冷却孔布置对透平转静腔室性能影响的数值研究

采用SST湍流模型数值研究了透平第二级转、静腔室的流动与封严特性,分析了冷却孔布置对腔室内的流动、冷却效率以及主流燃气入侵特性的影响。研究表明:冷却孔的位置对上游腔室内的流动影响较大,对下游腔室基本无影响;冷却孔距离上游越近,上游腔室的旋流比越大,级间密封进口的旋流比越小,密封进、出口压比越小,相应的流过级间密封的质量流量越小,上游轮缘密封的燃气入侵量越小,上游腔室转、静壁面的冷却效率就越大;下游轮缘密封出流的旋流比越小,相应的主流通道的流动损失越大,但冷却孔位置对下游腔室内的旋流比和壁面冷却效率的影响很小;随着冷却空气流量的增加,3种冷却孔布置下上游腔室壁面冷却效率的差值减小。

具有轴向温差的封闭转静系盘腔流动和换热特性研究

采用数值模拟探究了具有轴向温差下封闭转静系盘腔的流动和换热特性。通过改变热罗斯比数,探究不同工况下盘腔的流动结构、温度分布以及转静盘努塞尔数的径向分布规律。结果表明:具有轴向温差的封闭转静系盘腔与等温封闭转静系盘腔的基本流动结构一致,属于典型的Batchelor流型;与等温封闭转静系盘腔相比,核心区内无量纲周向速度增大,且随着热罗斯比数的增加核心区无量纲周向速度逐渐增加、转静盘边界层内流体的无量纲周向速度也增加;具有轴向温差下,盘腔的温度沿径向逐渐降低,沿轴向先降低、经过核心区温度保持不变、靠近转盘侧继续降低;在热罗斯比数一定时,转静盘的努塞尔数沿径向逐渐增大,随着热罗斯比数的增加,转静盘的努塞尔数有所减小。

低位预旋进气转静系盘腔流动特性研究

采用实验和数值模拟的方法对低位预旋进气转静系盘腔的流动特性进行研究,考察了流量与动盘转速变化对腔室内流动的影响,结果表明腔内径向静压差随流量增大而增大,随转速升高而增大;引入腔内有效角动量的概念,用角动量系数表征其与盘腔入口角动量之比,通过分析来流角动量与盘面转矩的相对大小,推导得到影响角动量系数的两个主要无量纲参数为修正的湍流流动参数与预旋来流雷诺数;对于给定结构形式的预旋系统,当改变转速时,角动量系数随修正湍流流动参数增大而减小,当修正的湍流流动参数大于0.0646时,角动量系数变化缓慢,腔内有效角动量约为入口角动量的70%~90%;当改变来流速度时,角动量系数随修正湍流流动参数增大呈现先减小后增大的变化趋势.

不同进口条件下向心流转静系盘腔流动特性研究

在典型中小型航空发动机空气系统中,用于高压涡轮冷却、封严的空气一般需要经过离心压气机叶轮背腔,因此掌握以离心压气机叶轮背腔为代表的向心入流转静系盘腔内流动特点及压力分布是保证空气系统各项功能实现的关键。采用数值模拟方法对带有向心入流的转静系盘腔流动开展研究,研究不同来流条件下不同间距比的转静系盘腔流动特点及盘腔内压力分布。结果表明:在间距比G=0.01~0.2内,不同进口条件下盘腔内的流动均为Batchelor流型,即转盘与静盘具有独立边界层,边界层之间为核心区;当径向罗斯比数远小于1时,在核心区内流动满足径向平衡方程,此时盘腔内旋转比分布决定了盘腔内压力分布;对于满足径向平衡方程的此类盘腔,盘腔内流动由进口旋转比β_0、紊流参数λ_T、间距比G决定;进一步的,得到了不同β_0,λ_T,G下盘腔出口旋转比及核心区内旋转比变化规律,分析发现小间距比工况下核心区内旋转比满足5/7幂指数关系;大间距比工况下旋转比满足修正5/7幂指数关系,通过得到的旋转比关联式可以计算出盘腔内的压力分布。

