叶轮对预旋系统影响的数值研究

为了研究叶轮在盖板式预旋系统中的作用,基于简化三维模型,在保证系统进口总压总温、出口压力以及供气流量不变的条件下,分别对有/无叶轮的预旋系统流动特性、功耗特性和温降特性进行了稳态数值模拟。结果表明:叶轮通过对盖板腔内的气体做功,提高了气流的旋转比,增大了盖板腔的离心升压效果,并因为降低了供气孔入口气流的相对速度从而减小了供气孔内的压力损失。进而使得喷嘴出口的静压降低,喷嘴进出口压比和喷嘴出口气流旋转比随之增大。最终更高的喷嘴出口气流旋转比会导致预旋系统的整体功耗减小约56.88k W,系统温降提高约10.2K。

熵分析法在盖板式预旋系统分析中的应用

为获得盖板式预旋系统内部流动损失的具体原因并为预旋系统的优化提供依据,基于三维流场数值计算结果,对预旋系统内的熵增以及熵产情况进行了分析。结果表明,进出口参数固定的条件下,忽略系统与外界的传热,熵增为零时可获得最大温降,随着熵增增大,温降逐渐减小;预旋系统各主要部件中供气孔处的熵增的变化量最大,约占到系统整体熵增的37%;预旋系统内湍流耗散产生的熵产比直接耗散产生的熵产大两个数量级,并且出现较大熵产的主要原因是供气孔入口处气流与预旋系统壁面之间的大速度差。

盖板式预旋系统的压比和熵增特性

对预旋系统内的压力变化相关研究较少。基于理论分析、实验测量以及数值计算,对某盖板式预旋系统的压比及熵增特性进行研究。通过理论推导,对预旋系统内压比与无量纲温降的关系进行分析。在最高转速可达10000r/min的高转速实验台上,测量了转盘上的气流静压以及相对总温,进而获得压比及熵增特性。进行三维数值计算,将数值计算结果与实验结果进行了对比,并根据数值计算结果对预旋系统内的熵产分布以及各元件的熵增情况进行分析。结果表明:系统温降以及旋转马赫数大小决定了预旋系统的理想最大压比,而实际压比与理想压比的比值取决于系统内的熵增大小。采用数值计算以及实验测量所得结果对理论关系式进行了验证,最大偏差2.7%。旋转马赫数一定的条件下,随系统无量纲温降增大,系统压比逐渐减小。由于熵增影响,实测压比与理想压比最大相差约36%。预旋系统内的熵增主要发生在预旋腔静止壁面、接受孔前后、供给孔进口等气流旋转比发生剧烈变化的区域。预旋系统内主要元件的熵增随流量增大都呈逐渐增大的趋势,但接受孔处熵增最小值出现在喷嘴出口旋转比等于1左右时,流量过小或过大都会导致接受孔处熵增变大。

直榫槽和斜榫槽两种出口结构预旋系统流动特性数值研究

采用三维数值计算方法对发动机直榫槽、斜榫槽两种出口结构的预旋系统开展模拟,研究改变预旋系统出口几何结构对叶片供气通道气体流动及压力损失的影响,并与一维工程计算方法对比。结果表明:榫槽结构由直榫槽改成斜榫槽对叶片供气通道压力损失影响较小,两种结构预旋系统进出口流量差异较小,系统出口各腔流量分配略有差异;数值计算与工程计算结果在系统进口、出口无量纲流量差别较小,上封严出口、下封严出口无量纲流量差别较大,相对偏差接近50%,封严区域流动换热复杂,需要进行三维仿真计算,以提高设计精度。

带盖板预旋系统流动与温降特性的数值模拟

为了研究带盖板预旋系统的流动与温降特性,对不同喷嘴角度和不同转速(工况)下的预旋结构模型进行数值模拟。在相同进气条件下,研究有无预旋结构和不同喷嘴角度下的盘腔流动与温降特性,分析旋转雷诺数对系统流动情况和温降效果的影响。结果表明:预旋结构在盖板腔内产生的漩涡增强了盘腔的流动,相比于无预旋结构,预旋系统的盖板腔压力和系统出口总温明显降低;随着喷嘴角度的增大,盘腔总温和静压均增大,温降效果变差;随着旋转雷诺数的增大,系统无量纲质量流量增大,无量纲温降和总压损失系数均减小;预旋角由50°减少到30°时,系统无量纲温降增加了23.7%。

