航空燃气涡轮发动机涡轮新技术.doc

航空燃气涡轮发动机涡轮部件功能是将从燃烧室流出高温燃气热能与压力能转换成机械功,驱动风扇、压气机与附件工作。在涡桨或涡轴发动机中,涡轮还用于驱动螺旋桨或直升机旋翼。按燃气流动方向,涡轮可分为轴流式与径流式。现代航空燃气涡轮发动机涡轮几乎都采用轴流式。在轴流式涡轮中,根据转子驱动对象又可分为高压、中压与低压涡轮。涡轮部件是发动机中单位重量最重、最复杂、成本最高部件,所以,涡轮设计目标是保证其应用所需耐久性前提下,在高性能与经济可承受性之间维持一种平衡。为此,设计者们通过采用先进气动、结构、冷却、强度设计,以及新材料与新工艺等多种技术措施来实现这一目标。涡轮CFD技术(1)非定常仿真技术非定常仿真技术是对一个时间周期内离散瞬间涡轮动静域流场进行求解,动静域之间采用直接数据传递方式,能够真实详细描述瞬态涡轮内流场变化。随着计算机技术不断发展,现有计算设备已能开展非定常仿真技术大量研究工作。部分国外发动机公司不同程度采用了此项先进设计技术,如美国IHPTET计划中将非定常仿真技术用于解决转子与静子之间相互作用机械激振,并将此技术用于F119发动机设计。近年来国外开展了凹槽顶部间隙、轴向气封间隙、热斑、尾迹、气膜冷却等气动与传热非定常方面研究与应用,极大地提高涡轮叶片设计水平。(2)气膜冷却仿真技术目前,工程设计中广泛采用气膜冷却方式对涡轮叶片进行冷却。如何准确模拟冷气与主流掺混流动是准确评估冷却涡轮性能关键所在。通常采用两种方式进行气膜冷却数值模拟。第一种是冷气喷射源项法,它在叶片表面与端壁给定质量、动量与能量源分布来考虑气膜冷却流动;该方法优点是所需工作量与计算时间较少、易于实现。第二种是真实气膜孔仿真方法,生成气膜孔甚至内腔网格,并对每个气膜孔甚至内腔流动均进行数值模拟;此方法划分网格复杂、时间长、计算量大,但优点是可以获得非常详细流动信息,实现气热耦合计算,对温度场求解更加准确。国外实现了基于结构化网格与非结构化网格真实气膜孔仿真,例如:霍尼韦尔公司PaulVitt等(如图1)、美国加利福尼亚州空气动力中心RonHoNi等(如图2)、俄罗斯OJSCVictoriaKrivonosova等。(1)超高载荷叶片全三维设计随着对发动机性能、重量、可靠性、经济性等要求越来越高,涡轮叶片数量越来越少,涡轮叶片载荷也越来越高,涡轮处于跨音流动甚至超音流动状态,需开展超高载荷叶片全三维设计技术研发。其中,包括了叶片复合倾斜技术、叶片端弯技术、叶片端壁融合技术、宽弦叶片技术、支板与叶片融合设计技术、跨音叶型设计技术、超音叶型设计技术等。(2)非轴对称端壁技术非轴对称端壁技术将端壁造型从二维发展到三维,通过调整端壁三维曲面形状,能够有效减小涡轮二次流损失,从而提高涡轮效率。罗•罗公司是第一个开始研究与应用非轴对称端壁技术发动机公司,并申请相关专利,%左右。空客A380遄达900航空发动机低压涡轮部件(如图3)与先进中等推力E3E发动机核心机高压涡轮导叶及工作叶片端壁(如图4)均采用了该技术。MTU公司构建了一套非轴对称端壁设计体系。P&W公司是首个进行非轴对称端壁设计对冷却效率影响研究公司。