,高低压涡轮转速均为2·5×104r/min的高效超跨声对转涡轮作设计实例,从基元级分析、通流设计和全三维数值模拟三个部分研究了对转涡轮在取消低压级导叶后出现的诸多新特征给气动设计带来的困难及相应采取措施。设计与分析结果表明,在相同气动设计参数条件下对转涡轮比传统涡轮效率高1·77%。对转涡轮设计关键问题是在合理选择主流参数后,解决高压涡轮动叶既作功又整流双重功能。

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。

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。

无导叶对转涡轮进口热斑迁移特性分析

为了揭示1+1／2(无低压导叶)对转涡轮进口热斑的迁移特性,运用三维非定常粘性流场计算程序对某1+1／2对转涡轮模型级在不同进口温度分布条件下的流场进行了数值模拟。结果表明,热斑在高压导叶中未发生周向和展向迁移;当进口热斑位于高压导叶流道中间时,高压动叶的热负荷加重;当进口热斑正对高压导叶前缘时,与进口热斑位于高压导叶流道中间方案相比,加重了高压导叶热负荷,但减轻了高压动叶热负荷;综合比较来看,进口热斑正对高压导叶前缘对涡轮冷却设计有利;冷热流体间的滑移速度、二次流效应和浮力效应是影响热斑迁移特性的主要因素;热斑在动叶中的迁移方向主要与冷热流体间滑移速度的方向有关,而与进口热斑相对第一级导叶的位置无关;在高压动叶中,二次流和浮力的作用效果均很明显;在低压动叶中,流体的迁移扩散行为主要受二次流控制,浮力基本不起作用。