几何可调的涡轮扇形叶栅气动性能研究
发布时间：2021-03-20 16:02
未来航空武器平台将朝着全空域、宽速域、超机动等方向发展,这就要求动力系统能够在较宽的范围内维持部分负荷下的稳定高效运行。变几何涡轮技术即是支撑动力系统实现宽范围变负荷运行的关键之一。变几何涡轮常见的一种技术措施是采用导叶调节机构控制涡轮导向器的喉道面积,进而控制流量以适应发动机的工况变化。为了确保导向器叶片在一定范围内角度连续可调,需要在叶片的上下端壁区域预留适当的间隙,这将引发叶尖泄漏流动及其与端区二次流的相互作用,不但导致流场结构更为复杂,还将引起额外的流动损失。此外导叶调节机构在叶顶间隙内将引发泄漏流动的扰流,进一步增加了上述问题的复杂性。因此研究变几何涡轮的流动机理,掌握损失规律,对变几何涡轮技术的进一步发展具有重要意义。本文首先开展了某型发动机带可调导叶的涡轮扇形叶栅试验研究。采用UG软件进行了扇形叶栅试验件的设计,为了便于控制进口导叶的角度,本文采用连杆结构并配合刻度盘进行导叶调节。在此基础上,完成了试验叶栅气动参数采集方案的设计。在气动试验研究中,本文具体开展了不同攻角方案（7°、-3°、-7°）和不同的等熵出口马赫数（0.65、0.75、0.85）下的流场参数测量,重点...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WR-21变几何涡轮结构[14]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-9-集装箱船的航行燃料消耗，研究结果表明，采用双轴燃气轮机和VAN控制的联合循环是一种有前途的替代方案。对于通常以较高平均等级航行的船舶，如油轮和运输船，具有VGV控制的单轴燃气轮机配置的联合循环被认为是同样好的选择。图1-2相对燃气轮机热效率与燃气轮机负荷的关系[16]Vlaskos[20]对具有可变几何形状（VTG）的新型ABBTPL65涡轮增压器的主要性能特点进行了研究，对TPL65-VTG涡轮增压器在大范围的流量下进行了性能测量。涡轮效率比具有固定几何形状的TPL65涡轮驳船低至多3%。这些损失是由于密封空气和可变涡轮几何形状中的固有间隙造成的。喷嘴叶片关闭得越多，损失就越大。总的来说，低水平的损失表明了这个概念的合理性和有效性。此外，在中速柴油发动机上对TPL65-VTG进行的部分负荷测试结果表明，采用VTG发动机涡轮增压系统比起标准涡轮增压系统能明显地减少燃油消耗，并在整个发动机工作范围内提高了截留过量空气比。后者意味着这可以有效地降低船用发动机的典型热负荷，同时将碳烟排放保持在非常低的水平。这表明，装有VTG发动机有望在潜在的无烟瞬态发动机运行情况下实现非常大的发动机加速。1.3.2国内研究进展国内的变几何涡轮方面研究较国外起步较晚，大约上世纪90年代，国内的专家学者们陆续开始注意到变几何涡轮结构的研究和应用。最开始国内的专家学者同样地将眼光放在了军用战斗机和航天领域，因为它们都必须要在宽广的马赫数和高度范围内飞行，所以就提出必须要使发动机在适应这些变化状态的同时依然能够保持良好的性能，这就要求发动机内部灵活调节。通过使用以变几何涡轮为核心部件的变循环发动机，来控制发动机的流量即推力，从而调节发动机的工作点，以达到适应飞行变化的目的[
浠?６杂谧杂晌新值枷蛞镀?的上游级，离它们越远，它们受到的影响越校许晶莹等人[28]研究了涡轮变几何对涡轮整体性能的影响，分析了低压涡轮叶片的载荷状态，获得了叶片高度的20%、50%和80%处的无量纲静压分布如图1-4。能够看出，虽然高压导叶旋转角度不同，但低压涡轮叶片表面的静压分布也基本上是趋于一致。可调导叶的旋转角度改变时，低压涡轮叶片排表面静压分布的明显差异主要体现在叶片前缘的某一叶片高度上。这主要归因于可调导叶旋转时的叶片进口角度变化影响了前缘的静压分布。a)20%叶高b)50%叶高c)80%叶高图1-4不同导叶旋转角度下的导叶表面静压分布[28]刘顺隆等人[29]对某型具有可调导叶设计的船用燃气轮机变几何动力涡轮进行了全流场的三维粘性数值模拟。