基于功势的燃气轮机广义效率研究

基于广义的物理内涵,推导出了燃气轮机的各部件的广义效率的表达式.根据各种效率具有"同时归一"的特性,从理论分析和数值计算上进行了验证.分析了各种参数对广义效率的影响.结果表明:燃气广义不仅和部件效率有紧密的自然关系,还和其他热力参数(例如压比)有内在的逻辑关联.并从燃料燃烧的广义效率的角度优化了压气机压比.      

ICR循环燃气轮机的仿真研究

采用MATLAB和VC混合编程的方法,建立了不同循环燃气轮机的热力性能仿真模型,并利用该模型对比研究了压比、燃气初温、间冷度、回热度等参数对ICR(间冷-回热)循环比功和效率的影响.研究表明:在给定条件下,合理匹配压比、燃气初温、间冷度和回热度等参数,可使ICR循环的比功和效率均达到最大;与单循环相比,ICR循环的比功...     

内燃波转子技术对燃气涡轮发动机性能影响

为研究内燃波转子技术提高燃气涡轮发动机性能变化规律,建立内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环分析模型,开展内燃波转子通道出口气流马赫数、压气机压比等参数变化对燃气涡轮发动机性能的影响研究,探讨了内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环状态参数变化规律.研究结果表明:当压气机压比等于3.6时,发动机比推力和热循环总效率最大提高23.709%,耗油率最大减少19.165%;当通道出口气流马赫数等于0.6时,发动机比推力最大增幅达23.736%,此时压气机压比为4.4、发动机热循环总效率32.216%和耗油率减少24.366%,熵增减少7.864%,验证了内燃波转子技术能够提高燃气涡轮发动机总体性能.研究结果为深入开展内燃波转子燃气涡轮发动机基础理论和关键技术研究奠定基础.      

固体燃料空气涡轮火箭发动机方案和技术研究

针对固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)的工作特点,提出了双燃气发生器的加力工作模式,并根据总体性能要求确定了部件的工作参数。主要采用数值模拟和实验研究相结合的手段,分别针对压气机和涡轮部件开展了气动设计和增压装置集成,获得了工作特性,并完成了增压系统工作特性的冷流实验验证。开展了考虑涡轮后低温旋流条件下多股气流的高效掺混燃烧研究,通过研究涡轮转速、空气入射角度、补燃室富燃燃气流量和富燃燃气射流位置对燃烧效率的影响,确定了原理样机和关键部件的恰当形式和布局方式。最终开展了原理样机的地面热试实验,验证了双燃气发生器的SPATR发动机的工作原理,热试实验结果表明燃气涡轮增压装置工作可靠,性能满足设计要求,其中压气机压比达到了3.3,转速为82kr/min,补燃室燃烧效率为85.21%。     

涡轮电力分布式推进设计参数优化选择分析

为研究涡轮电力分布式推进系统（Turbo-electric Distributed Propulsion system简称TeDP）设计参数的选择，基于部件法对整个TeDP系统建立设计点性能计算模型，推导了TeDP的有效功在涡轴尾喷管和风扇系统间的最佳分配关系。在此基础上，以ECO-150-300客机作为应用对象，采用差分进化算法，以设计巡航点的耗油率作为优化目标，对TeDP的循环参数进行优化选择；然后对优化后的循环参数进行分析，并将优化结果与大涵道比涡扇发动机作对比。结果表明，优化后的巡航耗油率比原系统下降了7.68%；存在最佳风扇设计压比使风扇涵道效率最高，最佳设计压比与涵道的总压损失有关；TeDP系统的耗油率对电部件传输效率、自由涡轮效率和风扇绝热效率最为敏感，当效率分别降低1.0%时，耗油率分别上升1.0%,0.94%和0.85%；与涵道比为20的齿轮传动涡扇发动机相比，当电部件传输效率大于0.95时，TeDP才显现经济优势，当电部件传输效率接近1时，TeDP耗油率下降了5.40%。     