预旋系统稳态和非稳态计算对比研究

针对预旋系统由于旋转引起流场和温度场参数周期性瞬态变化的问题,分别采用滑移网格的瞬态法和固定转子相位的稳态法进行数值求解,并在稳态计算中通过改变转子相位来近似模拟非稳态问题的时空变化特性。通过稳态空间平均结果与非稳态时均结果的对比,以期为预旋系统非稳态问题的低成本求解提供方法依据。结果表明:稳态计算结果与非稳态计算结果相比,周期性波动频率一致,接受孔进口处,稳态计算的压力波动幅度小39%左右,温度波动幅度小15%左右;多个相位的稳态空间平均结果与非稳态时均结果相比,压力高0.2%,温度低0.1%;采用多个计算周期数与单个周期的非稳态计算结果差异微小。当采用喷嘴出口气流中心正对接受孔迎风面前缘的转子相位时,稳态计算结果与非稳态计算时均结果最接近。

导流叶片宽度对预旋系统性能影响的数值研究

为研究导流叶片结构尺寸对盘腔预旋性能的影响,采用RNG k-ε模型对导流叶片无量纲宽度为0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0的预旋系统在不同旋转雷诺数工况下进行了数值研究。结果表明:导流叶片能够提高喷嘴压比和温降系数,旋转雷诺数越大,提高的幅度越大;旋转雷诺数较大时,喷嘴压比和温降系数随导流叶片无量纲宽度增大而增大,无量纲宽度超过0.6后,趋于平稳。当导流叶片无量纲宽度在0~0.2范围内,总压损失系数随导流叶片无量纲宽度的增大而增大;当导流叶片无量纲宽度大于0.2时,总压损失系数随导流叶片无量纲宽度的增大基本不发生变化。

带盖盘预旋系统的流动实验研究

随着航空发动机的不断发展,预旋进气成为涡轮盘腔空气冷却系统的主要进气方式.本文针对一种带盖盘的预旋系统,运用实验手段对其静压、总压等流动参数进行了研究,结果表明实验和计算的结果符合较好.湍流参数是系统内流动的主要控制参数,并且预旋进气的位置将腔内分为上下两个流动结构,其中高半径为自由涡,低半径为非自由涡.

带扩口叶栅喷嘴预旋系统流动特性数值研究

为进一步优化航空发动机径向预旋系统性能,基于叶栅型喷嘴提出带扩口型的叶栅喷嘴,采用数值计算方法对比扩口叶栅喷嘴与传统叶栅型喷嘴在径向预旋系统中的温降流阻特性,根据计算结果得到:扩口叶栅喷嘴的出口气流速度、流量系数均高于叶栅喷嘴,系统进出口压比为2.1时,扩口叶栅喷嘴的预旋系统量纲为一的温降系数比传统叶栅喷嘴高8.15%左右,系统出口旋流比高于传统叶栅喷嘴2.84%。

蒸汽/空气预旋系统温降和流阻特性对比研究

为提高燃气轮机冷气品质,基于简化的燃气轮机盖板式预旋系统,采用数值模拟方法,对比研究了进、出口压比和无量纲质量流量、旋转雷诺数对蒸汽和空气预旋系统温降和流阻特性的影响规律,并以二氧化碳作为对比研究对象,分析了其流动特性存在差异的原因。结果表明:空气的预旋温降性能明显优于蒸汽的;蒸汽和空气的预旋温降性能均随进、出口压力或无量纲质量流量的增大而降低;当旋转雷诺数由3.4×10^6增至7.1×10^6时,空气的无量纲总温降逐渐增大,而蒸汽的则先增大后减小;但空气与蒸汽的流阻性能相差不大,其总压损失系数均随无量纲质量流量增加而增大,随旋转雷诺数增大而减小。

