双层涡轮叶片异形冷却单元内换热特性实验研究

基于实际加工成型的双层涡轮导向器叶片内部特征,模化出操场形和椭圆形截面冷却结构。针对其内部应用的冲击/气膜复合冷却形式,实验研究了冲击靶面的换热特性,重点分析了通道截面形状不同时,进口Re数、气膜出流以及冲击孔和气膜孔的相对位置对冲击靶面换热特性的影响。研究中发现通道内部局部Nu数呈中心对称的波浪形分布,并且气膜孔壁面上游的换热效果整体低于下游,只有在靠近气膜孔中心局部区域的换热系数较高。随着进气Re数增加,换热效果逐步增强。实验数据表明,截面形状不同的冷却通道的换热特性规律不同。对于操场跑道形冷却通道,冲击孔和气膜孔顺排时冷却效果较好;而椭圆形冷却通道中,冲击孔和气膜孔错排时冷却效果较好。

单晶再结晶临界应力与涡轮叶片结构设计参数间的映射模型

以单晶涡轮叶片发生再结晶的榫头进气窗口为研究对象,基于镍基单晶合金再结晶临界应力模型,通过单晶叶片铸造热应力场仿真计算,建立了最大残余应力与结构参数和温度的关系模型;并在此基础上,以最大铸造残余应力不大于再结晶临界应力、冷气通道面积不变和满足强度为约束条件,求出了不发生再结晶条件下的临界应力与结构设计参数和热处理温度的映射模型。最后通过对实际叶片榫头进气窗口的优化设计和试验对比分析,验证了本文方法的有效性。结果表明,优化后榫头进气窗口最大铸造残余应力下降30%以上,原有的再结晶现象消除。

叶片型面双出口孔射流冷却效率试验研究

将单入口-双出口孔分别布置在叶片型面压力面和吸力面进行试验,研究了吹风比分别为1.0,1.5和2.0时,气膜孔下游气膜冷却特性。结果表明:吸力面吹风比为1.5时冷却效率最大,吹风比为1.0时冷却效率最小,沿流向冷却效率降幅随吹风比增加而减小;压力面冷却效率分布较为复杂,气膜孔出口附近吹风比为1.0时冷却效率最高,下游较远处吹风比为2.0时冷却效率最大,吹风比为1.0时冷却效率最小,沿流向不同吹风比下的冷却效率变化规律不同。

平面扩压叶栅流场PIV与三孔尾迹探针对比测试研究

针对PIV技术在暂冲式高亚声速平面叶栅流场中遇到的示踪粒子投放问题，通过采用高压雾化式粒子发生器以及安装在稳定段前的撒播器，有效地使示踪粒子均匀地与主流混合，并成功开展了某扩压平面叶栅叶片槽道及出口尾迹可视化测量，获得了零迎角、进口马赫数0．2～0．8状态下的二维速度矢量场。为了验证PIV在叶栅流场测试结果的可靠性，在相同工况下，将PIV测量结果分别与数值计算结果和三孔尾迹探针测量结果进行了对比分析。结果表明：采用PIV技术测得的叶栅中截面二维速度矢量场合理地反映了叶片槽道及尾迹的流动结构，与数值模拟结果较为接近；PIV与三孔楔形尾迹探针在叶栅出口尾迹的测量所获得的气流速度和主流区的出口气流角重合性较好；尾迹分离区的出口气流角重合性略差，主要原因是尾迹区气流角超出了探针校准范围，这也说明了PIV测试技术优势。本文提出的PIV测量技术也可用于连续式叶栅风洞中。

基于模糊熵的压气机失速信号分析研究

熵作为无序程度的度量,能够用于描述不同过程的复杂度或相似程度。采用模糊熵分析了某跨声压气机从稳定工作状态连续变化到失速工作状态过程中机匣壁面静压的变化情况,发现模糊熵值在压气机稳定工作状态下变化很小,而当模糊熵开始大幅值波动时压气机开始进入失速状态。将模糊熵分析结果与滤波分析进行对比表明,模糊熵可应用于压气机失速先兆信号的实时监测。

平面叶栅中两类叶型探针影响特性的对比研究

采用平面叶栅吹风试验方法,针对压气机叶栅中两类叶型探针(A类、B类)的影响特性进行对比研究,在整理分析原型叶栅变工况流动特性的基础上,从叶片表面等熵马赫数、总体性能参数与栅后尾迹等三个层面详细考察了两类叶型探针的影响程度及变化规律。研究结果表明:对于叶栅通道内没有激波的亚音流场环境,A类探针的综合影响程度略小于B类探针,而对于叶栅通道内会形成强激波的跨音流场环境,A类探针的综合影响程度要大于B类探针;A类探针对叶栅出口尾迹分布的扰动作用大于B类探针,预示在压气机多叶排环境下B类探针的工程适用性更好。

航空发动机钛火预防技术研究的进展

针对航空发动机防钛火的控制技术,结合国内外相关工作的研究状况,从钛火机制分析、防钛火阻燃合金的作用机制、阻燃钛合金体系研究状况、阻燃涂层的研究及防钛火结构设计等方面,对航空发动机钛火控制技术领域取得的研究成果进行总结和分析.重点论述了各国先进航空发动机中良好的钛火预防技术,并提出我国应建立钛合金启燃与环境(温度、压力、流速)的关系,从根本上解决了阻燃钛合金工程化问题上存在的风险.

