变弯度导叶铰接位置对风扇振动特性的影响

针对变弯度导叶尾迹激励引起的转子叶片共振,基于谐响应模态叠加法对风扇转子进行强迫振动分析,研究了不同铰接位置的变弯度导叶对风扇气动性能及其振动特性的影响。结果表明,随着铰接位置向尾缘移动,风扇转子流量、压比和效率增加,稳定裕度降低,主要影响下游转子叶根部位的进气角度。在气动激励方面,随着铰接位置后移,转子叶片表面的压力幅值增大,相位变化剧烈,通过将非定常气动力转换到模态空间中,可以看到叶片所受模态气动力在铰接位置为35%C (C为轴向弦长)的情况下达到最大值,后呈现先减小后增加的规律,这与振动响应的变化规律一致。铰接位置对所关注的高阶局部模态的气动阻尼影响较小,最大差异为0.046%。在振动响应方面,转子叶片的振动应力随铰接位置剧烈改变,且为非单调变化。在设计位置处叶片的振动应力最小,在35%C处振动应力达到设计位置的15倍。对于本文所研究的模型及工况,最优铰接位置为45%C,与仅考虑气动性能的25%C不同。因此在变弯度导叶设计时,需要考虑其对叶片振动特性的影响。

弯曲设计在涡轮一体化过渡段中的气动效果分析

为提升某对转涡轮过渡段性能,并研究叶片弯曲技术在过渡段中的气动效果,对某一体化设计涡轮过渡段进行数值模拟。对过渡段内支板及气动导向叶片进行弯曲设计,控制弯曲叶高50%,设计正弯、反弯、J型、反J型四种弯曲形式,弯角变化范围10°~20°,通过对比分析不同的叶片弯曲方案,初步探讨叶片弯曲在一体化过渡段内控制二次流动、减小损失的机理。结果表明:过渡段中主要损失区域集中在支板和气动导向叶片吸力面尾缘角区,采用J型设计能够有效改善叶片表面压力分布,大幅缩小高损失区范围,优化主流流动,20°弯角J型设计能够使通道内能量损失系数相对降低7.4%,对控制一体化过渡段流场内二次流动起到改善效果。

基于陶瓷基复合材料铠甲的涡轮导叶热防护研究

为了加速推进我国高推重比航空发动机研制进程,突破已有高温合金+气膜冷却架构对涡轮叶片承温能力的限制,以及解决陶瓷基复合材料(CMC)涡轮叶片制造难度过大的问题,本文提出了一种在涡轮导向叶片前缘镶嵌CMC铠甲的热防护方案,并通过多工况下的数值仿真,研究了其与典型气膜冷却相比在流动和传热上的差异。相较于后者,在相同的冷气压比1.03下,采用该CMC铠甲结构可以使得冷气质量流量显著降低58%;同时可以利用CMC铠甲与冷气的共同作用,使前缘区的叶片基体冷却效率由0.50显著提升至0.85;通过研究CMC材料导热系数对其自身温度分布影响,探讨了避免铠甲失效的极限燃气温度,相对保守的结果为2017K。有望通过对CMC材料和铠甲结构的进一步性能优化来满足第五代先进航空发动机的需求。

涡轮叶片全表面换热特性的试验与数值研究

通过试验与数值计算相结合的方法,对无气膜涡轮叶片和带叶盆、叶背两排气膜孔涡轮叶片的全表面的换热进行了对比研究。结果表明,叶片表面换热特性受叶栅通道结构影响较大,在叶片前缘驻点和叶栅通道喉部主流加速剧烈位置流动换热程度较高,通道涡的产生明显增强了叶片端部换热效果且使气流向叶片中部收缩;气膜孔可明显增强叶片表面局部对流换热特性,但对叶片全表面换热趋势影响不大。

进口旋流方向对涡轮导叶全气膜冷却效率影响的数值研究

为了获取旋流条件下涡轮导叶的气膜冷却特性,采用数值模拟的方法分析了逆时针和顺时针旋流对燃气涡轮一级导叶全气膜冷却效率的影响,分别总结了导叶前缘、压力面和吸力面冷却效率的变化规律。结果表明:进口旋流方向对涡轮导叶气膜冷却效率有明显影响,且不同区域的冷却效率受旋流方向的影响规律不同;叶片表面冷气受旋流影响而发生偏转。整体上看,导叶压力面的气膜冷却效率在旋流方向为逆时针条件下更高,前缘和吸力面的气膜冷却效率在旋流方向为顺时针条件下更高。