回热式工质驱动分布式推进系统参数研究

为研究以回热后的压气机引气驱动推进器风扇的工质驱动分布式推进系统（Recuperated Gas-Driven Distributed Propulsion,RGDDP）,对其热力循环过程和能量流动展开研究。基于部件法建立了推进系统的设计点计算模型,分析了引气参数和推进器风扇压比对推进系统耗油率的影响,在此基础上,分析了推进系统耗油率对部件效率的敏感性。在不同循环参数下与涡轮电分布式推进系统（Turbo-electric Distributed Propulsion,TeDP）的耗油率进行了对比,得到了RGDDP的热力循环特征。结果表明,引气参数存在最优组合使得推进系统的耗油率最低,同时耗油率对能量传输相关的部件效率敏感性最高;与TeDP相比,涡轮前温度对推进系统的耗油率影响更大,而总压比的影响较小;总涵道比为20时,相对于TeDP,RGDDP具有一定耗油率收益,随着总压比的升高收益降低,总压比为66时仍有3%左右的收益。提高RGDDP总体效率的关键在于降低能量传输过程中的损失并提高换热效率。     

燃气涡轮推进技术的未来发展

为了提高发动机热效率和推进效率 ,涡轮前温度和压气机压比逐年不断增长 ,涵道比不断提高 ,未来航空发动机的循环参数将进一步提高热效率和推进效率。部件技术在增压系统的设计方面 ,民用发动机总增比迅速提高。军用机的风扇压比不断提高。燃烧部件普遍采用短环型 ,但减轻重量已不是发展方向。对民机降低污染提出了更高要求。涡轮部件要求不断提高涡轮前温度 ,改进冷却方法 ,选用新型材料。喷管采用推力换向喷管。控制系统全权限电子数字式控制系统的投入使用给发动机设计带来了新的自由度。结构设计要充分利用材料 ,零件强度分析按其真实工作条件进行。试验技术要把计算和试验很好地结合起来 ,二者相辅相成。先进的发动机应按照系统工程的观点与飞机进行一体化设计并要求各学科综合。     

闭式布雷顿循环发电系统热力过程建模及其参数影响研究

针对闭式布雷顿循环发电系统热力循环过程及其参数影响,开展系统的热力过程参数建模研究,建立系统发电功率、比功率和效率的计算模型;在此基础上,研究闭式布雷顿循环发电系统比功率和效率随涡轮入口总温及效率、压气机入口总温、压气机压比及效率、累积总压恢复系数等的变化规律,考虑参数灵敏度及其优化潜力,提出可用灵敏度并对系统的比功率和效率进行灵敏度分析。研究表明,闭式布雷顿循环发电系统的比功率和效率随涡轮入口总温及效率、压气机压比及效率、系统累积总压恢复系数等参数的增大而增高,随压气机入口总温的增大而减小。在压气机入口总温、压比与效率、涡轮入口总温及效率、累积总压恢复系数等主要热力参数中,系统比功率灵敏度最高的参数为涡轮效率,系统效率灵敏度最高的参数为压气机压比。考虑参数的实际优化潜力,在循环工质一定的条件下,系统比功率可用灵敏度最高的参数为涡轮入口总温,系统效率可用灵敏度最高的参数为压气机压比。     

甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭发动机性能分析

为研究以甲烷燃料为冷却剂的膨胀循环空气涡轮火箭发动机可行性及性能,采用部件法建立了甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭（Air-Turborocket, ATR）发动机性能评估模型,研究了压气机压比和冷却剂当量比等参数在不同飞行状态下对发动机性能的影响,分析了不同来流工况下发动机正常工作对各部件的性能需求。计算结果表明,通过大于1.0倍当量比甲烷预冷作用,甲烷预冷膨胀循环ATR发动机能在压气机压比低于2.0条件下实现Ma0~4.0速域连续工作,但由于甲烷焓值较低,限制了压气机压比的提升,因此甲烷较低的单位功是限制发动机性能改进的主要因素;甲烷预冷膨胀循环ATR发动机的涡轮功率只有在较高落压比和甲烷压力条件下才能平衡压气机功率需求;冷却循环系统与空气的热力循环匹配问题是各部件协同工作的关键,通过适当选取发动机各部件控制参数,能在Ma0~4.0速域内获得1250~2114s的比冲、70~110s的单位推力和50%的总效率。     

火箭发动机燃气射流喷水降噪研究

采用有限体积法预估喷水对火箭燃气射流气动噪声的抑制程度.建立并求解了守恒的控制体的质量、动量和能量方程,得到了燃气和水掺混后的等效射流参数,分析了水和燃气的质量流率比对等效射流参数和降噪效果的影响.计算结果和试验数据的结果基本吻合.结果显示,当水和燃气的质量流率比超过一个临界值之后,降噪效率会降低.      