涡轮转子叶片异型气膜孔冷却数值研究

采用数值模拟的方法,研究了发动机工作条件下涡轮转子叶片压力面异型气膜孔的冷却特性,分析了吹风比和旋转雷诺数对气膜冷却的影响.结果表明:旋转条件下,气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向发生偏转,射流涡结构发生改变;随着旋转雷诺数增大,气膜射流向叶尖的偏转量逐渐增加,展向冷却均匀性提高,展向平均冷却效率略有提升;同一转速下扇形孔和收敛缝型孔能有效抑制气膜分离,展向平均冷却效率沿下游单调变化,随吹风比增加而升高,吹风比越小气膜射流向叶尖偏转越明显;旋转条件下,扇形孔与收敛缝型孔射流较圆孔射流仍有明显的冷却优势.

DD6单晶涡轮叶片缘板裂纹与再结晶研究

针对DD6单晶涡轮叶片在试车后缘板出现裂纹的现象,通过裂纹外观检查、断口形貌观察、显微组织及化学成分分析等工作,开展基于裂纹特征的缘板失效模式研究.研究结果表明:DD6单晶涡轮叶片缘板裂纹是由表面再结晶导致的疲劳开裂,其形成与存在富钨白色析出相的枝晶界面有直接关系;在试验条件下裂纹沿富钨(W)的白色颗粒链扩展,并沿界面延伸,导致疲劳失效.同时,发现缘板表面再结晶在叶片使用之前已存在,是缘板凝固区域因过大铸造热应力而形成碳化物,进而在热处理过程形成晶界富钨白色析出相的再结晶晶粒.

压气机喘振模式识别与在线检测

为发展一种运算简单、性能可靠的喘振在线检测系统,分析了压气机出口总压信号的时域和频域特性。当压气机逐渐进入喘振时,时域内表现为压力脉动强度的增大,频域内表现为信号能量在低频成分集中。选用标准差σp表征压力脉动强度;平均频率f表征信号频域特性。考察了由σp和f构成的模式平面,提出了一种综合时域和频域特性的喘振检测判据,检测门限可根据置信度要求进行设置,给出了在线检测系统的流程图。采用压气机试验台实测数据验证,该方法可有效地进行喘振在线检测。

涡轮叶片吸力面气膜冷却效率的数值研究

针对某型导向叶片,运用RNG(renormalization group)湍流模型对涡轮叶栅通道内部的三维流场和叶片吸力面的冷却效率进行了数值模拟.分析在叶栅通道主流入口雷诺数Re=4×105～6×105和冷气吹风比M=0.5～3范围内,沿吸力面不同弦向位置处开设气膜孔对气膜冷却效率的影响.结果表明:各位置气膜孔单独喷射时叶片吸力面的冷却效率均随着入口雷诺数的增加而增大;在气膜孔出口下游附近,冷却效率随着吹风比的增加先升高后降低,在下游远处则一直随着吹风比的增加而增大;三个位置处气膜孔单独喷射时,位置1气膜孔的冷却效率较位置2和位置3的高.

涡轮叶片外换热计算程序对比研究

对两种涡轮叶片外换热计算程序STAN 5和S1ICH的数值方法进行了比较.采用STAN5和S1ICH程序完成了VKI(Von Karman Institute)高压涡轮导叶和动叶叶栅的外传热系数计算,并将计算结果与试验数据进行了对比.结果表明,S1ICH预估的转捩位置、外传热系数的精度较高,同时S1ICH具有适应性广,收敛性好,准备初始参数方便的特点,满足工程设计计算的要求.

