航空燃气涡轮发动机涡轮新技术.docx

《航空燃气涡轮发动机涡轮新技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航空燃气涡轮发动机涡轮新技术.docx（9页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、航空燃气涡轮发动机涡轮新技术航空熔气涡轮发动机涡轮部件的功能是将从燃烧室流出的高温燃气的热能和压力能转换成机械功，物动风扇、压气机和附件工作.在涡桨或涡轴发动机中,涡轮还用于骗动螺施桨或直升机的旋翼.按燃气流动方向.涡轮可分为轴流式和径流式.现代航空燃气涡轮发动机涡轮几乎都果用轴沌式.在轴流式涡轮中，根据转子照动的对象又可分为高压、中压和低压涡轮.涡轮部件是发动机中单位H1.玳以，II、最复杂、本钱最高的部件，所以，涡轮的设计目标是保证其应J1.J所需的耐久性前提下，在离性能和经济可承受性之间维持种平衡,为此，设计者们通过采用先进的气动、结构、冷却、龙度设计,以及新材料和新工艺等多种技术措施来

2、实现这一目标。涡轮CFD技术（1）等定常仿真技术非定常仿真技术足时一个时间周期内禹散瞬间的涡轮动静域流场进行求解,动静域之间采用直接数据传递的方式，能膨其实详细描述瞬态的涡轮内流场变化.Wi粉计算机技术的不断开展，现有的计W设备已能开展非定常仿真技术的大量研究工作.同部国外发动机公司不同程僮的采用了此j先进设计技术,如美国的IHPTET方案中将非定常仿0技术用于解决转子和陆子之间相互作用的机械激振，并将此技术用于F1.19发动机设计。近年来国外开展了凹惭顶部IMJK1.轴向气封间隙、热斑、尾透、气膜冷却等气动和传热非定常方面的研究和陶用.极大地提高涡轮川片设计水平.（2）U冷却仿真技术目前，工

3、程设计中广泛采用气脱冷却方式对涡轮叶片进行冷却.如何准确模拟冷气与主流的修混流动是准确评估冷却涡轮性能的关键所在。通常采用两种方式进行气膜冷却数做模拟。第一种是冷气喷射源顶法，它在叶片外表和端壁给定顺M、动录和能收源分布来考虑气膜冷却流动：该方法的优点是所需的工作业和计修时间较少、易于实现。第二种是口实气膜孔仿真方法，生成气膜孔甚至内腔网格，并对每个气腴孔甚至内腔流动均进行数值模拟：此方法划分网格更杂、时间长、计算出大，但优点足可以扶得非常详细的流动信息，实现气热播合计算对温度场的求解更加准确.国外实现了基于结构化网格和非结构化网格的真实气膜孔仿真,例如：霍尼韦尔公司的PaU1.Vm等（如图1

4、）、美国加利福尼亚州空气动力中心的ROnHoNi等（如图2）、俄罗斯OJSC的ViC1.OriaKriVonOSOVa等.由依然是中国心上传至TieXUe.Net囹片版权归原切情所育图1.HOneyWe1.1.气膜冷却非结构化网格三i图2.加利福尼业州空毛动力中心COde1.eO程序气热耦合求解结果三雉设计技术（1）超高荷叶片全三卷设计随着对发动机件能、重量、可就性、经济性等的要求越来越高,涡轮叶片数Ift越来越少.涡轮叶片栽荷也越来越1.涡轮处于跨音流动H至超音流动状态.需开展闻高钱荷叶片的全三.维i殳计技术研发.其中，包括了叶片红合侦铝技术、叶片端弯技术、叶片端壁融合技术、窕弦叶片技术、支

5、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）尊轴对称墙壁技术非轴时称然壁技术将端壁造型从:雉开展到三斑，通过调整端壁的三维曲面形状，能师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和应用非釉对称端壁技术的发动机公司,并申请相关专利，泥用非轴时称端地设计技术可提高涡轮效率1.0%左右。空客A38O迪达900航空发动机的低乐涡轮部件（如图31和先进中等推力E3E发动机核心机的高庆涵轮导叶及工作叶片端壁（如图4）均采用了该技术.MTU公司构也f-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的公司.困3.送达900发动机低压