静压气体轴承气膜力及其与转子耦合动力学特性研究

针对静压气体轴承,进行三维实体建模,采用供气孔区域非结构化网格和非供气孔区域结构化网格相结合的网格划分方法;采用基于有限体积法的计算流体动力学(CFD)商业软件对三维稳态可压缩气体Navier-Stokes(N-S)方程进行求解;根据计算结果,通过数据拟合获得了考虑转子偏心和转速的静压气体轴承气膜支承力模型.基于有限元法建立了气体轴承-转子系统动力学模型,采用Newmark逐步积分法求解了系统的临界转速和不平衡响应.在此基础上进行实验测试,验证了数值仿真结果.研究结果表明:低速、小偏心下,气膜主支承力随偏心呈近似线性变化;高速、大偏心下,气膜主支承力急剧增大,气体轴承的动压效应显著增强;气膜x,y向耦合支承力随转速和偏心呈非线性变化;转子系统一、二阶临界转速对当前结构刚度变化比较敏感,而三阶临界转速对此不敏感.因此,气体轴承气膜支承力的非线性特性及其与转子耦合动力学特性较为复杂,在对气体轴承进行结构设计时,应充分考虑其与转子的耦合,合理设计工作转速范围.      

航空用燃气发生器和高温放气阀的设计原则及试验

分析了燃气发生器和高温放气阀的作用及必要性,阐述了两者的设计思路,提出了有关的设计原则,并根据该原则设计研制出了满足技术指标的燃气发生器和高温放气阀.对两者进行一系列试验,验证了设计原则的正确性.结果表明:燃气发生器在最小空气流量为0.025kg/s,最高燃气工作温度为950℃,燃气温度波动范围为±10℃,实现稳定工作;高温放气阀在1200℃时能实现不漏气、灵活可靠的工作.上述技术指标均高于我国目前地面上使用的、车用的同类试验设备.利用该两项试验设备,可准确、完整地得到涡轮增压器特性,为实现航空活塞发动机的优良高空性能提供了依据.      

基于成分的燃烧室出口燃气温度计算方法

针对燃烧室不同温度下燃气组成的不同,提出建立不同燃气模型以推算燃气温度的两种计算方法。基于物质守恒、化学平衡和能量守恒原理建立温度计算方程,根据能量守恒方程的不同表达形式给出平均比定压热容法和焓值法,同时给出两种求解非线性方程组的数学解法:三变量迭代法和牛顿法,并采用VB(Visual Basic)编制燃气分析测试程序实现温度算法。列举计算实例比较两种算法的区别,结果显示:随着油气比的增加,两种计算方法得到的燃气温度相差越大,考虑热离解的高温算法结果更小,原因在于燃气中离解组分的摩尔分数随着温度升高而增加,燃烧实际放热量减小,导致燃气温度减小,所以当燃气温度较高时建议采用高温算法更符合实际燃烧情况。      

气膜约束对轴系固有频率影响的试验

对10kg转子进行自由状态和有气膜约束两种状态下的试验模态分析,试验结果给出了转子平动、锥动和一阶弯曲时的固有频率及其振型等模态参数,分析了轴承供气压力变化对轴系固有频率的影响.进行了轴系升降速试验,结果表明:气膜约束下的模态分析结果比自由状态下的更接近于升降速试验的结果.试验结果为气体轴系固有频率的确定以及控制参数的选取提供了依据,也为下一步轴系振动控制奠定了基础.      