拐角扩张比与导流片安装角对BHAW风洞流场品质影响的数值研究

以北京航空航天大学4 m×3 m低湍流强度、低背景噪声的大型封闭回路气动声学风洞(BHAW)设计需求为工程应用背景,采用k-ωSST湍流模型进行了数值模拟,分析了在多个扩张比下的拐角导流片安装角对流场的影响。研究结果验证了在不同拐角扩张比下的总压损失系数均随导流片安装角增大而先减小后增大,且存在极小值点,极值点对应的导流片安装角与拐角扩张比呈现正相关。在不同的扩张比下,局部损失系数均随导流片安装角增大呈现先减小后增大的变化规律;相同导流片安装角下,拐角中部导流片的摩擦损失系数最大,导流片安装角的变化对中部导流片(即6~8号导流片)的流速影响较小;随着拐角扩张比增大,拐角出口管道内气流不均匀性增大,最佳导流效果的导流片对应的安装角增大。在综合考虑降低总压损失系数和减小管道出口气流偏角两个设计原则后,BHAW风洞为扩张比为1.17的第一拐角选择44°的设计安装角,为扩张比为1的第二、三、四拐角选择44°、43°、42.5°的设计安装角。通过数值计算验证了风洞试验段的核心区动压系数小于0.2%、速度水平偏角小于0.1°,满足BHAW气动设计要求。

某型压气机VSV机构油压驱动力试验研究

航空发动机压气机在运行过程易发生喘振现象,危及发动机寿命。为达到提高VSV机构的运行可靠性以及降低发动机能耗等目的,满足整机台架试验要求。本文搭建了某型压气机VSV机构油压驱动试验台,采集不同工况下VSV机构油压驱动力,得到了常规与极限速度下油压驱动力数据,给出了VSV机构油压驱动力变化规律。试验结果表明:常规速度下,速度变量对油压驱动力几乎没有影响,行程变化工况下到达上止点时,油压驱动力会出现阶跃现象,对压气机VSV机构工作过程中驱动力预测和规律变化以及针对发动机压气机系统能耗、效率优化研究有一定的工程意义与参考价值。

航空发动机叶片弹性边界约束模型振动分析

在航空发动机叶片振动特性分析的过程中,分析模型边界约束条件的选取对计算结果真实与否至关重要。提出用弹性边界约束条件模型来模拟航空发动机叶片复杂的边界约束状态,给出了固定边界、弹性支撑边界约束条件下叶片振动分析方法。分别用两种不同类型的叶片模型进行了仿真计算,得到了两种边界约束条件下的计算结果。并对不同的计算模型下所得到的计算结果进行了分析比较,得到了一些有参考价值的结论。

一种航空发动机导叶角度调节器控制方法研究

航空发动机静子导流叶片角度数字电子控制系统的性能和可靠性对发动机的正常工作十分重要;为获得发动机的最优性能,提高飞行可靠性,并保证压气机工作稳定性,文章提出了一种基于RBF(Radial Basis Function)神经网络的PID控制器,构建了3层神经网络数学模型;在AMESim软件平台上,建立了该航空发动机导叶控制系统的数学模型,在Matlab/Simulink中搭建了RBF神经网络控制器;仿真结果表明,在相同参数设置下,本文所设计的控制器与传统PID控制器相比能够实现导叶角度调节器作动筒位移的更加快速、精确控制,表明该控制器设计方法是可行、有效的。

带导流片的径向预旋系统流动结构数值研究

为探索提高预旋温降的途径,在光滑共转腔径向预旋结构的基础上,设计了一种共转腔内带导流片的径向预旋结构。对这2种模型开展数值模拟,得到预旋系统内部流场。通过研究得到以下结论:在径向预旋结构中设置导流片可以提高预旋温降,对提高发动机性能有重要意义;导流片的结构尺寸对温降有较大影响;导流片模型和光滑共转腔模型流场的主要区别在共转腔内,对导流片上游的影响范围有限;导流片将流经导流片间的流体整流到旋流比接近1,其间周向相对速度较小;哥氏力对导流片间的流动结构有重要影响。

燃气涡轮导叶冷却结构设计及数值模拟

为设计一套适用于燃气轮机第1级涡轮导叶的高效冷却结构,将一套涡轮传热设计方案应用于涡轮导叶冷却结构设计中,数值模拟结果表明:中后部冲击射流能够有效冲刷叶片内表面,降低了叶片吸力侧中部壁面温度,同时形成较大漩涡结构降低压力侧中部的壁面温度;通过设计,得出冷却结构最大外壁面无量纲温度为0.849,冷却效率为0.651,设计目标冷却气体的流量为127 g/s,实际流量93 g/s;采用该设计流程能够有效降低冷却结构设计的盲目性,使冷却结构设计更加灵活方便。

进口导流叶排对轴流压气机级畸变响应特性影响

基于轴流压气机叶片排实验特性,应用畸变传递的矩阵分析模型,对带有进口导流叶片排的轴流压气机级容总压畸变特性进行了详细分析,初步建立了进口导流叶片排对总压畸变及其沿轴流压气机叶片排衰减特性影响规律。计算结果表明,与无导流叶片排相比,带有进口导流叶片排的轴流压气机级具有更强的总压畸变、总温畸变和静压畸变衰减能力,有利于提高轴流压气机稳定工作范围。

