考虑热障涂层及冷却结构影响的某F级燃气轮机火焰筒数值研究

以某F级燃气轮机燃烧室火焰筒为研究对象,考虑热障涂层及冷却结构对火焰筒气动传热影响,基于流热固耦合方法对额定工况下的火焰筒进行了内部流场、温度场和应力场分析,并将数值分析结果与火焰筒实际损伤情况进行对比。结果表明:数值分析结果的火焰筒高应力区域与火焰筒实际损伤区域基本吻合,采用流热固耦合方法可以预测火焰筒实际损伤情况;不同位置的热障涂层陶瓷层隔热效果相近;基体和热障涂层陶瓷层在冷却结构附近的区域均为高应力区域。

火焰筒多斜孔冷却方式壁温梯度和冷却效率试验

针对高温升燃烧室以延长其火焰筒使用寿命为目的,实验研究了多斜孔冷却方式孔排列方式、壁厚与孔径比h/d以及无量纲参数PS/d2对主燃烧室采用多斜孔冷却方式的火焰筒壁温梯度和冷却效率的影响.实验中冷却气为常温常压,主流速度ug≈20 m/s,多斜孔内气流与主流速度比约为0.66,主流与冷却气温度比约为1.25.实验结果表明:长菱形多斜孔实验板比正菱形实验板壁温梯度小、冷却效率高;减小h/d或者增大PS/d2都可以降低壁温梯度,但同时冷却效率也会降低.

火焰筒热疲劳分析与寿命估计

发动机火焰筒的热疲劳损伤是导致火焰筒失效的主要原因。在火焰筒温度急剧变化过程中,结构上存在温升滞后现象,热冲击载荷造成局部高温区压缩塑性变形;在持续升温与停车降温过程中,结构自身约束导致此处形成拉伸应力,引发循环塑性行为,从而产生疲劳裂纹。基于该机理,采用有限元方法模拟不均匀温升和循环过程及应力应变的变化,并结合Coffin-Manson规律对火焰筒寿命进行预测,与实际情况对比,说明该机理的合理性。

基于热-流-固耦合方法火焰筒壁温三维数值模拟

准确地确定火焰筒壁温分布是对其进行热结构分析的前提和基础.基于ANSYS/CFX程序平台,采用基于燃烧模型的热-流-固耦合有限元方法,对某环形回流燃烧室的整个流场、温度场进行数值模拟,得出火焰筒壁温三维温度场分布.计算中考虑了燃烧热源和热辐射,燃烧和流场变化对换热的影响,以及燃气、煤油和固体物性参数随温度的变化.数值模拟结果表明,将流场和固壁进行耦合求解,能更精确反映流场和温度场的整个形态,可以模拟出较为合理的流场和温度场分布以及相应的流动换热特性.所做工作对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.

多斜孔冷却方式气动参数对壁温梯度和冷却效率的影响

针对高温升燃烧室以延长其火焰筒使用寿命为目的,实验研究了多斜孔冷却方式气动参数,如加温比、速度比和主流速度变化对主燃烧室火焰筒壁温梯度和冷却效率的影响.实验结果表明:减小加温比或增大速度比都可以减小壁温梯度的绝对值,同时冷却效率也会增加;当主流进入了自模区后,随着主流速度的增加,壁温梯度的绝对值会减小,冷却效率会增大.

火焰筒掺混孔边裂纹萌生和扩展机理研究

利用有限元法,结合瞬态传热过程研究了火焰筒掺混孔内孔边裂纹形成和扩展机理,应用应变疲劳理论和裂纹扩展分析方法对裂纹萌生时间和扩展能力进行分析。由于火焰筒在热循环载荷作用下各处升温速度不一致,引起结构上的相互约束,使掺混孔边产生循环塑性变形导致疲劳裂纹萌生;裂纹萌生后会继续扩展,但这种扩展能力有限;孔边冷却区域大小会对裂纹扩展能力产生较大影响。

火焰筒结构局部热屈曲分析方法

根据局部热屈曲的失效机理,考虑局部温度和压应力水平两个热屈曲主要因素,从以应力函数和挠度函数为变量的受热板控制方程出发,推导出薄壁结构热屈曲失稳边界的判据表达式.依据确定的热载荷和设计的压力载荷,确定火焰筒结构的局部热屈曲危险部位,并将子模型技术引入到热屈曲分析中,确定危险部位的临界温度和临界压应力,以此对火焰筒结构进行局部热屈曲判别.通过工程实例的初步验证,计算与试验结果吻合良好,对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.