燃气涡轮发动机预旋系统温降和功耗的作用机制与理论分析

涡轮预旋供气系统内转-静盘腔和转-转盘腔的功热转换性能直接影响涡轮旋转动叶的高温热防护。文中重点开展理论分析,揭示预旋供气系统温降和功耗二者性能指标的关联机制。理论推导结果发现,系统无量纲温降和无量纲功耗特性与旋流恢复系数、预旋半径比、预旋喷嘴出口速度系数及转子马赫数变量的函数关系呈现强关联。基于能量守恒定律,系统无量纲功耗随无量纲温降增大而线性减小;当系统温降越高时,则系统功耗越低。绝热条件下,随着预旋喷嘴出口速度系数增大、转子马赫数减小,系统无量纲温降和无量纲功耗分别呈现增大和减小的趋势。因此,温降和功耗的关联机制可以有效评估预旋供气系统性能设计的优劣。

盖板式预旋系统温降特性的实验研究

预旋供气系统是为发动机涡轮转子叶片提供合适压力、温度和流量冷却气流的部件系统,因其具有显著降低冷气相对总温的巨大潜力而受到关注。本文在系统压比1.10~1.50、涡轮盘转速3000~9720 r/min参数范围内,通过在转盘上测量气流相对总温来获得预旋系统的温降特性,并通过一系列温度校准实验来确保转盘气流温度测量的准确性。分析了转速,压比和喷嘴出口旋转比对系统温降特性的影响。研究结果表明:随着转速的升高,预旋系统温降先小幅增大,之后迅速减小,最大可达7.6 K;随着压比的增大,系统温降增大;系统无量纲温降随喷嘴出口旋转比近似呈线性变化。

基于氦氙工质的预旋系统流动与温降特性数值研究

新型空间核动力航天器以氦氙作为冷却工质对涡轮组件进行冷却。为了研究氦氙工质在预旋系统的流动与温降特性,在旋转雷诺数为1.14×10~6~3.43×10~6条件下对3种不同喷嘴结构的预旋系统模型进行了数值模拟。分析了直孔型喷嘴的不同喷嘴角度对盘腔流动与温降特性的影响。进一步优化喷嘴结构,对比了直孔型扩口型与新型叶型孔式喷嘴预旋系统的流动与温降特性,并分析了旋转雷诺数对系统流动情况与温降效果的影响。结果表明:随着喷嘴角度的增大,系统质量流量增大,温降减小;3种喷嘴结构下的预旋系统质量流量均随旋转雷诺数的增大而增大,系统温降随着旋转雷诺数的增大而减小;叶型喷嘴预旋系统的质量流量和温降分别比直孔型喷嘴增大5.1%和44.6%,比扩口型喷嘴增大0.46%和12.6%。

接受孔形状对预旋供气系统内气流流动影响研究

为对比不同形状接受孔的预旋系统内气流流动特性,通过数值模拟方法,对带有不同形状接受孔的预旋系统进行了研究。研究发现:收缩型接受孔入口截面气流流通面积较大,相对速度较小,在预旋系统中的性能最优,其次是类梯型,最后是直孔型。同一旋转雷诺数下,带收缩型接受孔的预旋系统无量纲温降较直孔型提高5.8%,总压损失系数降低3.0%。三种类型接受孔的预旋系统无量纲温降和总压损失系数均随进出口压比的增加而增大,在相同压比下,收缩型接受孔预旋系统无量纲温降最大,总压损失系数最小。

船用燃气轮机预旋系统增压设计及仿真

为了提高船用燃气轮机进口燃气压力和温度,涡轮冷却空气应当具备更大的压力来满足叶片表面气膜冷却的需求。本文优化现有的预旋系统,通过在供气孔入口布置增压叶轮,减少气流经预旋喷嘴射入盘腔和经盘腔进入供气孔的突扩损失。运用数值计算的方法对预旋系统模型进行研究,所采用的计算模型和冷吹实验与1.0设计工况数据对比具有较好的精度。研究表明:增压预旋系统和常用预旋系统具有相似的流场结构,但预旋腔内形成的涡更小,有效抑制了气流在腔内的总压损失;在增压叶轮和结构改进的作用下,冷气相对总压提高2.90%,绝对总压提高4.59%,同时增压所产生的温升变化较小,提高了冷却空气的冷却能力。

部分喷嘴关闭对预旋供气系统供气参数影响的实验研究

为了研究部分喷嘴流路关闭对预旋供气系统供气流量和供气温度等特性参数的影响,在部分喷嘴流路打开和关闭工况下进行了实验研究。研究结果表明:随着喷嘴压比增大,以几何流通面积定义的喷嘴流量系数先增大后基本保持不变,转动对喷嘴流量系数的影响在1.6%以内,可以忽略;在系统压比为1.30时,由于阀门关闭不严和关闭后预旋腔腔压的变化,供气流量降幅是喷嘴几何流通面积降幅的67.8%~81.8%,实验状态下阀门关闭会导致供气温度降低约1.2~2.4K。

