航空发动机热防护超临界CO_(2)闭式循环方案设计

针对航空飞行器高速飞行时发动机热环境严峻、冷源有限的问题,提出了一种应用于航空发动机热防护、以超临界CO_(2)为工质的闭式布雷顿冷却循环方案。采用能量分析法构建布雷顿循环的数学模型,对比分析了简单循环、回热循环与间冷循环3种循环结构的优劣,比较了高温部件冷却通道的串并联结构对循环性能的影响。结果表明:回热循环能够提高系统热效率约4%,但热沉利用率降低50%;间冷循环能够降低系统热沉消耗8%,但会导致系统总质量增大;超临界CO_(2)简单循环是最符合发动机中间工质冷却循环工作需求的循环结构。对于简单循环而言,高温部件冷却通道并联结构的热效率比串联结构的高6%,但需要的碳氢燃料质量流量提高了2.7%,在碳氢燃料质量充足的条件下,并联结构的性能更优。

基于摩擦热效应的刷式密封摩擦副匹配性实验研究

刷丝与转子涂层相互作用产生的摩擦热效应直接影响刷式密封的密封性能和使用寿命。分析了刷式密封摩擦副之间的摩擦热效应理论,设计搭建了刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置,设计加工了6种不同结构参数与刷丝材料的刷式密封实验件和4种不同涂层材料的摩擦转盘,实验研究了工况参数、结构参数以及不同摩擦副材料对刷式密封摩擦热效应的影响,通过对比分析刷式密封最高温度以及磨损前后摩擦副的磨损形貌及磨损量,获取了刷丝与转子涂层材料的匹配性关系。研究结果表明:刷式密封最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高后趋于稳定,随着干涉量的增大而升高,干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm,刷丝平均最高温升达39.96℃;最高温度随着刷丝束厚度的增加而升高,随着后挡板保护高度的增大而降低;当刷丝材料为钴基高温合金GH605时,最佳转子涂层材料为WC,当刷丝材料为镍基高温合金GH4169时,最佳转子涂层材料为ZrO_(2),此两种匹配材料能够在相同工况下产生较低的摩擦热量,且耐磨性能高于其他匹配材料。

蜂窝衬套对篦齿封严静力与动力特性影响机理研究

蜂窝衬套对篦齿封严的泄漏特性和动力特性有较大的影响。本文建立蜂窝衬套篦齿封严数值求解模型,在验证数值方法有效准确的基础上,研究了蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙及转速的变化规律,构造泄漏量理论公式;运用非定常动网格技术,建立多频椭圆涡动模型,分析了蜂窝衬套对篦齿封严泄漏特性和转子动力特性的影响机理。结果表明:蜂窝衬套篦齿封严泄漏量随进口压力、封严间隙的增加而增大,随转速的增加略有减小;在大间隙工况下(封严间隙大于0.5 mm),蜂窝衬套削弱气流的透气效应,减小泄漏量,对边距为0.8 mm蜂窝衬套篦齿封严的密封性能最佳。蜂窝衬套篦齿封严有着较大的直接阻尼和较小的交叉刚度,在高频涡动(频率大于120 Hz)时效果更明显;蜂窝衬套增大流场中的湍动能,增强气流能量的耗散速度,有利于提高封严性能;并且蜂窝衬套能够使周向压力分布更均匀,提高转子的稳定性。本文所构造的蜂窝衬套篦齿封严泄漏量理论公式,与数值仿真相对误差均在5%之内,能够准确地预测蜂窝衬套篦齿封严的泄漏量,满足工程实际需求。

气膜孔形状对排孔下游冷却效率的影响

实验研究了气膜孔几何形状及吹风比对孔排下游的局部冷却效率的影响。所用孔形是簸箕形孔、圆锥形孔及圆柱形孔 ,实验的参数范围为二次流孔径雷诺数 Re=1 0 0 0 0～ 2 5 0 0 0 ,二次流吹风比 M=0 .3～ 2 .0 ,在上述范围选取了 2 6个工况分别对 3种孔形进行了实验。结果表明 :圆锥形孔、簸箕形孔及圆柱形孔的最佳吹风比分别为 1 .0 ,0 .7及 0 .5。当吹风比大于 0 .7时 。

