涡旋压缩机浮动式静盘的性能优化研究

针对浮动式静盘涡旋压缩机静盘背部温度过高且集中于排气管处的问题,提出带散热结构的浮动式静盘背压机构,研究了新机构的质能交换,分析了热量交换过程,给出了各腔体传热的数学模型,并对新机构进行CFD模拟计算,得到了不同外界温度下的静盘背部温度分布情况。与原浮动式静盘背压机构对比分析可得,新机构有效地改善了静盘背部中心温度过高的问题,使静盘温度分布更加均匀,可以解决因温度过高而造成的变形、摩擦磨损以及泄漏等问题,提高了压缩机的可靠性。

燃气轮机透平转静盘腔内流动与传热研究进展

转静系盘腔是燃气轮机二次空气系统中的重要组成部分,盘腔内流动和传热特性对整机安全稳定运行十分重要。随着燃气透平进口温度的不断提升,对透平冷却设计的要求不断提高,透平盘腔流动换热特性研究也越来越受关注。研究人员从流动与换热两个方面对转静系盘腔进行实验测量和数值模拟研究,形成相对比较成熟的研究体系。总结近年来燃气透平转静盘腔流动传热及冷却的相关研究进展,根据结构的不同分别对中心进气和预旋进气转静系盘腔及转静系盘腔的轮缘密封进行介绍,分析3种不同盘腔结构内部流动型态,介绍了预旋系统结构和轮缘密封结构对盘腔内流动传热特性影响的相关实验与数值研究现状。最后,基于当前研究热点和发展趋势,总结并展望了转静系盘腔未来研究的发展方向。

预旋进气位置对转静盘腔换热影响的数值研究

对具有不同预旋进气位置的转静盘腔内的换热进行了数值模拟.在进气流量恒定的条件下,改变预旋孔在静盘上的径向位置,研究了旋转雷诺数、预旋角、转静盘间距等参数对进出口气流的无量纲总温降和转盘换热效果的影响.研究表明:旋转雷诺数的增大和转静盘间距的减小都能够增强气流对转盘的换热效果;当预旋孔的径向位置增大时,无量纲总温降和转盘表面的平均努塞尔数都是先增大后减小,预旋孔存在一个最优的径向位置.

高位预旋进气转静盘腔换热实验

将某型发动机的涡轮盘腔结构简化成高位预旋进气的转静盘腔模型,结合热色液晶先进测温显示技术,通过实验的方法研究了转静盘间距、进气流量、旋转雷诺数以及旋流比等参数的变化对冷气降温效果和转盘换热效果的影响.实验结果表明:高位预旋进气对转盘外缘的冷却效果较好,转盘上的温度分布呈现为同心圆形状;随着旋转雷诺数和转静盘间距的增大或者进气流量的减小,冷气的总温降减小,气流对转盘的换热效果变差.

封闭转静盘腔中紊流的数值模拟

对一个旋转盘腔的流场进行了数值计算研究。该盘腔由一个旋转盘 ,一个静止盘及静止的外围屏组成。在盘腔的核心区采用标准 k-ε模型 ,在近壁区分别采用了两种低雷诺数紊流模型 ,即 (1 )单方程模型和(2 ) Launder-Sharma低雷诺数 k-ε模型 ,并且在第二个模型中考虑了固体旋转引起的耗散率降低的修正。

转盘-静盘腔内层流流动的相似分析及其N-S方程数值解

对转盘—静盘系统进行的相似分析表明：转盘—静盘腔内层流流场主要受入口流量数、旋转雷诺数、盘腔间隙系数、密封间隙系数和入口孔径比等５个参数影响。采用ＳＩＭＰＬＥ法对转盘—静盘系统层流流场进行了计算。结果表明：盘腔间隙的大小和密封冠对旋转核的存在具有决定性影响，当入口流量数减小或旋转雷诺数增大时，旋转核趋向于生成且转速增大；证明了影响径向速度的主要是惯性力，而影响周向速度的是惯性力和粘性力共同作用。通过数值计算还得到了防止外燃气“入侵”的最小入口流量数。

高旋转雷诺数下预旋进气转-静盘腔流动换热特性

运用RNG k-ε湍流模型对高旋转雷诺数和预旋进口速度下,静盘外缘预旋进气、转盘外缘轴向出流模型的流动和换热过程进行了三维数值模拟,主要研究了冷气流量Cw、旋转雷诺数R ee等参数对转盘对流换热系数和出流口温度分布的影响,并与垂直进气方式进行了对比。研究表明:预旋进气方式与垂直进气相比可降低涡轮叶片冷气入口总温;冷气流量增大以及旋转雷诺数增大均使得转盘平均换热增强;涡轮叶片入口温度随冷气流量增大而降低,随着旋转雷诺数的增大先升高后降低。