6、涡轮非轴时称端嬖图4.E3E发动机高压涡轮动叶端壁高效冷却叶片设计(I)”冷叶片技术铸冷叶片源于艾利逊公司的“CastcooP慨含，它是种可以一次铸造H1.内部复杂形状的加工方法。利用CaSICod可以将卜分更杂的冷却结构一次铸成在单晶部件（如漏轮叶片）之内，同时，在IHPTET方案中A1.1.iscn公司研发了一种1.ami1.1.oy冷却方案，此方案为多孔层板材料叶片。在IHPTEr方案第二阶段,CaStCOOI技术,1.ami1.1.Oy冷却方案结合.研制出了棒冷上下味叶片（如图5,叶片前绿和尾缘采用气胰冷却,而叶片其余用部那么采用双层壁1.ami1.Ioy冷却），并在CAESAR验证机

7、中进行了强度和冷却试uE,图5.高、低压涡轮惨冷工作叶片（2）超冷叶片技术胡冷叶片源于普惠公司的飞UPCrCOding”概念.闻冷叶片有几百个华造的或激光打的小孔,外形与常规冷却叶片样，但其内部是用CFD方法设计的.在IHPTET方案第：阶段，在CAESAR核心机中时制冷叶片技术进行了试粉舲证（如图6）,并将此技术成功转化至F1.19核心机中验证.同时，P&W公司在f35发动机的裔压涡轮上采用超冷技术,冷却效率提薪20%。此技术己在F1.36、PWsooo发动机高压涡轮叶片得到了应用.图6.IHPTET方案开发的内部强对流冷却涡轮叶片先进结构设计（1）上下压海轮对转技术上下压对转涡轮结构是高负

8、荷球级高压涡轮后接对转无导叶低质涡轮.IHPTEr方案中的GE公ECOPE涡轮方案验证了这一技术.F136发动机就果用了此结构.F1.19发动机Irt然也使用了上下压涡轮反转技术，但其高压涡轮和低压涡轮之间仍带布导叶.无导叶对转涡轮技术不仅可用在军用涡扇发动机上，也可用于民用涡电发动机，（2）双幅板/轮盘采用当前的锹集合佥制造的常规（单辎板）高压涡轮找其AN2值己到达极限，面临的同面是，提高AN2他必须有突破性技术的支持。因此，双输板盘（图7）成为提裔AN2的研究重点。双隔板盘在结构传力路线和AN2方面比常规高压涡轮盘有明显的优势.普忠公司在先进涡轮发动机耨气发生器XTC67“上试验J焊接的双

9、场板高乐涡轮盘技术,5金证了涡轮盘中量减轻17%.同时转速提高9%.图7.IHPTET中双$板涡轮接（3）可交面积n轮导向叁GE开展了四代变循环发动机：在第：代变循环发动机（GE21）的研制中实现了可谓面积低压涡轮导向器技术突破：在笫三代变箭环发动机（F120）的研制中实现了可脚面枳高压涡轮导向器技术突破，并实现了发动机空中试E的证：第四代变砧环发动机是CoPE方案，在GE与艾利逊公司（AADC）（RR参与）联合研究的COPE方案中关健技术之一就是高效可谓面积商庆涡轮导向器,采用了种独特的凸轮先动结岗解决过去变面积导向器的冷却漏”引起的性能制失问时.能使局部推力状态下SFC降低1O%25%,1

10、1本在高超声速运输机推进系统研究方案下研究的组合循环发动机，其低速推进系统选用变循环涡扇发动机,低压涡轮采用了可变面枳导向器，用于控制发动机的涵遒比和调整而/低压涡轮的功率分配。先进耐高温材料与工艺（1）陶登基复合材料陶瓷基史合材料在不带冷却的条件卜耐温能力高达1650K以上,密度却是传统叶片材料的三分之一.热膨胀系数是传统探基合金的四分之一.在大型军用涡域发动机中,目前已经得到成功脸证的陶立基契合材料涡轮部件主要有：涡轮间过渡段机便部件，使冷却空气减少了100%,重量减轻50%：低压涡轮导叶，减JR的同时减少了冷却气流；离压海轮空心呼叶，与典型的集旗合金导叶相比，iRM减轻50%,冷却空气崎

11、僦少20%。美国在IHPTET方案卜开发了无冷却陶瓷基低压涡轮和端壁（如图8）,并己用于FI36发动机未来开展里。图8.IHPTET方案开发的陶沦基低压涡轮叶片和陶比基涡轮端壁（2）高同化合物金屈间化合物具有啦减轻、耐裔温、提高部件效率等优点，在涡轮部件中的应用主要是低压涡轮后面几娘的叶片。具体的研究时象主要有：钛铝、铝铝、二硅化钳,二硅化银。涡轮叶片历来用铸造，为了减轻重址而采用金属间化合物材料.使涡轮部件结构和设计复杂化.从而改变/涡轮叶片的加工技术.（3）热障涂层热隙涂层应用对象是工作温度超过125OC的涡轮工作叶片外表。电子束物理气相沉枳热隙涂层具有良好的热疲劳特性，可用于高压涡轮叶片

