航空发动机涡轮冷却原理分析

燃气涡轮技术包括涡轮气动设计技术、传热分析、冷却技术、工艺材料技术和实验技术等许多技术,它是一个高、新、精技术的综合体。本文介绍了航空发动机涡轮冷却控制系统及其故障检查方法,该系统功用是在接近发动机最大工作状态下,提供和撤销冷却涡轮用的附加空气流量,保证涡轮正常工作。     

涡轮气冷叶片高温环境下的结构强度分析软件开发

涡轮是燃气涡轮发动机中的重要部件,燃气轮机性能的提高需要涡轮进口温度也不断提高。涡轮进口温度的增加要考虑叶片材料的耐温程度,同时必须限制叶片内部温度水平和温度应力,即涡轮叶片需气冷降温,因此涡轮叶片温度场和应力场计算具有重要意义。三维涡轮叶片的换热流动数值计算非常复杂,设计单位在初步设计阶段往往需要从二维叶片开始设计,进而完成三维叶片的数值计算工作。针对上述需求开发了一套完整的二维涡轮气冷叶片的热应力有限元计算程序,满足了叶片初步设计时对换热和热应力计算的需求,并将计算结果与国外商业软件ANSYS进行了对比,证明本研究开发的软件是有效的。     

叶片轴截面曲线拟合方法

涡轮叶片作为飞机发动机的关键零部件,涡轮叶片和发动机高温区的零部件寿命往往是制约现代高性能航空器寿命周转的决定性因素。航空发动机零部件修复可谓是高投入、高附加值、高层次政策下的高技术产业,是一项军民通用技术。其巨大的经济利益吸引了许多国家和地区纷纷涉足此领域。逆向工程是一种高效率、低成本的新型设计方式。该文基于逆向工程技术,通过对点云数据进行测量,并对点云数据进行预处理,进而将曲面重构等技术对涡轮叶片的轴截面特性进行分析以及叶型进行拟合,为飞机发动机叶片的逆向重构提供了前提。这为航空发动机涡轮叶片损耗的有效降低和高效维修奠定了基础,具有一定的理论价值和实际意义。     

国内期刊亮点

<正>提高空心涡轮叶片整体式陶瓷铸型中温强度的研究空心涡轮叶片是航空发动机、燃气轮机的关键部件之一。基于光固化快速成型的空心涡轮叶片整体式陶瓷铸型制造方法,可有效克服传统熔模铸造开模成本高、制造周期长等缺陷,但采用凝胶注模技术成型的陶     

发动机燃气涡轮转子蠕变及可靠性分析

发动机燃气涡轮转子是发动机的重要部件,其工作环境温度高,涡轮转子叶片蠕变是其主要的破坏模式。本文依据蠕变理论、工程结构可靠性设计的概率设计法和涡轮转子叶片载荷、截面尺寸及材料强度算出其蠕变和可靠性指标,并进行可靠性分析。     

涡轮盘榫槽综合测具的研究

涡轮盘是发动机重要承力构件,在转速高、温度高的环境下工作,涡轮盘具有较高的抗疲劳、抗高温氧化及抗燃气腐蚀能力。涡轮盘沿圆周均布一般在60-102个榫槽,叶片用枞树形榫头插入盘的枞树形槽内,检测榫槽的尺寸、位置度技术条件要求,保证叶片传递载荷分布均匀,提高发动机的性能稳定性。     

新型双工质平面叶栅冷却试验风洞设计

针对重型燃气轮机高温涡轮叶片的双工质冷却技术,设计建造了研究双工质冷却新原理,高效气膜冷却机理及叶片综合冷却特性的叶栅试验平台。该平台由压缩机、蒸汽发生器分别提供空气源和蒸汽源,可以进行叶片双工质冷却情况下的叶片综合冷却特性研究及相关扩展研究。从而揭示叶片内冷却工质的流量压力分配关系,气膜冷却效率以及叶片特定冷却结构下的综合冷却特性,为新型双工质冷却叶片的设计提供试验验证支持。     

