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工程热物理研究所压气机旋转失速钻探收获进展

发布时间:2019-06-29 02:21编辑:www.599588.com浏览(110)

    封严涂层广泛应用于航空发动机风扇、压气机和涡轮,起到保护转动部件,减小间隙和提高效率的作用。以一台典型的涡扇发动机为例,高压涡轮与机匣间隙每减少0.254mm,涡轮效率提高约1%;压气机的径向间隙每增加0.076mm,单位耗油率增加约1%。由于应用工况的特殊性,高速、高温和断续刮擦,封严涂层与叶片这一摩擦副的摩擦学行为缺乏系统研究,导致实际应用中出现叶片磨损、涂层材料粘附叶片等威胁发动机运行安全的问题;封严涂层的设计、制备和应用也缺乏必要的理论指导和数据支撑。

    New Features of Next Generation Commercial Engine陈 文为了满足航空公司不断要求降低运营成本和环保部门日益严格的环保要求,发动机制造商必须研制性能更加优化、控制更加智能化和对环境更加友好的航空发动机。为此,GE、普惠、罗-罗和斯奈克玛等公司都制订了不同的研究计划以达到"三化"要求为了满足对航空发动机的"三化"要求,欧美的大发动机公司独自或合伙开展研发工作,并制订了一些近期及中期计划,如美国GE公司的"GEny"计划、普惠公司的绿色发动机计划、罗-罗公司的经济可承受和低排放计划以及20年远景计划(Vision 20)。其他还有斯奈克玛公司、MTU、沃尔沃等公司也有自己的计划或参与上述三大公司的计划。这些计划彼此有共同之处,但各自又有侧重。性能更优化新一代民用发动机性能优化主要通过对现有发动机的结构设计进行优化,或者采用更加新颖的方案。如采用同轴对转风扇、增加热交换器和取消附件齿轮箱等。在风扇方面,目前正在对两级对转复合材料风扇进行大力开发。这种风扇可大大降低噪声水平,因为它的直径显著减小,从而相应降低叶尖速度(叶尖速度接近声速时,它是噪声的主要来源)。两级对转风扇的难点是封严件及轴承,后者必须能承受两倍于现有轴承的转速。不过近两年在两级风扇间的气动交互作用认识方面已取得进展。"GenY"计划的两级对转风扇的验证虽然尚未完成,但目前正在进行单级风扇的台架试车。法国斯奈克玛公司也在进行这种风扇的研究(Vital研究计划),用的是传统的风扇和齿轮风扇系统方案,两者以不同速度转动。由于转速降低,对转风扇的优势是气动载荷减小,不过这种系统目前还显得过于复杂。Vital计划除斯奈克玛外,还有意、德、英、瑞典等国的公司参加。目前的重点放在低压级上,该计划的年预算只有9500万欧元,比美国少得多,因此只限于进行部件或样件水平的研究,尚谈不上进行全尺寸验证机的研究。普惠公司仍然偏好齿轮风扇方案。由MTU、菲亚特和普惠加拿大公司开发的先进技术风扇整体验证机已完成并运转两年,但尚未受到市场的追捧。斯奈克玛公司还在其他研究方面取得进展,如对发动机低压轴的研究,目标是用先进材料以便在不加大直径情况下传递更大的载荷,目前设想的方案包括用陶瓷基复合材料或将轴的各段采用不同的合金来制造。在压气机方面,GE公司的重点是高压压气机,目标是采用6级构形方案,压比达20。为改善压气机或其他部位的空气动力,正在研究附面层吹除技术以降低附面层厚度。另外,为提高低压压气机强度将用纳米铝合金。罗-罗公司在ANTLE计划中将验证机的高压压气机级数减到5级,并与低压及中压组件对转。体现了压气机简化但涡轮复杂的总趋势。改进性能的另一技术是用超快作动的可调导流叶片进行主动喘流控制。装在高压压气机上的传感器可用来检测喘流的起始,从而对导流叶片角度进行调节,使喘振裕度减小和提高效率。在高压涡轮方面,GE公司的目标是实现5.5的膨胀比,研究如何提高工作叶片上的气动载荷。斯奈克玛公司正在研究冷却的强化以及热障涂层的开发;GE公司则开发了一种新的叶片涂层。估计今后这些公司还将开发出热交换系数低的热障涂层以提高叶片寿命、提高涡轮进口温度和简化冷却系统。与此同时,普惠公司也研究采用钛铝合金之类的材料来提高涡轮的耐高温能力,从而提高工作温度或延长设计寿命。罗-罗公司在ANTLE计划中的高压涡轮温度比现有的高,需用的冷却气流少,其他特点是带冷却的中压涡轮及变几何形状的出口导向叶片。罗-罗公司在其20年远景计划中打算研究减小尺寸和提高效率的高压涡轮组件。