12、，微层压（MiE）1.amina热障涂层可用于涡轮导向叶片和工作叶片。这些先进热障涂层的导热率和重量都大大降低,能有效提高涡轮叶片的工作温度，保证叶片寿命.目前.国外正在研制耐温水平150度以上的热障涂层.叶尖间隙主动控制技术涡轮叶尖间隙主动控制技术是一项通过控制涡轮叶尖间覆的变化来降低发动机耗油率、污染物的排放,提高可席性和延长使用方命的正要技术措施.高压涡轮叶尖间隙减小0.254磋米可减小1%的耗油率，持气温度诚低10。C主动间隙控制的目标就是让涡轮叶尖间胤在发动机工作过程中,尤其是在巡航状态下保持一个最小（ft.同时乂能保证在整个发动机飞行包线内叶尖和涡轮外环不会发生碰磨.在高压涡轮采用

13、主动间隙控制比压气机和低压涡轮彳I更加突出的好处,减小高”涡轮叶尖间隙所得的效益是低压涡轮的4倍，高压压气机的2倍,而在运输机上族知的效益又是成年机的2倍.在大涵道比航空惚气涡轮发动机上广泛采用主动间隙控制技术。Hnif,热控制方法的主动间隙控制得到了广泛的应用。如CFM56、PW4000.V25OO.GE90等都采用的是主动热控制方法。但由于主动热控制方法存在响应速度微I1.无反应信息，而无法精确控制间隙的原因，国外正在大力开展机械控制、压力控制等研究和蛤证，预计在不久的将来这些新的主动间陞控制方法会在大涵道比航空发动机和航改燃机上得到广泛应用。先进制式封严技术刷式封严技术最初是上世纪七十年

14、代初英国罗罗公司提出的一种新型密封技术，这种新型密门结构可大大降低航空发动机空气系统的气流埴拐失.增加推力，降低耗油率，显著提高发动机性能.制式封产是一种接触式密封,与传统的篦齿封严相比.重Ia轻、易于更换.GE公司的试脸说明制式密封的泄混救只有篦齿密封的5%10%.馅国MTU公诃的研究也发现,用刷式封严代竹压气机和湖轮处的第山时严.那么发动机的泄漏量可减少80%,相应的发动机耗油量能战小至少1%.1989年V25（XbAI发动机成为以制式密对取得执照的第一台生产型航空发动机,英国牛津大学于1990年提出了“压力平衡型低滞后效应的制式封严”的。利设计,这种结构己经在GE90发动机的试粉中通过了

15、险证,在高密封压力、高环境温度和高外衣速发的环境下,蒯式封严存在刷统掉毛现象,同时也存在密封的滞后效应.MTU研制了一种新型的刷式封产结构以解决此问起.涂层的后处理工艺与超厚涂层.5:2011-08-29|作者：|朱海：WonghU|6日582次|用户关注：涂层的后处理:艺的石现在刀具切削速慢越来越高X户对涂层崂敏，性能要求也越未越高,不仅要求涂层真力&暧慢,耐磨性,同时也对力以外农光洁度,被加工产丛的外表光洁皮妾求也抬来&跖.因此，涂信的后处理工艺开始受刎人们的广泛关注。该技术主要是针对不M1.刀具标层后，再通过专用i2备时涂层“其外衣进行研光处理,通过这种处理的深层刀八寿命M在件通深层刀具

16、寿命的根底上再提询20%-100%左右.通过这种后处耳!.完全可以涂层的后处理工艺随着现在刀具切削速度越来越高客户对涂层质量，性能要求也越来越高,不仅要求涂层具有超硬度，耐磨性，同时也对刀具外表光洁度，被加工产品的外表光洁度要求也越来越高。因此，涂层的后处理工艺开始受到人们的广泛关注.该技术主耍是针对不同刀具涂乂后，再通过专用设备对涂层刀具外表进行研磨抛光处理，通过这种处理的涂层刀具寿命可在普通涂层刀具寿命的根底上再提高204100%左右。通过这种后处理，完全可以解决电弧蒸发工艺过程中产生的微颗粒现象。众所周知，电弧蒸发工艺可以产生超强的能量，是任何其他工艺所不可比较的,通过电弧蒸发工艺产生的能量辐射面