加罩转—静盘系的换热—换质实验研究

应用传热—传质类比原理于加罩转—静盘系统，通过盘缘轴向进气实验模型的研究，用萘升华法得到加罩转—静盘系旋转盘表面的局部和平均换质规律，从而类比出旋转盘的局部和平均的换热规律。文章分析了系统的几何尺寸（主要是间隙比Ｇｃ、间距比Ｇｓ）、旋转雷诺数Ｒｅθ和流量系数Ｃｗ对换质的影响。并用实验方法给出准则关系式，且对这种研究方法给出了误差分析结果。

轴向进气位置对转静盘腔传热影响的分析

本文对具有不同轴向进气位置的两个转静盘腔的流动和传热进了数值模拟。这两个盘腔除进气位置不同外,具有相同的几何结构,进气流量及温度边界条件。在盘腔的核心区采用标准k-ε紊流模型,近壁区采用单方程模型。求解并分析了包括流体域,固体域的整体温度分布以及流固界面上的努塞尔数分布。

涡旋压缩机静盘轴向补偿机构的计算分析

本文对采用静盘轴向补偿机构的涡旋压缩机的性能进行了模拟计算，给出了内部作用力和静盘稳定性随工况的变化规律。

涡旋压缩机静盘轴向补偿机构的理论模型

本文对涡旋压缩机的静盘轴向补偿机构进行了理论分析，根据对轴向密封力和静盘倾覆运动的约束条件，建立了静盘稳定性的数学模型，并且确定了此机构中限制静盘运动部件的固定位置范围。

涡旋压缩机静盘柔性机构的稳定性理论模型

对涡旋压缩机的静盘轴向柔性机构进行了理论分析，根据对轴向密封力和静盘倾覆运动的约束条件，建立了静盘稳定性的数学模型，并且确定了此机构中限制静盘运动部件的固定位置范围。为涡旋压缩机轴向柔性机构的设计提供了理论依据。

高转速转静盘腔流动换热相似性数值研究

为了得到高转速转静盘腔流动换热实验中的相似准则,在定几何、变物性、可压缩和有耗散的情况下,对转静盘腔中的控制方程进行无量纲化,得到了除无量纲位置外的8个无量纲准则数。并以高转速转静盘腔模型为基础,采用数值方法对影响发动机工况(高温)和实验工况(常温)换热相似性的主要无量纲准则数进行了研究。研究表明:流动雷诺数、旋转雷诺数、流动马赫数、旋转马赫数和转子表面温度与来流气流温度之比是影响换热相似性的主要因素。计算结果显示:在热边界条件相似时,仅需保证发动机状态与实验状态的雷诺数相等就可保证局部努塞尔数相同;仅需保证发动机状态与实验状态的马赫数相等就可保证绝热壁温分布相同;但只有保证实验状态和发动机状态的雷诺数和马赫数都相等时,无量纲换热量才保持一致。

流量比对高位预旋进气涡轮转静盘腔换热影响的数值研究

为提高冷气与涡轮盘的换热效果,针对高位预旋30°进气的转静腔耦合涡轮盘系统进行了数值模拟,研究了不同转静腔入口流量比率和转速对系统换热效果的影响,并对涡轮盘壁面平均努塞尔数Nu、盘体最高温度、盘体温度均匀性进行了分析。结果表明:转速为1×10^(4)r/min时,随着转静腔1和2的入口流量比率P从1增加到6,左壁面Nu稍有上升,右壁面Nu先增后减,在P=3时最大;盘体最高温度降低,且P<3时降幅较大,之后较小。盘体温度均匀性受P影响较小,P>2后,左右两侧径向温度均匀性几乎一致,轴向温度均匀性均优于径向,盘缘处轴向温度均匀性最差,越靠近轴心均匀性越好。在转速为6×10^(3)~1.2×10^(4)r/min时,随转速增大,系统换热效果增强。当转速<1×10;r/min时,随P增大,冷气与涡轮盘之间换热不断改善;转速>1×10^(4)r/min后,P在3附近综合换热效果较好。

接收孔周向倾角对预旋转静盘腔流动特性的影响

针对燃机透平叶片供气系统中的预旋转静盘腔,为了研究预旋转静盘腔的流动特性,建立了预旋转静盘腔计算模型,在3种预旋比(βp=0.48,0.94,1.41)和3种喷嘴径向位置(r p/r b=0.8,0.9,1.0)下,数值研究了6种接收孔周向倾角(α=70°,90°,100°,110°,120°,135°)对预旋转静盘腔流动特性的影响,分析了接收孔周向倾角对流场分布及绝热预旋效率和对接收孔流量系数的影响规律。研究结果表明:当r p/r b=0.8时,接收孔周向倾角越大,接收孔流量系数值就越大,而且大预旋比下的增强效果显著,但对绝热预旋效率的影响很小,预旋比一定时,每种喷嘴径向位置下均存在最优接收孔周向倾角,此时的绝热预旋效率和接收孔流量系数值达到最大,冷气流过接收孔时的流动损失达到最小,温降值达到最大。