凸起形状对轮缘封严结构燃气入侵的影响

为了研究轮缘封严附近凸起的形状对封严效率的影响,采用测量二氧化碳体积分数、腔内压力的实验方法,研究了几种典型的凸起形状对封严效率、腔内压力、腔内流场和无量纲最小封严流量的影响,目的是获得最佳的凸起形状。结果表明,凸起形状的变化对腔内的静压影响不大,封严环附近的静压变化几乎可以忽略不计。而总压和封严效率将随着凸起形状的变化而不同。安装凸起会整体提升腔内的旋流比。当凸起形状为六面体时,腔内的总压和封严效率最大,其无量纲最小封严流量相比于光滑盘平均减少了32%。

小流量下转静系盘腔传热特性

采用热敏液晶(TLC)瞬态传热实验技术对小流量下的中心进气转静系盘腔传热特性进行研究,介绍了同步触发拍摄系统,考察了流量与转速变化对动盘面传热的影响.结果表明:在所研究工况范围内,流量变化对动盘面中低半径处传热影响较大,对高半径处影响较小;转速升高使动盘面传热效果整体增强;当湍流流动参数较小时,动盘面中高半径区域努塞尔数随半径增大而增大;采用湍流流动参数对动盘面平均努塞尔数进行归纳,实验结果与雷诺相似分析结果的偏差小于15%,一定程度上验证了雷诺相似对转静盘腔传热问题的适用性.

小流量下的转静系盘腔传热特征分析

在一些情况下,燃机透平中用于供给轮缘密封的气体流量要小于自由盘的夹带流量。本文采用气热耦合数值计算的方法,并结合轮盘一维导热模型,分析了小流量下(λ_t<0.22)转静腔室传热特点及其中关键的影响因素。研究结果表明,对于小流量下的转静系盘腔系统,可以根据盘面传热系数随冷气量的变化定义一个临界流量λ_(t,c),当冷气流量大于λ_(t,c)时,盘面传热系数随冷气量增加缓慢增大,近似等于自由盘状态;当冷气量小于λ_(t,c)时,盘面传热系数随冷气量减小而迅速减小。文中给出了一种估算动盘面传热系数随冷气量变化的方法。文章同时分析了转速对于轮盘传热(λ_(t,c)<λ_t<λ_(t,fd))的影响,当转速对应的Ecb等于Ecb,c时,轮盘的体平均温度最低。

预旋结构影响带盖盘预旋系统流动的实验

为探究预旋结构如何影响盖盘系统内的流动特性,对不同预旋角度和进气位置的带盖盘预旋系统进行实验研究,得到了高转速下静盘表面静压和中心面总压的分布、中心面旋流系数、预旋孔排气系数以及腔内流阻系数。结果表明:预旋角度和进气位置分别影响腔内压力分布大小和分布趋势。随预旋比增加中心面旋流系数整体增加,转静腔内旋流系数与无量纲半径的-2次幂存在线性关系。预旋孔排气系数随预旋孔进出口压比的增加而增加。流阻系数随湍流参数增大而上升,随旋转雷诺数的增加而减小。

间断伽辽金方法在燃机空气系统中的应用

间断伽辽金方法(DGM)对守恒变量及梯度变量具有一致的任意高阶计算精度,因此该方法也具有较高的热流计算精度。本文搭建了二次空气系统单元机理实验台,并采用DGM对中心进气转静系开展了数值计算,取得了误差小于10%的对流换热系数计算结果。此外本文结合SST-γ-Re_θ转捩模型,应用有限体积方法(FVM)及DGM,对燃气轮机旋转盘腔内流动与传热进行了预测,并取得了与实验结果吻合较好的传热预测结果。此两转转系及转静系典型问题验证了DGM对燃气轮机二次空气冷却流动传热预测具有一定优势,展现了DGM在燃气轮机二次空气系统中广阔的应用前景。