超临界压力下航空煤油圆管流动和传热的数值研究

对超临界压力下大庆RP-3航空煤油在小管道内的流动、传热过程进行了数值研究。湍流模拟采用了RNG k-ε两方程模型和Wolfstein一方程模型结合的两层模型;同时,采用煤油的10组分替代模型以及NIST Super-trapp程序库对大庆3号航空煤油的热物理和输运特性进行了确定。圆管传热的计算条件为:入口压力4 MPa,入口温度300 K,质量流量范围:0.06～0.12 kg/s,壁面热流密度范围:300～700 kW/m2。计算结果显示,煤油的流动和传热特性比水、二氧化碳等简单化合物复杂得多。在超临界压力下,煤油的吸热升温导致其热物理特性以及流动特性均发生剧烈变化,其中,雷诺数沿管道方向上升了至少一个量级,而普朗特数下降了一个量级。在加热开始段,煤油的对流传热系数迅速上升;当壁面温度超过其拟临界温度后,对流传热系数略有所回落;随着煤油温度的进一步上升,传热系数又得到明显增强。计算表明,煤油对流换热特性的变化与煤油复杂的高温热物理特性以及湍流流动在近壁区的增强和抑止有关。

冲击加发散双层壁冷却方式压降分配对斜孔内对流换热影响的研究

以高推重比发动机燃烧室单位压力单位面积冷却气量为基准 ,研究了孔数比为 1∶1的冲击 /发散冷却方式在不同冲击壁和发散孔壁压降分配情况下的发散斜孔内的局部换热系数和平均换热系数。研究发现 ,压降分配比例的变化对孔进口区 (x/d <4 )的换热增强有较大的影响。通过CFD计算孔内的流动 ,分析了孔进口区换热系数增强的原因。并给出了周向平均换热增强系数的拟合公式 。

大高宽比微小宽度矩形通道内的水力特性实验研究

对高宽比 c=3～ 1 5共 5个矩形通道的流动进行了水力实验 ,实验通道的当量直径 dh=1 .0～ 1 .2 mm,通道宽 b=0 .6～ 0 .8mm,流动雷诺数 Re=5 0～ 1 0 0 0 0。实验结果表明 ,大高宽比微小宽度矩形通道内的层流流动计算应考虑高宽比的影响 ,不宜采用当量圆管的公式。与普通圆管流动相比较 ,其层流 -紊流的过渡区变窄 ,不出现 f -Re图上阻力系数 f随 Re增大而增大的那一小段曲线 ,以及层流到紊流的最大临界雷诺数Rec 随高宽比 c而变 ,其最大值为 2 3

孔排布局对叶片前缘气膜冷却的影响

采用放大的半圆柱状表面模拟涡轮叶片前缘的形状 ,对叶片前缘单排及两排圆柱形孔的气膜冷却效率进行了测量。试件表面交错地开有 6排孔 ,以驻点为起点 ,位置分别在± 1 5°,± 4 0°及± 60°处 ,各排孔的孔间距均为 3个孔径 ,孔轴线与表面在展向及流向的夹角分别为 30°及 90°,孔长与孔径比为 4。主要对比研究了 3种单排气膜孔不同孔排位、3种两排气膜孔不同孔排位及 1种三排气膜孔的布局对孔排下游冷却效率的影响。结果表明 :在同样二次流流量条件下 ,冷却效果好的单排孔位置依次为 60°,4 0°,1 5°,冷却效果最好的两排孔位置组合为 ( 40°,60°)。结果还表明 :在较大的二次流流量条件下 ,采用单排孔、两排孔或三排孔冷却方案对孔排下游的冷却效果影响不大 ;但在较小的二次流流量条件下 ,从冷却效果看 ,较好的孔排冷却方案依次为 :三排孔、两排孔及单排孔。实验参数范围是 :主流雷诺数 Re=4 2 0 0 0～ 1 2 70 0 0 ,平均吹风比 M =0 .5～ 2 .