在低压涡轮方面,未来的趋势是采用对转模式以提高效率。罗-罗公司的ANTLE计划中的低压涡轮为4级,导向叶片与机匣用一新的生产工艺制成一单体结构。除了在整机结构设计优化外,在附件方面也在进行设计优化或采用新的装置。例如,目前的发展方向之一是"全电发动机"。估计在10年内起动/发电机有可能代替今日的空气起动机,后者目前仍是与发电机分开的。据说5年后,这种起动/发电机可能安装在发动机轴上。另外,电燃油泵也可望代替目前的流体力学设计结构。从长期看来,发动机将提供除冰用空气及电力从而可取消附件齿轮箱以及大量减少引出气流的必要性。电驱动机的应用将使液压线路得以取消从而提高可靠性、灵活性和降低运营成本。值得一提的是霍尼韦尔公司的RE50辅助动力装置,它开创了用起动/发电机组合装置代替含油的齿轮辅助动力装置的先例,该装置相当轻,只有23~27千克,用于小型公务机是合算的,因不需要地面动力装置即可对飞机进行起动。虽然RE50只是起动/发电机仍不是发动机,但这是航空燃气涡轮首次采用这种装置,并可望在2005年投入使用。采用热交换器是提高发动机效率的另一措施,MTU及罗-罗公司都进行了这方面的开发。前者为欧洲的CLEAN计划推出了首台热交换器。据介绍,它是一种有散热器的蓄热式航空发动机系统,它利用从低压涡轮排出的气体来提高进入燃烧室的温度从而减少油耗。散热冷却器也降低高压压气机出口气流的温度并随后在出口段的蓄热器进行加热。两者温差越大,热交换器的效率越高。采用这种装置要解决3个难题:一是要在狭窄空间内实现所需的热交换率;二是在发动机周围另设管路;三是要对现有发动机进行设计上的改进以应付温度增高问题。另外,发动机总重量有可能增加,不过MTU公司认为增加只百分之几,可通过压气机的设计简化来补偿。预计其效益可提高20%。控制智能化目前一些大的发动机制造商都在寻求将智能技术引入未来的发动机,用以解决目前难以解决的一些问题。例如GE公司在研究涡轮工作叶片叶尖间隙的调节。原来尖间间隙是按起飞条件确定的,当飞机进入巡航速度时,叶尖间隙就不再是最佳状态,发动机的效率会受到影响,因此,要求叶尖间隙进行智能化控制。发动机智能化控制并不意味着安装过多的传感器而是要对传感器产生的信息进行精心处理,这样做是完全有可能的。因为,信息技术的进展可以将极小的温度变化考虑在内。另外,计算能力的提高和计算气动力学的进展将成为未来进展的主要推动力量。事实上,目前已能进行非定常紊流问题的研究,将来在这方面的研究进展可以提高研究的精确程度,可以使叶尖间隙及漏气得以减小。为了进一步降低风扇噪声,一般是在机匣上装上吸收噪声的材料。高压涡轮出口噪声的降低可以用V形噪声抑止系统来解决,但据GE公司透露,这种降噪系统只是在起飞时的效果好,会影响巡航时的性能。这一问题的解决可能要用形状记忆合金,斯奈克玛公司也在用V型喷管来降低噪声,同时也在研究采用微米技术。在发动机控制系统方面也取得重要进展,预计FADEC系统可能在不停机的情况下处理一些非常情况。罗-罗公司智能系统正在为发动机的电气系统取得新进展铺平道路,同时可实现发动机的健康监控和改善维修的预测工作。环境更绿化为满足全球对环保标准的严格要求,各大发动机公司都加强了绿色发动机的研究与开发。除了上面谈到的噪声处理外,目前主要研究减少污染环境的气体排放,同时进行绿色制造和维修以及采用燃料电池等。在减少污染环境的燃烧产物方面,GE公司正在研究用双环形预漩流技术来减少燃烧室的排放,比现行标准低85%。这种技术是为CFM56开发的,现在计划用到大发动机上。GE公司也在研究采用主动控制来保证贫油混气的实现,该技术可以检测贫油过度的混气可能产生的火焰熄灭,因此没有必要留出富油裕度。混气越是贫油,产生破坏环境的氮氧化物越少。斯奈克玛公司也在利用航空技术的经验来改进燃烧室,如燃烧室壁用陶瓷基复合材料来制造,可改善其耐热强度,而用来冷却燃烧室的空气则可加入到油气混气中,使之变得贫油。普惠公司在减少NOx方面走的是另一条路,即减少混气在燃烧室内的时间,其方法是在正确控制熄火产生的条件下采用富油混气。普惠公司并不满足于只是在生产上采用绿色材料与工艺,在发动机维修上也用绿色维修方法。公司正在开发废水废液回收程序以及研制有机挥发化合物含量低的清洗产品。此外,公司也在寻求逐渐取消镉、铬等有害的金属。如采用非铬酸盐转化涂层和底漆,不用铬酸阳极化等。

