基于S1/S2流面耦合理论的航空发动机流道设计技术与研究
发布时间：2021-11-03 14:27
发动机气动流道设计是在航空发动机设计初期确定发动机主要部件（风扇、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、喷管）的流道尺寸,以供发动机总体结构与内部各部件设计调用,是发动机初步设计时的核心任务。通过对流道的计算可以在方案论证阶段对整机尺寸有较为全面的掌握,确定总体方案能否满足设计要求。在整个设计过程中,流道和各部件设计需多次迭代和协调完成。精确合理的发动机2D流道初步设计方法能准确预估发动机内部各部件的性能和尺寸,从而有效缩短迭代设计时间,同时基于流道设计结果和流道通流计算的2D总体性能研究也是发动机总体性能研究的发展趋势。本文主要研究基于S1/S2流面耦合理论的航空发动机流道设计技术,确定特征截面马赫数作为贯穿流道设计的核心参数,开发了基于特征截面马赫数给定下的发动机流道设计方法。为保证流道的光滑性,流道选用三阶贝塞尔样条曲线构型。本文根据某航改燃气轮机总体性能参数,应用S1流面叶轮机械设计方法设计了燃气轮机流道和压气机、涡轮叶型。本文改进了课题组原有S2通流计算程序并进行了验证,提高了一定的计算精度。随后,在NASA Rotor67、某3.5级风扇和普惠E3高压涡轮三个算例中验证了基于周...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
某小涵道比涡扇发动机整机流道图
S1/S2 耦合的 CFD 计算方法分析总体性能、优化设计有很好的性价比。1.3 国内外研究现状发动机流道设计方面的研究一直没有受到应有的重视，国内外学者对流道设计并没有进行太多深入研究。但是已有部分学者开始将目光锁定流道设计相关研究，提出了发动机流道设计的思路以及设计过程中需要遵循的设计准则。现阶段国内外流道初步设计多采用给定发动机热力循环参数，再结合其它设计准则和设计参数来确定发动机流道的方法。具体来说，首先给定发动机各个特征截面的流量和马赫数；然后结合轮毂比、载荷系数等设计参数和压气机、涡轮等中径等部件的设计准则确定各个特征截面尺寸；最后确定各个部件的长度，再连接各个部件构造发动机流道，其中通过各部件的详细设计来确定各部件的轴向长度。值得注意的是，在整个流道设计过程中时刻需要保证压气机和涡轮的功率平衡、转速平衡关系，保证各部件流道流量平衡。国内郑恒斌等[21]以得到最大发动机推力为目标，基于 Isight 优化平台并结合涡轮风扇发动机的重要设计准则，优化了某大涵道比涡扇发动机的尺寸参数、热力循环参数和总体性能参数，并以此为依据确定了发动机的几何尺寸，初步得到了整个发动机的流道。
涡轮研究院的龚晓庆[22]基于现有设计流程和设计体系，结合发动机各部发动机设计技术水平以及未来发展趋势，综合了某些强度和结构参数的应关系等因素，发展了一种军用小涵道比涡扇发动机流道设计方法，并设计了下一代推重比 12~15 军用涡扇发动机气动流道。龚晓庆在论文中截面马赫数作为流道设计的重要设计参数，同时，她还列举了很多叶轮，如高压涡轮 An2值的范围，风扇进口叶尖切线速度的选取范围，压气上限。这些叶轮机械准则在设计流道过程中都非常实用，但龚晓庆没有械的设计方法。比了 GEnx 和 Trent1000 的发动机流道，发现双转子增压级流道显著高流道。对于双转子布局而言抬高增压级的流路半径的目的是获得更高的升增压级的压比。但是双转子和三转子两种布局都无法解决风扇和低压，因此它们都需要采用尺寸巨大且沉重的多级低压涡轮来带动大尺寸的菲尔德大学的 S. Muhammad[24]等针对大涵道比涡扇发动机，从飞机对发化选择发动机的热力循环参数，根据发动机的性能参数提出了三转子布机流道初步设计方法。
【参考文献】：
期刊论文
[1]GEnx和Trent1000发动机流路与承力机匣对比分析[J]. 徐雪. 沈阳航空航天大学学报. 2014(04)
[2]发动机引气对性能参数的影响[J]. 孙滨. 科协论坛(下半月). 2012(11)
[3]大涵道比涡扇发动机循环参数和几何流路优化设计[J]. 郑恒斌,王占学,蔡元虎. 机械设计与制造. 2010(12)
[4]普惠E3高压涡轮级气动性能验算[J]. 向传国,王彬,卿雄杰. 燃气涡轮试验与研究. 2009(03)
[5]航空发动机高速滚珠轴承力学特性分析与研究[J]. 唐云冰,高德平,罗贵火. 航空动力学报. 2006(02)
[6]航空动力发展的历史性机遇[J]. 刘大响. 航空发动机. 2005(02)
[7]“系列核心机及派生发展”的航空发动机发展思路[J]. 江和甫,黄顺洲,周人治. 燃气涡轮试验与研究. 2004(01)
[8]美国推进系统数值仿真（NPSS）计划综述[J]. 金捷. 燃气涡轮试验与研究. 2003(01)
博士论文
[1]燃气轮机全通流数值模拟研究[D]. 李义进.哈尔滨工程大学 2012