转盘──静盘系统内流动的研究

由于开式转盘—静盘系统比较真实地模拟了航空发动机涡轮盘腔内有冷却空气通过时的流动情况，因此本文采用SIMPLEC算法对具有中心射流的旋转盘腔中的流动和换热进行了计算研究。控制方程采用轴对称园柱坐标系下的形式。从计算过程和结果来看，入口冷却空气的流速Uin（又可表现为雷诺数Re）。转盘的旋转角速度ω（又可表现为旋转雷诺数Reφ）、入口孔径比等均对流场有影响。本文对这种变化的影响重点讨论了出气口处径向速度v随着轴向（x方向）的变化，以期发现“入侵”的存在及其危害性大小。计算表明随着Reφ的增大，“入侵”越严重，而Re越大，“入侵”越不易产生。

转静盘腔流动瞬态响应特性研究

以航空发动机转静盘腔内非稳态流动为研究对象,基于用户自定义函数编程设置进口压力按斜坡函数变化时的非稳态边界条件,利用数值模拟方法,在滞后效应、流场演化和物性参数方面,研究了不同无量纲跃升幅值下转静盘腔流动瞬态响应机理。结果表明:无量纲跃升幅值由1.05增至1.2,盘腔内部的当地响应时间延长了81.1%,相对总温的超调量增加了157.0%,其峰值时间增加了31.3%,且进口压力波动的传播方向总是由进口指向出口;瞬态过程中,转静盘腔的容积效应和旋转效应共同作用使出口流量明显滞后进口流量,且其滞留质量流量与相对总温的超调现象密切相关;冲击射流、旋转贴壁射流和静子壁面侧的涡系构成了盘腔流场演化的主体,无量纲跃升幅值越大,流场演化过程越剧烈,响应时间越长;声速和热扩散率与盘腔响应速度密切相关。

典型进气函数下转静盘腔瞬态响应特性研究

为研究航空发动机转静盘腔非稳态流动的瞬态响应特性,建立了转静盘腔CFD计算模型,采用基于Fluent用户自定义函数(UDF)编程的非稳态数值计算方法,分别研究了进口压力以阶跃函数、斜坡函数和正弦函数变化时转静盘腔的瞬态响应特性,并提出了相应的瞬态响应特性评价指标。结果表明:不同进气函数下的转静盘腔瞬态响应特性存在明显差异,同一进气函数下盘腔中各流动参数的瞬态响应存在不同程度的滞后。阶跃函数的无量纲跃升幅值由1.025变化到1.3时,盘腔平均总压的响应时间增加了3369.2%;斜坡函数的斜坡时间由0.01s增加到0.16s时,盘腔平均总压的响应时间增加了163.9%;而正弦函数的角速度由22rad/s变化到55rad/s时,盘腔平均总压的响应时间缩短了45.6%。不同进气函数下转静盘腔平均总温随时间的变化曲线均呈现出明显的过冲现象,其峰值时间和超调量变化规律与进气函数类型密切相关。

铝合金动、静盘“一模四腔”重力铸造辅助取件装置的研发与应用

目前,涡旋式汽车空调压缩机铝合金动、静盘铸造生产,采用的生产方式为:单型腔浇铸,即每一次合、开模,生产一个动、静盘。铝合金动、静盘一模四穴的结构尚在试用阶段,在试用过程中,厂家面临这样一个难题,即一模四穴成品铸件重量达到4.5~5.5KG,大批量生产时人工取件将给工人增加上下搬运的劳动强度;人工取件需要用铁钳夹着"一模四穴"重力浇铸成型的铸件,且操作空间相对狭窄,不但工人劳动强度大,而且操作很不方便;同时间接降低了生产效率、增加了安全隐患,容易使操作工烫伤。本文介绍了一种铝合金动、静盘"一模四穴"重力铸造辅助取件装置的研发与应用,取得了良好的效果。

涡旋式汽车空调压缩机动静盘重力铸造工艺、装备创新研究

基于重力铸造铝合金汽车空调压缩机动静盘的工艺落后、生产效率低、劳动强度大、劳动成本高等问题,文章针对上述问题和影响生产成本亏损的原因进行分析探究,提出将铸造过程中的人工开模、合模改造成机械自动开模、自动合模,同时将模具工艺由一模出一件修改成一模出四件,并且共用一套液压系统和电控系统驱动一套动盘和一套静盘模具的技改方案,以期有效提高机械化水平、减轻工人劳动强度、降低人工成本、提高生产效率、节约原材料。