气垫船用燃气轮机进气系统数值模拟和模型试验研究

进行了气垫船用燃气轮机进气系统数值模拟计算及模型试验研究,结果表明所设计的进气系统完全能满足进气流场的均匀性要求。     

船舶燃气轮机进气系统中过滤装置数值模型化处理方法研究

为了研究船舶燃气轮机进气系统中,过滤装置数值模型化处理方法的模拟精度及其适用性。针对一种双通道船舶燃气轮机进气系统,分别采用Fan边界和多孔介质模型方法对过滤装置（百叶窗、滤清器）的复杂结构进行处理,开展进气系统内流场特性的详细数值计算研究。结果表明：进气系统大部分总压损失源于燃烧空气滤清器产生的总压损失和竖井中的流动损失;与Fan边界相比,多孔介质模型方法能够获得更贴合实际的进气系统流场,对系统总压损失的预测更具可靠性;两种方法计算出的进气系统流动损失相差不超过10%;使用Fan边界需保证过滤装置不产生明显的整流作用,且压力损失实验数据完备,而选用多孔介质模型需要已知过滤装置阻力系数、孔隙率等物理参数。     

轮缘封严气流与转子干涉损失机理的数值研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与下游转子的干涉机理和损失机制,在不同封严流量下,针对轮缘封严气流对下游转子气动性能和流场分布的影响进行了数值模拟。结果表明,随着封严流量增加,涡轮级效率不断降低。在轮毂到10%叶高和30%～60%叶高,流量系数增加。封严气流主要通过在转子进口封严出流不同的分布和在通道输运过程中与转子通道二次流的交互作用对转子的气动性能产生影响。同时,封严气流引起下游转子气动性能的降低,存在三个损失机制:一是封严腔体摩擦泵效应减弱,增加了封严出流与主流之间周向速度差所引起的粘性剪切损失;二是不同分布的封严出流造成进气负攻角和堵塞效应,降低了转子的做功能力;三是不同分布的封严出流在输运过程中与转子通道二次流的交互作用,导致了二次流损失加剧。     

槽道进气角和转折角对叶栅流场特性影响的研究

数值模拟了槽道进气角和转折角对开槽叶栅流场特性的影响.结果表明,槽道出口射流可以吹除叶片吸力面尾缘附面层分离气流,改善叶栅性能;存在使叶栅性能提高最大的最佳槽道进气角,随槽道进气角增大,槽内气流将因槽道几何转折角增大而增加流动损失,从而减小气流出口速度,降低其作用效果;当槽道进气角较小时,由于槽道进出口两端静压差减小,槽道对气流的加速作用下降,射流的作用效果也将降低.      

带多孔板的APU进气系统气动性能研究

为给一类APU进气系统设计提供参考,利用CFD方法,对带多孔板的双压气机构型的APU进气系统气动性能进行三维数值模拟.对多孔板开孔率为0.479的基准模型按照定配比和定总流量工况进行了研究.结果表明:APU进气系统总压损失包括多孔板附近的节流、掺混损失,喉道段流股碰撞损失,流道转弯到出口段的转弯、附面层损失;总压分布在径向上主要受流道曲率影响,周向上主要受多孔板元孔区影响.同时研究了不同开孔率下该APU进气系统气动性能.研究发现:开孔率增大,总压恢复系数随之增加;小开孔率时系统总压损失和负载端畸变主要受多孔板影响,大开孔率时流道曲率影响成主要因素.建议开孔率在0.4 ～0.6选取.     

大扩张角涡轮过渡段性能试验和数值研究

为研究某型大扩张角涡轮过渡段气动性能,对过渡段内部流场进行了详细的试验测量,同时采用CFD数值模拟对过渡段内部流场进行仿真,并与试验结果进行对比分析.结果表明:过渡段机匣表面流动受强逆压梯度影响,容易发生流动分离;轮毂表面流场受支板前缘冲击绕流的影响,呈现周向不均匀性.来流气流角使得过渡段内部流场向支板一侧偏斜,随着气流角的增大,过渡段总压损失增大.CFD模拟结果与试验测量结果吻合较好,均能很好地捕捉流场的细节特征;过渡段进、出口总压恢复系数随着来流气流角的增大而减小,CFD模拟和试验测量值的偏差约为0.2％.     