粒子分离器涡形叶片金属块撞击损伤研究

研究粒子分离器涡形叶片受外物冲击损伤的规律,提高粒子分离器抗外物损伤设计能力,降低外物对航空涡轮轴发动机安全运行的影响。以冲击动力学为基础,通过冲击损伤试验方法,研究了金属块撞击粒子分离器涡形叶片的过程。采用瞬态响应测试系统,得到了金属块撞击涡形叶片的应变——时间历程;利用三坐标测量仪,获得了涡形叶片金属块撞击后的变形。对金属块撞击粒子分离器涡形叶片进行了数值仿真,对比分析了金属块撞击涡形叶片的试验结果与数值仿真结果。金属块(M6和M8螺栓)以0.2 Ma速度撞击涡形叶片时,涡形叶片的变形较小。

涡扇发动机飞行中的喘振故障分析

介绍了涡扇发动机在飞行试验中出现的一次高空喘振故障,分析了故障现象。采用排除法逐一对比了进气道前方来流条件、燃烧室供油,以及从进气道喉道面积、高低压压气机前导向叶片直至尾喷口喉道的一系列流道可调机构的工作过程,分离出了最可能的致喘因素。分析结果表明,转速下降过程中高压压气机前导向叶片偏度过大而对上游来流形成的堵塞,是引起喘振的主要原因。最后分析了该发动机所执行的消喘程序,及其未能使发动机退出此次喘振状态的原因,并提出改进建议。

透平导叶闭式蒸汽冷却方案研究

本文对某重型燃机进口导叶的冷却方案进行研究,用闭式蒸汽冷却对传统设计的开式空气冷却改型,采用气热耦合方法分析对比了两者的冷却效果。结果表明,闭式蒸汽冷却简化结构的同时,增大了冷却效率,降低由冷却带来的损失。研究工作为进一步提高燃气轮机进口温度、优化叶片冷却结构奠定基础。

涡轮转子内动态燃烧模型机理探讨

为探寻高压涡轮转子内应用射流涡流方案对原涡轮转子性能的影响,采用原高压涡轮转子模型(model-B1)和应用射流涡流方案的高压涡轮转子模型(model-B2和model-B3)两个大类进行研究,其中model-B2和model-B3用于对比分析涡轮转子叶片上有无径向凹腔对原涡轮转子性能的影响。数值模拟过程中,应用了基于压力的隐式稳态求解器,以及尺度适应模拟湍流模型(SAS)。结果表明:在涡轮转子内应用射流涡流方案,主流通道内的温度分布十分均匀,涡轮转子叶片进出口截面处的平均温度基本相等;涡轮转子叶片带径向凹腔时,应用射流涡流方案可实现涡轮内的等温燃烧过程;高压涡轮转子叶片的落压比与原涡轮转子叶片的落压比基本相等,射流涡流方案的应用不会对原有涡轮转子叶片的做功能力和做功效果造成影响。

涡轮导向叶片沿程温增试验方法研究

讨论了航空发动机涡轮导向叶片沿程温增试验方法,分析了温增特性和影响沿程温增的试验参数及其相似性。

涡扇发动机可调静子叶片控制规律研究

航空发动机高压压气机采用可调静子叶片,可改善高压压气机的工作特性,扩大喘振边界,保证发动机稳定工作;通过优化可调叶片角度控制规律,还能提高发动机性能。基于双转子涡扇发动机的试车数据,介绍了可调叶片角度的控制方法,研究了可调叶片角度在低转速和高转速时的控制规律,分析了打开可调静子叶片角度对发动机性能的影响。研究表明,高压转子转速较高时,通过调节可调静子叶片角度,可以降低高压转子的物理转速,增加转子转速裕度,降低机械负荷,增加发动机在翼使用时间。

工况变化对涡轮燃烧射流涡流技术方案的影响

选取二次射流流量变化和环境压力变化的工况条件,对涡轮燃烧射流涡流方案的影响进行研究。其中,二次射流流量变化时,环境压力保持101 325 Pa不变;环境压力变化时,二次射流流量保持0.014 kg/s不变。采用基于压力的隐式稳态求解器模拟涡轮内增燃燃烧室的流动与燃烧过程,并在模拟过程中应用尺度适应模拟湍流模型(SAS)。研究表明:随着二次射流流量的增加,射流涡流燃烧室内温度分布均匀化、总压损失增加、燃烧效率提高、污染物降低;随着环境压力的增大,射流涡流燃烧室内温度分布不受影响,但总压损失降低、燃烧效率提高、污染物降低。

激光增材制造技术在涡轮叶片中的应用

基于激光增材制造技术可快速、精确地制造出任意复杂形状零件的特点,以带复杂冷却内腔结构的航空发动机涡轮叶片为研究对象,对激光增材制造技术在涡轮叶片制备过程中的工程应用特点和难点进行了研究,并提出相应解决措施。研究结果显示,激光增材制造技术在降低零件制造成本和减少零件交货周期方面具有显著优势,但在材料力学性能、表面粗糙度、位置及型面公差、气膜孔收缩率及机械加工定位点等方面依然存在挑战。