基于雨流计数法和功率谱密度法的随机声疲劳应用研究

针对燃烧室火焰筒结构中的声疲劳问题,研究了2种用于随机声载荷下结构疲劳寿命预估的有效方法。雨流计数法实时计数模型计数简单,直接对载荷时间历程进行计数,克服了以往计数模型的局限性;基于iMner线性理论,提出了基于功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法,并建立了疲劳寿命预估模型。对某型航空发动机燃烧室火焰筒结构进行了疲劳寿命估算,结果表明2种方法对航空薄壁结构随机疲劳寿命分析具有实用性。

基于联合概率密度的随机声疲劳寿命估算方法

针对燃烧室火焰筒结构随机声疲劳问题,根据有限带宽高斯白噪声载荷作用下结构振动响应功率谱密度得到雨流循环均值-幅值条件概率的计算式,结合雨流循环幅值概率密度Dirlik经验公式推导出雨流循环均值-幅值联合概率密度函数,克服了在疲劳寿命估算中只考虑幅值、忽略雨流循环均值影响的局限性。根据Miner线性累积损伤理论,运用获得的联合概率密度函数建立声疲劳寿命的估算方法。以某型航空发动机燃烧室火焰筒结构为例,利用耦合的有限元和边界元方法进行振动响应计算分析。基于应力响应结果,运用提出的方法对火焰筒结构进行疲劳寿命估算,并分析不同声压级的声载荷对火焰筒结构疲劳寿命的影响。研究表明,该方法对航空薄壁结构声疲劳寿命分析具有适用性。

旋流燃烧室内湍流流动的PIV实验研究

建立了微型燃气轮机旋流燃烧室实验台.采用二维粒子图像测速技术(PIV)测量了旋流燃烧室火焰筒内冷态速度场.旋流燃烧室主要由3个旋流器和1个侧壁开有测试视窗的圆筒段组成.在空气流量为0.114m3/s的工况下,得到了燃烧室火焰筒内气体时均切向速度分布及旋流燃烧室火焰筒中心截面和不同轴向横截面位置的速度矢量分布图.实验结果及其分析为旋流燃烧室的数值模拟计算和进一步的实验研究提供了基础.

航空发动机火焰筒疲劳裂纹扩展规律

利用合理的温度场、载荷谱,计算了火焰筒气膜唇边裂纹在扩展过程中最大应力强度因子Kmax的变化规律,利用Pearson经验公式预估了火焰筒热疲劳裂纹扩展速率,并给出了应力强度因子、裂纹扩展速率的初步分析结果。

航空发动机燃烧室火焰筒设计验证方法研究

以某型航空发动机燃烧室为物理模型,改进了计算火焰筒流量分配的流阻法,并对其进行验证,结果冷却空气量的相对误差为5.7%;采用多项式拟合法计算了火焰筒燃气总温沿轴向分布,得到了主燃区总温和燃烧室出口总温,并采用燃烧效率法对其进行了验证,二者的相对误差分别为4.4%和1%。结果表明:在初始设计阶段,采用改进的流阻法和多项式拟合法验证火焰筒的沿程空气流量分配和沿程燃气总温合理有效。

航空发动机火焰筒裂纹萌生机理分析

根据航空涡轮发动机起动瞬间温度梯度变化对热应力的影响,分析了火焰筒局部区域产生拉伸应力进而导致裂纹萌生的原因。根据分析结果得出,瞬态升温过程的不同步是裂纹萌生的一个主要原因。