簸箕形排孔气膜冷却实验研究

对五孔单排簸箕形孔气膜冷却进行了实验研究。测出了孔排下游的局部换热系数及冷却效率，并研究了喷气雷诺数及吹风比的影响，实验参数范围是：喷气雷诺数Ｒｅ＝１００００～２５０００，吹风比Ｍ＝０．３～２．０，测量分２６个工况进行。

透平机械动密封动力特性数值方法研究

密封动力特性系数是评价透平机械转子稳定性的重要参数。对现有密封动力特性数值方法进行了综述,为了比较分析不同的密封动力特性数值方法,分别建立了基于控制体方法的双控体求解模型和基于CFD方法的稳态旋转坐标系与瞬态转子平动、转子单/多频椭圆涡动求解模型,综合比较分析了控制体法、CFD稳态旋转坐标系法和CFD瞬态平动法、单/多频法之间的差异以及适用范围,研究了转子涡动频率对密封气流力和动力特性系数的影响。研究结果表明:控制体法求解速度较快,但求解精度较低,稳态旋转坐标系法只适用于转子做小轨迹同心涡动的求解模型,瞬态平动法求解速度较慢;瞬态单/多频法考虑了转子的涡动频率,更符合密封的实际工作情况;应用瞬态单/多频法得到的密封气流力变化频率与转子涡动频率相同,但气流力的相位滞后于转子涡动位移的相位;密封的直接刚度系数随着转子涡动频率的增加而增大,交叉刚度系数和阻尼系数的绝对值随着转子涡动频率的增加而减小。

偏心密封动力特性分析与新型自同心密封研究

密封气流激振引起的转子失稳已成为发展高性能透平机械的瓶颈问题。为了研究偏心率对密封动力特性及转子稳定性的影响规律,揭示转子偏心诱发密封气流激振的机理,采用非定常动网格技术方法,建立了多频椭圆涡动轨迹的密封动力特性求解模型。在此基础上,提出了新型浮动式自同心密封结构,包含密封环浮动式和密封环自适应同心两大理念,分析了新型密封的工作原理以及力学特性。结果表明:密封的等效刚度和等效阻尼随着偏心率的增大而减小。不同涡动频率下,当偏心率增加到0.7时,等效阻尼相比于同心密封下降幅度达到33%~76%。随着偏心率的增大,密封气流力对转子做功增加,降低了转子系统稳定性;随着偏心率的增加,密封流体动压效应增强,密封气流激振力增大,转子系统稳定性降低,偏心转子密封流体动压效应是产生密封气流激振的主要原因;新型浮动式自同心密封的工作原理及动力学特性分析结果表明,新型密封具有自适应同心功能。

旋转对涡轮叶片气膜冷却影响的数值模拟

采用数值模拟的方法对旋转涡轮叶片表面的气膜冷却效率进行了研究,同时对涡轮静叶栅和动叶片在不同的旋转速度下分别进行计算,分析不同转速、吹风比和冷却气流喷射角度对气膜冷却的影响。计算结果表明,旋转使压力面气膜冷却效率降低,转速越高,气膜冷却效率越低;在吸力面冷却孔下游附近区域,叶片旋转对气膜冷却效率的影响不大,但叶片旋转使离冷却孔较远处的吸力面冷却效率升高。同时,在旋转状态下,靠近叶顶区域的叶片表面气膜冷却效率升高。

旋转条件下带出流孔的受限空间内冲击换热

以旋转涡轮叶片内部冷却为背景，在旋转条件下对带出流孔的受限空间内冲击换热特性进行了实验研究。在冲击与旋转方向、相反两种情况下，通过改变冲击雷诺数Re1（5000～10000）、旋转数Ro（0—0．0034）、无因次温比（Tw-Tt）／Tw（0．056～0．134）对冲击靶面的平均换热特性进行了研究。研究发现，靶面的换热随冲击雷诺数的增加而变好；旋转对冲击换热的削弱在雷诺数较大时表现更明显；实验参数范围内浮升力对换热的影响较小；离心力、哥氏力等对换热的影响程度与内部空气的流动结构及出流方式有关。

转子叶片径向受限的“冲击-气膜出流”冷却结构流动与换热

为揭示转子叶片径向受限的"冲击-气膜出流"冷却结构流动换热规律,以某型双层壁叶片肋化分割形成的冷却单元为研究对象,通过数值模拟的方式,对冲击雷诺数Rej,旋转数Ro,无因次温比(Tw-Tf)/Tw等参数变化下流场和换热特性变化规律展开研究。结果表明:在哥氏力和离心力作用下,受限空间内存在射流偏转、径向二次流动以及二次冲击等现象;流动的径向受限可抑制射流偏转,强化冲击换热;相同的旋转数Ro下,逆转向冲击(叶背区)换热努赛尔数Nu比顺转向冲击(叶盆区)高8%。在研究的参数范围内,数值模拟和试验结果说明径向受限周向出流结构能有效的抑制旋转对换热的削弱。