图1-5显示了在设计转速、压比工况下，不同的导叶转角引起的动叶中部S1流面的流线变化。可以看出，当旋转角逐渐减小时，动叶片就会逐渐以相对较大的正攻角运行；当旋转角逐渐增大时，动叶片就会逐渐以大的负攻角运行。而不管大的正攻角或大的负攻角，该角度都会导致动叶流道的分离。可调导叶级动叶栅如果在较大的正攻角下工作，就会在叶栅的吸力面上形成大范围的涡流区；在大负攻角下工作时，又会在压力面上形成大涡区。相比之下，正攻角下的流动分离强度尺度明显很大，但随着负攻角的增大，其压力前缘也将经历封闭分离并逐渐增大；这是因为气流来不及被惯性转动，而是分别被吸力面或压力面的分支气流挤压，导致叶片靠近壁面的主流方向发生很大的变化和加速，于是叶栅的头部发生分离。这会严重降低叶栅的气动性能。因此，可调导叶角度的确定及其级间的匹配对变几何动力涡轮的气动设计是十分重要的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微型冲动式部分进气涡轮机的流场特性及气动损失[J]. 蒋彬,罗凯,郑涛. 热能动力工程. 2015(06)
[2]高压涡轮变几何对高低压涡轮流场匹配及气动性能的影响[J]. 许晶莹,乔渭阳,黄鹏. 推进技术. 2015(08)
[3]基于Bezier曲线的涡轮叶片参数化造型及优化设计[J]. 张晓东,余世敏,龚彦,杨文武,周权. 机械强度. 2015(02)
[4]发动机导叶和涡轮叶片性能衰退的数值研究[J]. 李冬,张文,嵇明钊,吕乙婷. 燃气轮机技术. 2015(01)
[5]尾缘流量分配对涡轮叶片内冷通道换热影响的实验研究[J]. 梁卫颖,朱惠人,张丽,许都纯. 西安交通大学学报. 2015(05)
[6]球面端壁造型变几何涡轮流场和性能数值研究[J]. 黄鹏,乔渭阳,魏佐君,刘建. 机械与电子. 2014(05)
[7]导叶可调式液力变矩器的内流场数值分析[J]. 谢清乐,李奇敏. 计算机仿真. 2013(08)
[8]变几何涡轮对涡轮气动性能的影响研究[J]. 潘波,白创军,赵洪雷,刘锡阳,谭春青. 燃气轮机技术. 2012(03)
[9]IHPTET计划的先进项目管理方法[J]. 王巍巍,郭琦,黄顺洲. 燃气涡轮试验与研究. 2011(02)
[10]可转导叶级对多级轴流涡轮特性的影响[J]. 惠宇,宋华芬. 燃气轮机技术. 2008(03)
硕士论文
[1]变几何涡轮气动性能研究[D]. 谭善文.哈尔滨工程大学 2014
[2]变几何涡轮性能研究[D]. 宋万强.哈尔滨工程大学 2011
本文编号：3091273
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WR-21变几何涡轮结构[14]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-9-集装箱船的航行燃料消耗，研究结果表明，采用双轴燃气轮机和VAN控制的联合循环是一种有前途的替代方案。对于通常以较高平均等级航行的船舶，如油轮和运输船，具有VGV控制的单轴燃气轮机配置的联合循环被认为是同样好的选择。图1-2相对燃气轮机热效率与燃气轮机负荷的关系[16]Vlaskos[20]对具有可变几何形状（VTG）的新型ABBTPL65涡轮增压器的主要性能特点进行了研究，对TPL65-VTG涡轮增压器在大范围的流量下进行了性能测量。涡轮效率比具有固定几何形状的TPL65涡轮驳船低至多3%。这些损失是由于密封空气和可变涡轮几何形状中的固有间隙造成的。喷嘴叶片关闭得越多，损失就越大。总的来说，低水平的损失表明了这个概念的合理性和有效性。此外，在中速柴油发动机上对TPL65-VTG进行的部分负荷测试结果表明，采用VTG发动机涡轮增压系统比起标准涡轮增压系统能明显地减少燃油消耗，并在整个发动机工作范围内提高了截留过量空气比。后者意味着这可以有效地降低船用发动机的典型热负荷，同时将碳烟排放保持在非常低的水平。这表明，装有VTG发动机有望在潜在的无烟瞬态发动机运行情况下实现非常大的发动机加速。1.3.2国内研究进展国内的变几何涡轮方面研究较国外起步较晚，大约上世纪90年代，国内的专家学者们陆续开始注意到变几何涡轮结构的研究和应用。最开始国内的专家学者同样地将眼光放在了军用战斗机和航天领域，因为它们都必须要在宽广的马赫数和高度范围内飞行，所以就提出必须要使发动机在适应这些变化状态的同时依然能够保持良好的性能，这就要求发动机内部灵活调节。通过使用以变几何涡轮为核心部件的变循环发动机，来控制发动机的流量即推力，从而调节发动机的工作点，以达到适应飞行变化的目的[