某型航空发动机火焰筒的组织损伤分析

针对某型航空发动机火焰筒发生的裂纹故障,通过对火焰筒实物件进行统计和切样分析,用光学显微镜和电子显微镜进行组织观察和裂纹分析,得到了有意义的结论。

航空发动机主燃烧室火焰筒壁冷却的研究

概述了近年来国内外航空发动机燃烧室冷却方式的发展。重点论述了火焰筒壁温预测方法、三维壁温数值计算的控制方程、贴体正交网格和壁面函数的应用、计算辐射热流的蒙特卡罗法、三维计算域处理技术以及有高温涂层的壁温计算。调研表明,壁温预测技术对于未来高温升燃烧室设计而言,是有效、经济和实用的方法,对提高燃烧室寿命、飞行安全性具有重要意义。

9E燃气轮机低氮改造后火焰筒燃烧特性的数值计算

针对改造后的LEC-Ⅲ低NOx燃烧室,运用FLUENT软件对该火焰筒的燃烧流场进行数值模拟。在模拟过程中采用了标准k-ε湍流模型,用SIMPLE算法进行求解,分析了一次模式下火焰筒内速度分布、温度分布、组分分布。结果表明:在一次模式时,火焰筒通过旋流和第一排射流孔形成的回流稳定火焰;文丘里喉道高速气流可以防止预混模式时二级燃烧区的火焰回火,避免一级燃烧区气体再点火燃烧;在一次模式时,火焰筒头部的圆柱形腔室的工作特性相当于六个小型的火焰筒;NOx排放的数值模拟结果与运行值接近。

火焰筒内环向多孔径向射流的流场研究

环向径向射流对燃烧室火焰筒内的流场有着重要的影响。本文采用三维标准kε湍流模型详细模拟了燃烧室火焰筒内外的等温流场,给出了火焰筒不同截面位置的轴向速度和径向速度分布。并对数值模拟结果与实验数据进行了比较,结果符合较好,同时还分析了数值模拟结果与实验数据的差异。研究了火焰筒内多孔径向射流的流场特性,并比较了不同环向径向射流流量对火焰筒内流场的影响。研究结果表明:在射流孔附近,火焰筒内轴向速度和径向速度沿径向的梯度增大;而在火焰筒外,轴向速度沿径向的梯度变化不大,径向速度变化较大,但随着流体的流动,火焰筒外径向速度很快趋于均匀。当射流流量增加时,火焰筒内射流孔中心截面的两对称旋涡逐渐增大。

进气温度对航空发动机燃烧室辐射换热的影响

为了解燃烧室内火焰辐射换热特性,建立了某型航空发动机燃烧室计算模型,利用数值模拟方法,研究了不同进气温度下燃烧室内燃气温度、碳黑粒子生成及分布变化对燃烧室辐射热流量和火焰筒壁温的影响。研究结果表明:随着进气温度的升高,燃气温度升高,碳黑粒子质量分数增大,且高温区和碳黑粒子生成区均往前移;火焰筒壁温急剧升高,高温区集中在燃烧室中间段和掺混段,主燃区火焰筒壁温相对较低;辐射热流量不断增加,由3245 W增加到8674 W,辐射热流量主要受燃气辐射特性影响。

发散冷却模型试验件换热系数试验研究

在模拟航空发动机火焰筒冷却孔相对压降条件下,采用动态法对火焰筒发散冷却模型试验件换热系数进行了测量,并介绍了其试验设备、试验原理及试验过程。通过测量三种单层发散冷却板及与之相配的双层壁发散冷却火焰筒模型试验件的换热系数,得出了主次流相对静压降、冲击高度、开孔率对火焰筒发散冷却性能的影响规律。试验结果同时证实,双层壁发散冷却结构在提高火焰筒冷却性能上具有一定优势。

菱形排列发散小孔火焰筒冷却结构数值模拟

针对先进燃烧室火焰筒壁面保护问题,对火焰筒菱形排列发散小孔进行数值研究,提出一套处理菱形排列发散小孔网格的方法。为了研究火焰筒壁面的温度分布,采用流固耦合的方法,并采用标准k-ε模型、非预混PDF模型对燃烧室性能进行计算。计算结果表明:发散小孔菱形排列在冷却效果上优于顺排排列,在总油气比为0.046的情况下,工况一最高壁温806K,温度梯度20.7K/cm,工况二最高壁温780K,温度梯度34.4K/cm,冷却结构满足了先进燃烧室在高油气比下对燃烧室壁温方面的要求。