带射流冲击短扰流柱排内的流动和损失

用五孔探针测量了带射流冲击的短扰流柱排内的流场 ,并用压力扫描阀测量了端壁和柱面的压力分布 ,分析了在涡轮叶片尾缘区内射流冲击强化扰流柱排通道内换热的机理。研究发现 ,带射流冲击时流动在靠近扰流柱表面附近速度较大 ,在对称中心区域有大片低速区 ,压力系数远远小于无射流时情况 ,气流经过孔板后压力系数迅速下降 ,达到最小值 ,沿流动方向压力系数逐渐恢复。随喷射雷诺数增大 ,扰流柱表面的分离点位置后移。总结出了实验工况范围内带射流冲击的短扰流柱排内压力损失系数与雷诺数之间的经验公式 。

比较研究多种气膜冷却模型的冷却效果

计算并比较了高性能航空燃气发动机尾喷管扩张调节片采用以下几种气膜冷却结构的冷却效果 :缝槽气膜冷却、离散小孔气膜冷却、缝槽 /小孔复合气膜冷却 ,发展了用单排孔和缝槽气膜的有效温比计算多排孔和缝槽 /小孔复合气膜有效温比的公式 ,计算了考虑喷管内高温燃气辐射和气膜冷却作用下喷管壁面的温度分布 ,为高性能航空燃气发动机高温部件冷却结构的选型提供了有益的参考。

绕流柱形对层板流阻特性影响的数值模拟研究

利用有限体积法对三维可压缩的 N- S方程进行离散 ,对内部绕流柱形分别为圆形、方形和菱形的多孔层板冷却结构进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格 ,湍流模型为 Realizable k- ε双方程模型 ,近壁处湍流采用壁面函数法处理 ,采用 SIMPLE算法求解速度与压力的耦合。计算获得了 3种冷却结构内部各气流参数的三维分布和流动阻力特性。结果表明层板内部的流场结构十分复杂 ,射流冲击后在扰流柱前反卷形成驻涡。 3种绕流结构中方形结构流动阻力最小 ,菱形最大。将计算结果与实验结果进行了比较 。

带旋转孔容腔瞬态演化与建模方法研究

旋转孔与腔组成的孔腔系统为航空发动机空气系统的重要组成部分,其瞬态响应过程可能诱发短时危险过渡态载荷。为研究旋转孔腔的瞬态演化规律,以旋转孔前的容腔为研究重点,建立了带旋转孔的容腔CFD计算模型,分析了孔腔系统的瞬态演化过程,并基于旋转孔的稳态流动特性建立了带旋转孔容腔的瞬态1-D模型,对瞬态演化过程进行了仿真。通过对比瞬态1-D模型的结果和CFD结果,发现采用前者能基本模拟容腔的瞬态演化过程,基本满足工程需要,并完成了瞬态1-D模型结果产生偏差的原因分析。

某型航空发动机空气-滑油散热器数值模拟研究

为了分析某型航空发动机空气-滑油散热器的性能,利用数值模拟方法研究其在不同工作状态下的散热效果和流动特性。首先,网格化划分该航空发动机空气-滑油散热器的计算模型;然后,采用标准化k-w湍流模型和有限体积法进行数值求解;最后,利用Fluent软件对滑油通风冷却系统内部流场进行数值模拟实验,分析不同风门开度和引射器状态下的冷气流量和滑油散热量。结果表明,冷气通道的冷气流量随着风门开度的增大而增加,且在打开引射器的情况下,冷气流量和滑油散热量均有所提升,有利于滑油的冷却。研究结果不仅验证了计算模型和数值方法的有效性,还为进一步深入研究航空发动机空气-滑油散热器的可靠性提供了基础数据和理论支持。

涡扇发动机涡轮空气系统流动和传热性能的CFD分析

以典型的小型涡轮风扇发动机的涡轮空气系统为研究对象,用数值计算的方法研究了包括高低压涡轮盘腔、导向器内腔、轴承腔和相连的冷却气路在内的流动和传热特性.所研究的是一个多腔相连的多进口、多出口流动与传热问题,在研究中采用了流体域和固体域整体建模耦合计算的方法.根据计算结果,分析了结构参数和气动参数对该系统,尤其是其中轴承腔的温度分布的影响规律,提出了降低轴承腔温度的措施,并分析了各项措施的降温效果.充分展示了数值计算仿真在发动机空气系统分析方面的潜力.