21世纪世界航空动力技术发展趋势与展望

21世纪的世界航空动力技术将继续加速发展，有可能出现革命性变化。传统的燃气涡轮发动机仍具有巨大的发展潜力；随着超燃冲压发动机以及涡轮和火箭基组合循环发动机的应用，高超声速飞行将成为现实，并有可能迎来以高超声速空天往返飞行为标志的新的航空时代；脉冲爆震发动机、超微型发动机等新概念发动机必将登上历史舞台；新能源航空发动机将占据一席之地；航空动力技术将继续在人类科技发展和社会进步中占据重要的地位。     

航空发动机对转涡轮气动设计技术研究进展

 随着航空工业的发展,民用或者军用飞行器都对航空发动机要求越来越高,对转涡轮由于其气动布局上的优势能成为未来航空发动机的关键技术之一。本文通过对国内外文献的调研,结合课题组多年研究工作,分析了对转涡轮内部的特征,并从对转涡轮速度三角形参数分析和气动设计准则、内部复杂流动机制、激波组织技术和收扩叶型造型方法等方面对其研究进展进行了论述;在此基础上考虑加工工艺、结构强度、传热冷却等多学科耦合因素,探讨了转涡轮技术在工程应用中面临的挑战及可能的解决方向,展望了转涡轮技术的发展趋势。     

复合冷却涡轮导叶的气热耦合数值模拟

采用气热耦合方法对高压涡轮一级导叶带全气膜冷却、冲击冷却和尾缘劈缝冷却的复合冷却结构进行了数值模拟。分析了带复合冷却结构叶片的三维温度场,主要研究了主流燃气雷诺数、冷气与燃气的流量比和燃气与冷气的温比对叶片温度和冷却效果的影响。结果表明:随着流量比增大,叶片前缘壁面平均温度先增后减,压力面和吸力面温度均减小。叶片壁面各处平均温度随温比增大而降低,受雷诺数影响很小。叶片综合冷却效果随流量比增大而增大,受温比和雷诺数影响很小。     

榫连接结构叶片盘振动特性研究及验证

针对航空发动机榫连接结构叶片盘振动特性分析时,采用一体化处理建模方法导致计算精度降低的问题,开展了榫连接结构叶片盘振动特性研究.提出了一种考虑榫连接刚度的叶片盘建模方法,以燃气涡轮叶片盘对象,采用上述方法完成了考虑榫连接刚度的燃气涡轮叶片盘建模,在此基础上进行了叶片盘振动分析并开展了动应力试验验证.结果表明:采用考虑榫连接刚度的叶片盘模型得到的叶片共振转速计算精度在6％以内,相比于榫连接结构一体化的叶片盘模型,得到的共振转速计算精度提高50％.研究工作可为航空发动机叶片盘振动设计提供指导.     

涡轮导向叶片热冲击双向耦合数值研究

航空发动机涡轮导向叶片热冲击过程是一个典型的固体变形场、温度场和流场三场耦合作用问题,工况复杂。基于流固热耦合理论,求解一维平板模型热弹性解析解;并进行数值模拟和对比分析,验证了双向耦合方法的有效性。应用建立的双向耦合方法对某涡轮导向叶片热冲击过程进行数值模拟,得到了涡轮导向叶片表面温度及热应力分布规律。研究表明,提出的双向耦合方法可以有效地预测涡轮导向叶片的温度及应力分布规律,计算温度与试验误差小于5%;应力集中处与试验中叶片破坏区域一致。研究对航空发动机涡轮叶片热冲击过程数值模拟提供了有效方法。     

航空发动机涡轮流动及噪声数值模拟

发展可靠、高效、低噪声的发动机是航空工业不懈的追求.涡轮作为航空发动机核心部件之一,其流动及换热问题始终是贯穿航空发动机设计、制造的核心问题.随着航空发动机风扇和喷流噪声得到大幅控制,涡轮噪声逐渐凸显,并日益受到关注.为推动航空发动机涡轮流动换热及噪声数值模拟方法的工程应用,首先,以航空发动机涡轮中复杂湍流及流动换热问...     