基于技术参数评估的涡扇发动机总体性能设计

为了充分掌握各代涡扇发动机技术参数水平及其发展趋势，统计包括现役型号在内的15台2～4代涡扇发动机的总体性能参数、循环参数和部件参数，采用考虑涡轮冷却的总体性能计算和重量预测相结合的发动机技术参数综合评估模型并利用计算程序绘制趋势曲线，评估技术参数的发展趋势，结果表明技术参数逐年改善的趋势是比较稳定的，并用曲线趋势外推法取得下一代关键参数的定量数据。在此基础上探索下一代高推重比涡扇发动机可能的总体性能方案，为下一代先进涡扇发动机的预研和设计提供参考。

压气机试验用流量管气动设计与应用验证

针对压气机性能试验中存在的流量管应用问题,采用附面层厚度修正与实流标定方法,开展了系列流量管流量系数的吹风校准试验,分析了两种校准方法的差异、不同流量管壁面静压分布特性与流量系数变化规律。研究结果表明:在消除试验舱漏气和探针流道堵塞影响作用后,标准音速喷嘴实流标定结果与附面层厚度修正结果吻合,实测流量与计算流量的最大相对偏差为0.3%;流量管壁面静压对来流马赫数变化的数值敏感性可作为评定流量管有效工作范围上限的重要依据;不同流量管附面层粘性堵塞影响程度较为接近,可以采用统一平均流量系数来综合评定流量管的气动特性,本文给定的统一平均流量系数为0.995 4。

基于试验数据的轴流压气机喘振边界经验预估方法

从压气机特性计算统计法的基本思想出发,对多台轴流压气机喘振试验数据进行了整理分析,总结了同类型压气机喘振边界上参数变化的一般规律,在此基础上,将压气机设计转速下的喘振参数与其非设计转速下的喘振参数进行相互关联,提出了一种基于试验数据的轴流压气机喘振边界经验预估方法。通过与试验结果的详细对比,表明本文所建立的经验方法能够较为合理地预估轴流压气机喘振边界的变化趋势,基本满足工程使用的需要,可为试验人员顺利录取喘振边界提供一种有效辅助手段。

基于残余应力的单晶叶片榫头进气窗结构优化

针对单晶涡轮叶片榫头进气窗口区域的再结晶问题,以降低叶片榫头进气窗口应力集中区域残余应力值为目标,基于仿真迭代,通过对榫头进气窗口圆角半径的优化,实现了对再结晶区域精铸残余应力的调控。结果表明,单晶涡轮叶片进气窗口圆角半角R为1.2 mm时,应力集中区域热残余应力下降28.1%。通过实验证明该参数下进气窗口再结晶现象得到消除。

带单个引射器单轴涡喷发动机性能寻优

利用起作用集法将航空发动机的非线性不等式约束寻优问题转化为非线性等式约束寻优问题,利用一系列的梯度法最终将非线性等式约束寻优问题转化为低维的无约束寻优问题。针对一类带引射器的涡喷发动机,应用该方法对其加力模态和引射模态分别进行了最大推力、最低油耗、最低涡轮前温度三种模式的性能寻优控制。仿真结果表明,该方法对所有工况点都有良好的收敛性,并且计算速度很快。该方法能实现增加发动机推力、降低油耗和涡轮前温度的目的。

基于表面“凹槽”与“陷窝”技术的低雷诺数涡轮流动损失控制

分别基于"凹槽"和"陷窝"技术对低雷诺数条件下涡轮流动损失控制计算研究.对于"凹槽"技术,采用三维大涡模拟数值方法深入分析凹槽位置、雷诺数等因素对控制效果的影响,同时采用实验分析的方法针对陷窝流动控制技术展开了深入地研究.结果表明:①增大扰动波幅值或选择合适的扰动波频率均可获得明显的控制效果;②二维展向凹槽处理扮演着"扰动发生器"的角色;③三维球窝不但扮演着"扰动发生器"的作用,还扮演着"旋涡发生器"的角色.球窝尾流区内高频率的旋涡形成与脱落,不但产生了加强流动掺混所需的旋涡,也产生了促进分离泡转捩所需的扰动.

间冷回热航空发动机性能计算与分析

在常规循环双轴分排大涵道比涡扇发动机模型基础上,通过引入间冷器、回热器和间冷涵道模型,发展了间冷回热航空发动机（IRA）性能模拟方法.编写了相应的性能计算程序,计算并分析了一种间冷涵道独立排气的IRA的高度速度特性和节流特性.计算表明：全包线内,回热器一直可以正常换热,IRA可以正常工作.不同工况下,IRA的净推力都接近或大于对照常规循环涡扇发动机,而耗油率较对照常规循环涡扇发动机降低9%-20%.

涡轮带冠叶片干摩擦阻尼减振试验

设计一套涡轮带冠叶片干摩擦阻尼减振试验系统,并利用该试验系统对阻尼块与叶冠之间不同接触紧度、不同接触面积以及采用不同材料阻尼块时涡轮叶片动力特性和减振效果进行了分析研究.结果表明接触紧度、阻尼块的接触面积、材料以及外部激振力共同影响涡轮叶片的减振效果,共同决定该系统是否存在最优正压力以及最优正压力存在时的范围或大小.另外,激振力的变化将导致叶片的响应、系统阻尼比、共振频率以及最优正压力等一系列参数变化.试验结果能够为理论计算提供数据验证,为指导涡轮带冠叶片的减振设计提供依据.