浠?６杂谧杂晌新值枷蛞镀?的上游级，离它们越远，它们受到的影响越校许晶莹等人[28]研究了涡轮变几何对涡轮整体性能的影响，分析了低压涡轮叶片的载荷状态，获得了叶片高度的20%、50%和80%处的无量纲静压分布如图1-4。能够看出，虽然高压导叶旋转角度不同，但低压涡轮叶片表面的静压分布也基本上是趋于一致。可调导叶的旋转角度改变时，低压涡轮叶片排表面静压分布的明显差异主要体现在叶片前缘的某一叶片高度上。这主要归因于可调导叶旋转时的叶片进口角度变化影响了前缘的静压分布。a)20%叶高b)50%叶高c)80%叶高图1-4不同导叶旋转角度下的导叶表面静压分布[28]刘顺隆等人[29]对某型具有可调导叶设计的船用燃气轮机变几何动力涡轮进行了全流场的三维粘性数值模拟。图1-5显示了在设计转速、压比工况下，不同的导叶转角引起的动叶中部S1流面的流线变化。可以看出，当旋转角逐渐减小时，动叶片就会逐渐以相对较大的正攻角运行；当旋转角逐渐增大时，动叶片就会逐渐以大的负攻角运行。而不管大的正攻角或大的负攻角，该角度都会导致动叶流道的分离。可调导叶级动叶栅如果在较大的正攻角下工作，就会在叶栅的吸力面上形成大范围的涡流区；在大负攻角下工作时，又会在压力面上形成大涡区。相比之下，正攻角下的流动分离强度尺度明显很大，但随着负攻角的增大，其压力前缘也将经历封闭分离并逐渐增大；这是因为气流来不及被惯性转动，而是分别被吸力面或压力面的分支气流挤压，导致叶片靠近壁面的主流方向发生很大的变化和加速，于是叶栅的头部发生分离。这会严重降低叶栅的气动性能。因此，可调导叶角度的确定及其级间的匹配对变几何动力涡轮的气动设计是十分重要的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]微型冲动式部分进气涡轮机的流场特性及气动损失[J]. 蒋彬,罗凯,郑涛. 热能动力工程. 2015(06)
[2]高压涡轮变几何对高低压涡轮流场匹配及气动性能的影响[J]. 许晶莹,乔渭阳,黄鹏. 推进技术. 2015(08)
[3]基于Bezier曲线的涡轮叶片参数化造型及优化设计[J]. 张晓东,余世敏,龚彦,杨文武,周权. 机械强度. 2015(02)
[4]发动机导叶和涡轮叶片性能衰退的数值研究[J]. 李冬,张文,嵇明钊,吕乙婷. 燃气轮机技术. 2015(01)
[5]尾缘流量分配对涡轮叶片内冷通道换热影响的实验研究[J]. 梁卫颖,朱惠人,张丽,许都纯. 西安交通大学学报. 2015(05)
[6]球面端壁造型变几何涡轮流场和性能数值研究[J]. 黄鹏,乔渭阳,魏佐君,刘建. 机械与电子. 2014(05)
[7]导叶可调式液力变矩器的内流场数值分析[J]. 谢清乐,李奇敏. 计算机仿真. 2013(08)
[8]变几何涡轮对涡轮气动性能的影响研究[J]. 潘波,白创军,赵洪雷,刘锡阳,谭春青. 燃气轮机技术. 2012(03)
[9]IHPTET计划的先进项目管理方法[J]. 王巍巍,郭琦,黄顺洲. 燃气涡轮试验与研究. 2011(02)
[10]可转导叶级对多级轴流涡轮特性的影响[J]. 惠宇,宋华芬. 燃气轮机技术. 2008(03)
硕士论文
[1]变几何涡轮气动性能研究[D]. 谭善文.哈尔滨工程大学 2014
[2]变几何涡轮性能研究[D]. 宋万强.哈尔滨工程大学 2011
本文编号：3091273
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