内外环对高速球轴承中球体拖曳阻力系数的影响

在液体润滑的高速球轴承中,球体公转运动会受到润滑流体的拖曳阻力,对球轴承的动力及产热等性能造成显著影响。针对球轴承中球形滚动体公转的流体拖曳阻力问题,建立平板夹层单球体绕流模型,通过数值模拟和实验研究的方法,研究内外环对球体绕流的流动特征及压力分布的影响,分析单球体绕流的拖曳阻力系数变化规律,并与开放空间球绕流模型进行对比。研究表明,建立的数值计算方法和实验结果吻合良好,误差不超过10%。在相同雷诺数下,由于内外壁面的限流作用,球体与壁面接触区域压差阻力明显增大,导致夹层空间球绕流中球体拖曳阻力系数明显高于开放空间球绕流,在103Re105内约为开放空间球体阻力系数的两倍。     

局部进气涡轮研究进展综述

涡轮是工业领域的重要部件之一,随着应用需求的多样化,涡轮的运行范围更广,而局部进气技术是实现多工况条件高效运行的关键手段之一。但局部进气会带来强烈的流场不均匀性和受力非定常性,增加了涡轮的设计和加工难度。本文首先对局部进气涡轮在不同领域的应用特征进行总结,其次对局部进气涡轮损失机理和性能影响因素开展分析,对比不同局部进气损失预测模型的精度,归纳局部进气涡轮的优化设计方法及性能提升效果,分析局部进气涡轮目前研究的不足,最终对局部进气涡轮发展趋势进行展望,为下一步局部进气涡轮性能改进提供方向。     

直升机进气道参数的试验分析

过试验的方法,分析在不同来流速度和不同机身攻角状态下各部件对直升机进气道性能的影响,并模拟了进气网罩结冰对进气道性能的影响。结果表明,当来流速度或进气流量增加的时候,总压恢复系数下降,进气畸变减小;偏流片和进气网罩均使进气畸变减小;附面层泄流槽在前飞时能使进气畸变明显减小;进气网罩堵塞使总压恢复系数下降,同时进气畸变减小。通过结果分析,得出了进气道优化设计的建议。     

支撑板型线和径向倾斜设计对燃气轮机排气扩压器气动性能的影响

支撑板结构设计直接影响燃气轮机排气扩压器的流场结构和气动性能。本文在验证数值方法可靠的基础上,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和 湍流模型的方法对带进气导叶和支撑板的排气扩压器模型进行了研究,探究在四种进气预旋下,支撑板截面型线以及本文提出的支撑板径向倾斜设计方案对排气扩压器气动性能的影响。结果表明：进气预旋和支撑板设计方式相同时,截面型线更薄的支撑板更易导致流体在支撑板附近的分离及更大范围的尾迹流,从而增大总压损失;支撑板截面形状相同时,与径向垂直设计相比,支撑板采用径向倾斜设计使得排气扩压器通道面积变化更加平缓,从而使得在四种进气预旋下,排气扩压器的总压损失系数下降7%-20%。当支撑板截面型线宽长比为0.2时,相对于径向垂直设计,支撑板采用径向倾斜设计方式的排气扩压器静压恢复系数在进气预旋 和 时分别提升了4.7%和3.8%;但在支撑板截面型线宽长比为0.12和0.175时,支撑板采用径向倾斜设计方式会降低排气扩压器在进气预旋 和 时的静压恢复性能。     

轴流涡轮基元级动叶稠度特性的数值研究

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现动叶稠度的改变对涡轮基元性能和流动情况的影响与静叶稠度存在重要关系.静叶稠度不变时,动叶稠度的改变通过影响流过涡轮基元级的流量来使基元级的反力度发生变化.当动叶稠度过大时,气流在转子中会过度膨胀加速而产生激波损失及其与附面层干涉形成的流动分离损失.动叶稠度过小时,转子进口会出现极大的正攻角致使动叶吸力面发生大范围的流动分离.静叶稠度一定时,存在一个最佳的动叶稠度,使涡轮基元级呈现最好的性能.      

1 次表面换热器在舰船燃气轮机间冷系统中的应用

1次表面换热器凭借其高效紧凑的换热特点特别适用于舰船燃气轮机的间冷系统中。为其在燃气轮机间冷系统的应用提供设计指导,在保证间冷系统性能要求的前提下减小间冷器的尺寸和体积,开展液-气1次表面换热器的换热性能和压降研究。针对舰船燃气轮机设计点间冷器的典型热力参数和布置特点,设计了满足间冷系统性能要求的间冷器模块,给出并分析了所设计的间冷器在不同冷却淡水温度和流量下的换热器性能。结果表明:在燃气轮机非设计工况下间冷器的气侧出口温度和压降会随着燃气轮机负荷的下降呈近似线性下降,在燃气轮机低负荷时需注意气体中水冷凝问题。     

基于新型涡轮冷却算法的航空发动机性能计算模型

针对气膜冷却和对流冷却两种常用的冷却方式,建立了新的涡轮冷却计算模型,并实现了与燃气涡轮发动机总体性能计算模型的耦合,得到了可考虑的不同冷却方式、适用于高涡轮前温度、大冷气量的燃气涡轮发动机总体性能计算模型,并与简化涡轮冷却模型的计算数据及试验数据作比较分析,表明新型涡轮冷却算法的可行性和能够提供更详细的涡轮部件气流参数.     