    旋转失速是限制压气机稳定工作范围的关键因素,如何在设计阶段对失速边界进行定量预测一直是设计人员关注的重点问题。失速边界的预测主要有两类方法:一是数值模拟,二是分析模型。前者虽然能够捕捉更多的流场细节,但对计算资源要求高,尤其是非定常数值模拟,对目前的工业应用来说依然耗时太长。后者能够在设计阶段快速预测失速边界,但由于近似假设和经验系数的引入,导致其精度和适用范围有限。在跨音速压气机中,叶尖泄漏流及其与激波的相互作用对叶尖流场起主导作用,以往的研究表明,这种相互作用与压气机的尖峰型失速先兆有着紧密联系。

    中国科学院金属研究所专用材料与器件研究部的空间热控器件与材料摩擦学课题组在国内率先开展这方面的研究,自主设计建造了国内首台模拟封严涂层与叶片极端工况下摩擦磨损行为的试验机,后期又陆续研发了升级版的二代、三代试验机。

    为了在设计阶段评价叶顶间隙对失速边界的影响,中国科学院工程热物理研究所国家能源风电叶片研发中心研究人员基于叶尖泄漏流前缘溢出准则发展了一种适用于跨音速压气机的失速边界预测方法。首先通过对某跨音速压气机转子的非定常数值模拟,探究叶尖流场非定常波动与失速先兆的关系。通过分析失速边界点的叶尖流场波动,发现泄漏流与主流的交界面随时间周期性摆动,其频率约为0.5倍的叶片通过频率。叶尖相对总压分布的变化表明,靠近低相对总压区域附近的交界面向上游偏折,交界面随着相对总压分布的周期性变化而振荡;在部分时刻,交界面已经位于叶片前缘上游,也就是说泄漏流从相邻叶片前缘溢出。泄漏流轴向速度的分布和变化趋势与相对总压的分布一致。总结来说,低相对总压引起泄漏流负轴向速度增加,从而导致对应位置的交界面向上游偏折。因此,如何建立泄漏流动量与交界面位置之间的定量关系是建模的关键。