[2]考虑设计迭代的快速研制系统任务可靠性研究[D]. 史宪铭.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]基于2D流道设计下的发动机总体性能研究[D]. 吴明峰.南京航空航天大学 2017
[2]通流模型在组合压气机设计与分析中的应用[D]. 杨晓锋.南京航空航天大学 2016
[3]航空发动机转子系统的参数化设计及组合优化方法研究[D]. 付尧.南京航空航天大学 2016
[4]涡扇发动机气动流道优化设计技术研究[D]. 龚晓庆.电子科技大学 2011
本文编号：3473853
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
某小涵道比涡扇发动机整机流道图
S1/S2 耦合的 CFD 计算方法分析总体性能、优化设计有很好的性价比。1.3 国内外研究现状发动机流道设计方面的研究一直没有受到应有的重视，国内外学者对流道设计并没有进行太多深入研究。但是已有部分学者开始将目光锁定流道设计相关研究，提出了发动机流道设计的思路以及设计过程中需要遵循的设计准则。现阶段国内外流道初步设计多采用给定发动机热力循环参数，再结合其它设计准则和设计参数来确定发动机流道的方法。具体来说，首先给定发动机各个特征截面的流量和马赫数；然后结合轮毂比、载荷系数等设计参数和压气机、涡轮等中径等部件的设计准则确定各个特征截面尺寸；最后确定各个部件的长度，再连接各个部件构造发动机流道，其中通过各部件的详细设计来确定各部件的轴向长度。值得注意的是，在整个流道设计过程中时刻需要保证压气机和涡轮的功率平衡、转速平衡关系，保证各部件流道流量平衡。国内郑恒斌等[21]以得到最大发动机推力为目标，基于 Isight 优化平台并结合涡轮风扇发动机的重要设计准则，优化了某大涵道比涡扇发动机的尺寸参数、热力循环参数和总体性能参数，并以此为依据确定了发动机的几何尺寸，初步得到了整个发动机的流道。
涡轮研究院的龚晓庆[22]基于现有设计流程和设计体系，结合发动机各部发动机设计技术水平以及未来发展趋势，综合了某些强度和结构参数的应关系等因素，发展了一种军用小涵道比涡扇发动机流道设计方法，并设计了下一代推重比 12~15 军用涡扇发动机气动流道。龚晓庆在论文中截面马赫数作为流道设计的重要设计参数，同时，她还列举了很多叶轮，如高压涡轮 An2值的范围，风扇进口叶尖切线速度的选取范围，压气上限。这些叶轮机械准则在设计流道过程中都非常实用，但龚晓庆没有械的设计方法。比了 GEnx 和 Trent1000 的发动机流道，发现双转子增压级流道显著高流道。对于双转子布局而言抬高增压级的流路半径的目的是获得更高的升增压级的压比。但是双转子和三转子两种布局都无法解决风扇和低压，因此它们都需要采用尺寸巨大且沉重的多级低压涡轮来带动大尺寸的菲尔德大学的 S. Muhammad[24]等针对大涵道比涡扇发动机，从飞机对发化选择发动机的热力循环参数，根据发动机的性能参数提出了三转子布机流道初步设计方法。
【参考文献】：
期刊论文
[1]GEnx和Trent1000发动机流路与承力机匣对比分析[J]. 徐雪. 沈阳航空航天大学学报. 2014(04)
[2]发动机引气对性能参数的影响[J]. 孙滨. 科协论坛(下半月). 2012(11)
[3]大涵道比涡扇发动机循环参数和几何流路优化设计[J]. 郑恒斌,王占学,蔡元虎. 机械设计与制造. 2010(12)
[4]普惠E3高压涡轮级气动性能验算[J]. 向传国,王彬,卿雄杰. 燃气涡轮试验与研究. 2009(03)
[5]航空发动机高速滚珠轴承力学特性分析与研究[J]. 唐云冰,高德平,罗贵火. 航空动力学报. 2006(02)
[6]航空动力发展的历史性机遇[J]. 刘大响. 航空发动机. 2005(02)
[7]“系列核心机及派生发展”的航空发动机发展思路[J]. 江和甫,黄顺洲,周人治. 燃气涡轮试验与研究. 2004(01)
[8]美国推进系统数值仿真（NPSS）计划综述[J]. 金捷. 燃气涡轮试验与研究. 2003(01)
博士论文
[1]燃气轮机全通流数值模拟研究[D]. 李义进.哈尔滨工程大学 2012
[2]考虑设计迭代的快速研制系统任务可靠性研究[D]. 史宪铭.国防科学技术大学 2006
硕士论文
[1]基于2D流道设计下的发动机总体性能研究[D]. 吴明峰.南京航空航天大学 2017
[2]通流模型在组合压气机设计与分析中的应用[D]. 杨晓锋.南京航空航天大学 2016
[3]航空发动机转子系统的参数化设计及组合优化方法研究[D]. 付尧.南京航空航天大学 2016
[4]涡扇发动机气动流道优化设计技术研究[D]. 龚晓庆.电子科技大学 2011
本文编号：3473853
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