固体推进剂吸气式涡轮发动机控制规律与特性

建立了用于控制规律研究的单变量控制和双变量控制的固体推进剂吸气式涡轮火箭发动机(SPATR)特性计算模型,并编制了相应的计算程序。计算模型中采用了以试验数据为基础的燃烧室出口总温计算方法。利用程序分别计算了燃气流量不可调、燃气流量可调、尾喷管喉部面积可调以及燃气流量和尾喷管均可调的不同控制规律的SPATR发动机速度特性,并分析了其特点。对SPATR发动机进行了双变量控制规律设计,得到了相应的燃气流量调节比和尾喷管喉部面积调节比。计算结果表明,按照所设计的双变量控制规律进行控制,SPATR具有很宽的飞行包线和更好的推力特性和比冲特性。     

超声速涡轮动叶设计方法研究

研究了基于2维等熵特征线理论的超声速涡轮叶栅设计方法,通过编程开发了超声速涡轮转子叶栅设计软件,该软件可根据进、出口马赫数及进口气流角设计出需要的超声速涡轮转子叶栅。在此基础上应用FLUENT详细地分析了涡轮转子叶栅流场。结果表明:该流场分布合理,未出现激波、分离等现象,且在高载荷系数下具有较高效率。     

耦合进排气壳的增压器涡轮流动干扰及激振力弱化研究

为探究船用增压器涡轮在耦合进排气壳条件下的流动特性,采用SST湍流模型和FFT方法对某增压器轴流涡轮与进排气壳耦合的流场进行非定常数值模拟,重点分析排气壳非对称流场对涡轮动叶片压力的干扰特性和扰动来源,在此基础上提出基于导叶非对称布局的激振力弱化改型方案并进行了验证。结果表明：进气壳影响静叶前缘静压沿周向的分布,排气壳流场导致的非对称背压会给动叶表面造成低频的压力波动,约为3.6%的转子通过频率,在尾缘吸力面处该低频波动幅值大于动静叶排干涉导致的高频波动幅值;排气壳内部复杂的分离流动和涡系结构是产生上述流动干扰的主要原因。4种非对称布局方案都能在几乎不影响涡轮性能的前提下分散并弱化高频波动幅值;其中Case2尾缘高频幅值减小了98.6%,低频幅值减小了52.6%,而且涡轮效率还有略微提高,为最优布局。     

舰船燃气轮机间冷系统流动参数优化分析

在传统换热器的设计理论和方法的基础上,进行了燃气轮机间冷系统的优化设计。使用VB程序语言和VS平台开发了辅助间冷系统设计程序,利用该程序进行了某参数条件下燃气轮机间冷系统的初步设计,并分析了不同液侧进口参数对间冷系统性能的影响。分析结果表明：乙二醇水溶液流量和海水流量的增加都可以提高间冷系统性能,但流量不是越大越好,应根据条件合理选择流量;海水温度对间冷系统效率的影响很显著,优化设计时要加以考虑。     

前缘钝化和化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道特性的影响

为了探究前缘钝化、化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道的工作性能及出口温度边界层分布的影响,采用热完全气体、化学非平衡气体两种模型对不同顶板、唇口前缘钝化半径下斜爆震发动机进气道进行数值模拟,结果表明：相比基准进气道,钝化后进气道上壁面温度边界层厚度较大,下壁面温度边界层厚度较小;在化学非平衡气体模型下,顶板前缘钝化半径(R1)>2mm时进气道的顶板附近和分离区内离解反应较为明显,唇口前缘钝化半径(R2)>2mm时进气道的唇罩、唇口板附近离解反应较为明显;当钝化半径≥4mm时,两种气体模型下进气道出口总压恢复系数和静温的相对变化量绝对值大于0.5%,有必要考虑化学非平衡气体效应对进气道出口性能的影响。     

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响，计算结果表明:冷气流量增加，冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低，导叶进、出口马赫数均减小，转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%，转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小，导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.      

不同进口雷诺数下双旋流杯下游回流区特征

为了分析旋流杯下游流场结构对航空燃气轮机燃烧室性能影响的作用,利用PIV(激光粒子测速仪)技术,在常温常压下对双旋流杯下游冷态流场进行测试,研究进口雷诺数对双旋流杯下游回流区的影响.试验结果表明:当进口雷诺数较低时,下游流场结构为收扩型;当进口雷诺数增大到25000后,流场结构变为扩张型;之后继续增加进口雷诺数,回流区流场结构不再改变,但回流区内的无量纲回流速度会随之增加.