叶型接受孔对高位预旋供气系统流动温降影响的实验研究

针对喷嘴与供气孔半径位置不匹配的预旋供气系统,设计了带有径向倾角的叶型接受孔,并进行了实验研究。实验同时在静子和转子上测量了系统各关键截面的压力、温度和流量,并与采用直跑道型接受孔的预旋供气系统性能进行了对比。结果表明:随流量比的增加,系统压比逐渐增大,系统温比逐渐降低;高流量比条件下,随旋转马赫数的增加,系统压比略有增加,系统温比随之降低;相较于采用跑道型接受孔的预旋供气系统,带叶型接受孔的预旋供气系统转子部件的流动损失明显减小;在设计点工况下,系统比功耗可降低23.9%,系统温降效率可提高13.7%,实验条件下的系统温降可达28.1 K,系统温降效率可达0.58。该叶型接受孔的设计思路可为喷嘴与供气孔半径位置不匹配的预旋供气系统进一步提升系统性能提供设计依据。

封严流对预旋供气系统温降特性影响的数值研究

为获得封严流对预旋供气系统温降特性的影响,基于三维稳态数值模拟方法,针对内封严出气流量、内封严进气流量、内封严进气温度和内封严进气旋转比四个因素进行了研究。结果表明:在保持供气流量和供气压力一定的条件下,封严流流出预旋腔对预旋供气系统温降特性影响微小;而封严流流入预旋腔的影响显著。内封严进气流量从0增大到喷嘴流量的20%时,温降效率降低31.3%;内封严进气温度升高37K时,温降效率降低29.2%;内封严进气旋转比从0提高到0.8时,温降效率提高15.6%。

燃气涡轮发动机预旋系统压比和熵增的作用机制与理论分析

预旋供气系统作为涡轮转子高温热防护的重要保障,具有复杂转静部件的功热转换问题。重点开展理论分析,详细揭示了预旋供气系统压比、熵增和温降特性的关联机制和演化规律,提出压比效率的数学模型,并综合评估转动部件叶轮效应的影响机制。通过公式推导和理论分析表明,在绝热定比热条件下,静子系压比和熵增均随供气流量增加而单调递减。转子系压比-熵增特性取决于供气流量、转盘转速和系统温降的影响。将复杂系统温降的关联式分解为速度系数和转子马赫数的强关联函数,明确指出系统压比随供气流量增加而减小,并随转盘转速增加基本呈现增大趋势。当预旋喷嘴旋转比大于预旋半径比的倒数时,随着转盘转速增大,系统压比反而减小。在来流工况和预旋半径比不变时,预旋供气系统内降低熵增损失是提高系统压比的重要途径。通过系统地评估转动部件叶轮效应发现,在不改变转子马赫数且保证系统压比不变的条件下,叶轮效应可以提高喷嘴出口速度系数,增大系统温降,并降低系统功耗。因此,压比和熵增特性的关联机制可以有效评估预旋供气系统性能设计的优劣。

涡轮预旋供气系统跑道型接受孔对性能影响的实验评估

接受孔对于预旋供气系统内流动和换热具有重要的作用。为对比不同形状的接受孔对预旋供气系统性能的影响,通过实验研究直跑道型、长跑道型以及斜跑道型3种典型结构的接受孔在设计点参数下对预旋供气系统温降以及功耗的影响,并主要分析斜跑道型接受孔模型的流动温降特性。结果表明:相较于采用直跑道型和长跑道型接受孔的预旋供气系统,采用斜跑道型接受孔的系统转子部件的流动损失明显减小,设计点工况下系统温降为24.9K,系统功耗为10.04kW,其比直跑道型接受孔温降效率提高3.5%,系统功耗减小4.2%,熵增减小约9.8%。且旋转马赫数一定时,预旋供气系统压比和系统温比均随着流量比的增大而增大;流量比一定时,旋转马赫数对系统压比几乎没有影响,系统温降随旋转马赫数的增加先增大后减小,两者呈现出二次函数的关系。