航空发动机复合材料叶片先进制造技术研究进展

大规模采用复合材料叶片是目前航空工业实现航空发动机更高涵道比和减重的最有效途径。以复合材料航空发动机叶片的制造技术研究进展为主题，介绍了现阶段树脂基、金属基和陶瓷基复合材料航空发动机叶片的主流加工工艺；重点讨论了关键制造技术的发展现状和应用情况，包括树脂基复材叶片的预浸料/模压成型工艺和三维编织结/增强树脂传递模塑成型工艺、金属基复材叶片的模压成型、加压浇铸工艺和超塑成形/扩散连接工艺以及陶瓷基复合材料叶片的熔体渗透工艺；探讨了航空发动机复合材料叶片的发展趋势，并提出未来复合材料叶片关键制造技术的研究方向。     

一种基于固定截距多元线性回归的涡轮叶片冷却效果经验公式推导方法

为综合考量三个常见因素(冷气与燃气流量比、温比及燃气雷诺数)对航空发动机涡轮叶片冷却性能的影响,推导并发展了一种新型的多元线性回归分析方法,即固定截距的多元线性回归分析方法。通过对试验数据分别采用三种回归分析方法(即单因素非线性回归分析、常规多元线性回归分析和固定截距多元线性回归分析)处理分析后对比发现,运用固定截距多元线性回归分析方法处理的结果中确定系数更高,残差平方和令人满意,可见该方法更适合于当前试验方法下的冷却效果试验数据经验公式的拟合。     

高温高低周复合载荷试验加载技术

为了获取航空发动机涡轮转子叶片的疲劳寿命,通过电磁感应加热、高低周复合载荷协调加载控制方法实现正交载荷解耦联合加载,研究了转子叶片在高温环境、低周离心载荷和高周振动载荷耦合响应,并基于涡轮叶片模拟试验件,对上述技术进行了验证.结果表明,该试验技术具备可行性和正确性.可见该技术可以实现航空发动机结构部件的多场耦合复杂载荷...     

静叶时序对高压涡轮性能影响的数值研究

现代航空工业的快速发展,要求不断地提高航空发动机的性能。涡轮作为航空发动机三大核心部件之一,其气动性能的改善对整个航空发动机的性能提高起着至关重要的作用。基于这一背景,通过对某1+1/2级静/动/静布局的涡轮叶片进行数值模拟,改变第二级静叶周向位置,研究时序效应对涡轮性能的影响。发现时序效应对涡轮上游流场影响微乎其微,对涡轮进口流量和落压比的影响不大,主要影响到涡轮效率。从而说明,在叶片设计初级阶段,可以通过时序效应,调整叶片周向位置,改善涡轮性能。     

高温涡轮叶片内冷通道强化换热试验系统设计

针对重型燃气轮机高温涡轮叶片的双工质冷却技术,设计建造了研究带肋复杂叶片内冷通道内蒸汽/空气流动及强化换热特性的试验平台。该平台由压缩机、蒸汽发生器分别提供冷却空气和蒸汽源,可以进行叶片内冷通道内蒸汽、空气两种工质的对流、冲击、肋柱扰流及多种冷却结构下的冷却换热机理和摩擦阻力特性研究。从而能揭示叶片内冷通道内流动阻力、表面强化换热与不同冷却结构几何参数及气(汽)动参数的影响规律。获得单元通道内蒸汽/空气为冷却介质的高效冷却结构及相关换热关联准则式。     

连续旋转爆震涡轮发动机热力过程与性能分析

该文提出一种完整的连续旋转爆震涡轮发动机(continuous rotating detonation turbine engine,CRDTE)系统方案,建立了其主要工作过程的数学模型以及参数化整机性能分析模型。研究了压气机总增压比、涡轮前总温等设计参数对发动机总体性能的影响。结果表明:随着压气机总增压比的增大,发动机的比推力和循环热效率先增大后减小,耗油率单调增大,而涡轮前总温越大,发动机的比推力和耗油率越高。与同参数传统燃气涡轮发动机进行了总体性能比较研究,表明CRDTE在全工作范围总体性能具有优势,并揭示了其获得性能增益的原因。与现役先进航空燃气涡轮发动机F119相比,在相同循环参数条件下,CRDTE的比推力显著提升,同时耗油率稍有降低。该旋转爆震涡轮发动机方案合理、可行,为其工程化应用提供了依据。     

航空发动机科学技术的发展与创新

航空发动机是"飞机的心脏",是实现人类飞行梦想的关键.回顾了发动机技术进步与飞机的发明、喷气式发动机的问世、航空动力领域的持续创新等内容,介绍了高超声速强预冷涡轮发动机、自适应变循环发动机、民用大涵道比发动机、混合电推进技术的发展现状和发展趋势,探讨了国外航空发动机发展的主要经验和重要举措.