    近日,金属所研究员段德莉等研究发现,Al-hBN涂层向叶片的粘附转移与应用工况条件密切相关,低单次切入量和高线速度时粘附最严重。通过对叶尖上涂层粘附层与原始涂层的对比表征分析,发现高速刮擦时强烈的摩擦热导致涂层中金属相Al发生熔融,在刮擦作用下向叶尖粘附是材料转移的机理。进一步对CuAl-Nig涂层与GH4169叶片摩擦副的研究,复现了发动机实际服役中常见的叶片剪切唇现象,发现高线速度和低进给率时叶片磨损最为严重,剪切唇体积最大。通过对叶片剪切唇的组织演化表征研究,基于高速断续刮擦的特点,联系高速摩擦热在摩擦副双方的分配与传导,提出了剪切唇的形成机理。研究人员对各种单个涂层研究工作的总结分析中,认识到摩擦热在高速摩擦磨损时对材料摩擦学行为的影响。科研人员建立了高速刮擦中的一维热传导模型,发现对摩副材料的热物性能对接触区域的温升速率有重要影响,导致涂层粘附叶片或叶片磨损的摩擦学行为。相关研究结果发表在WearFriction上。

    在跨音速压气机中,由于激波的影响,交界面在波前与波后呈现不同的形态。在激波上游交界面近似呈直线分布,而在激波下游交界面向上游偏折,这种变化是由于泄漏流与主流的动量平衡关系发生改变而引起的。在激波上游,泄漏流与主流的作用区域呈三维螺旋涡状结构。在垂直于交界面的方向上,泄漏流与主流来流的动量平衡。为了分析动量交换关系,研究人员将泄漏流与主流的作用简化为如图1所示的控制体模型,其中泄漏流环绕上游泄漏涡并与主流发生动量交换,形成交界面。假设作用区域为无粘不可压缩流动,根据控制体的质量和动量守恒约束可以得到图中作用区域半径的近似计算关系式。然后将泄漏涡核轨迹的位置与作用区域半径叠加即可得到交界面相对叶片吸力面的位置。

    研究工作得到了国家自然科学基金、中航工业APTD、中航工业创新基金、中科院院级科研装备和修购专项等的支持。

    图2对比了研究得到的新模型与其他模型的预测效果。结果表明,新模型能够更好地预测泄漏流与主流作用区域的大小,这是由于在新模型中考虑了上游泄漏涡的累积效果。基于新模型对交界面位置的预测能力,研究人员对失速临界点的交界面进行了建模,如图3所示。在失速临界点,交界面经过激波向上游偏折,刚好经过相邻叶片的前缘。根据图中的几何关系,可以得到临界点泄漏流速度与主流速度之间的关系。当泄漏流速度分布已知时,可以根据本研究中的模型得到主流的速度,从而估计失速边界点的流量系数。另外,如果考虑泄漏流速度分布随时间的波动,还可以根据模型得到主流的速度波动,用以分析近失速工况的非定常流动效果。对比不同间隙大小时的失速边界点的模型预测和数值模拟结果,发现本研究提出的模型能够很好地评估叶间泄漏流对失速边界的影响。由于合理地考虑了激波上游和下游交界面的形态变化,该模型可以捕捉到失速边界点流量系数随间隙大小的非线性变化。

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    研究提出的模型可以用于设计阶段评价叶顶间隙大小对压气机稳定工作范围的影响,或者作为防失速模块集成到发动机运行控制系统中,保障发动机的安全可靠工作。目前已经完成了建模和设计转速工况下的模型验证工作,正在进行部分转速运行工况时的分析和模型验证,从而将模型的应用拓展至发动机变工况运行中。

    GH4169叶片高速刮擦中形成剪切唇的过程,典型剪切唇结构和对摩封严涂层中形成的转移层

    部分相关研究成果已经在国际会议ASME Turbo Expo 2016上发表。为了全面评价叶顶间隙的影响,为转子优化设计和叶尖流动控制提供依据,中心研究人员还在针对叶尖泄漏流对损失和压升的影响进行研究。

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    图1 泄漏流与主流作用的控制体模型示意图

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    图2 泄漏流作用区域大小的预测结果图3 失速临界点交界面位置模型

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