意外点火时燃气排导系统流场仿真分析

根据舰载垂直发射系统的结构特点,对其物理模型进行了简化,并通过采用Fluent软件求解三维、雷诺平均N-S方程的方法,利用k-ε二方程模型,对导弹意外点火情况下垂直发射装置燃气排导系统内的压强分布特性进行了模拟分析,尤其是对当排气盖部分被冲破瞬间以及排气盖盖体被冲破1块、2块和3块这几种情况下的排导系统内部的压强分布特性进行了模拟计算。通过数值模拟,得到了在导弹意外点火情况下,燃气排导系统内部不同位置的压强分布规律,并给出了一些特性曲线,对垂直发射装置的机械强度设计有很大的参考价值。     

燃气轮机气路测量参数的模糊智能选择

针对燃气轮机气路性能的监测诊断需求,基于气路小偏差分析得到的影响系数矩阵,首先从测量参数选择的相关性要求出发,应用模糊聚类分析方法得到了要求数目的目标聚类;进一步从参数选择的敏感性等要求出发,通过模糊综合评价方法从多元素聚类中筛选出了各自的代表测量参数,从而实现了燃气轮机气路测量参数的模糊智能选择.实例表明:利用模糊聚类分析方法可直接实现测量参数的相关性选择,并可以方便可靠地根据目标要求选择合理的测量参数组合,利用模糊综合评价方法的测量参数的敏感性选择更为有效可靠.     

燃气轮机燃烧室燃烧气体燃料的数值模拟

采用数值模拟方法对燃气轮机环形燃烧室燃烧天然气、中低热值燃料进行燃烧性能的数值分析。根据该燃机的结构特点建立了包括扩压器、机匣等部件计算几何模型;计算中采用SIM-PLE算法,可实现k-ε双方程湍流模型,六通量辐射模型、非绝热概率密度函数（PDF）燃烧模型及热力型NO模型对其进行燃烧数值模拟,分析了燃气轮机环形燃烧室燃烧3种燃料性能。计算结果表明：该燃机燃烧天然气、中热值燃料燃烧性能均能达到设计状态,而燃烧低热值燃料燃烧室出口温度较低,表明燃烧过程的数值模拟可为进一步优化燃烧室的结构,改善流场结构提供有用的设计依据,适合于工程应用。     

用于某重型燃气轮机的气体流量试验器研制

阐述了自行研制的某型气体流量试验器的设计思路、系统组成、构件选择以及相关试验.该试验器用于国家863重大项目R0110重型燃机燃烧室喷嘴气体流量测量.该试验器巧妙地将测量系统、操作系统、数据显示、采集与处理系统结合在一起,不仅使设备结构紧凑,占地空间小,实现了单人操作完成试验,并且进气调节系统、冷却器、加温器各成单元便于拆装、运输以及检修、更换.试验器运行稳定,测量精确,成为一种通用高精度气体流量试验系统,可广泛应用于航空发动机、地面燃气轮机和燃用气体燃料的动力装置的喷嘴流量测量.     

含气率对液力透平影响的非定常分析

为了研究含气率对液力透平内部压力的影响，以比转速为84.5的单级单吸离心泵反转作液力透平并对其内部流场进行CFD瞬态数值模拟，获得了气体在液力透平内的分布规律以及气液两相介质下透平内部流场的压力脉动变化规律。结果表明:从蜗壳进口到叶轮出口,含气率逐渐增加，含气率等于0.2时蜗壳出口、叶轮进口气体的尾迹效应明显，分布不够均匀。叶轮出口有气体聚集现象，气体体积分数越高，聚集现象越明显。进口含气率对透平蜗壳、叶轮内各点的相对压力分布影响明显，各点的相对压力随着透平进口含气率增加而降低。含气率小于0.05时其对透平内各监测点的压力脉动主频幅值影响不大，含气率大于0.05后其对液力透平内各监测点的压力脉动主频幅值有影响，含气率越高，压力脉动主频幅值越小。不同含气率下液力透平蜗壳周向、径向以及叶轮内的压力脉动主频均等于叶轮叶片的转动频率。      

基于推力功势的航空燃气轮机故障性能研究

利用热力学第二定律的功势转化指标之一的推力功势转化性能指标,对航空燃气轮机在性能故障下进行了数学建模,采用了小偏差的方法推导出了故障性能系数矩阵,从推力功势转化性能和传统的效率表示的性能对比、各部件之间的推力功势转化性能比较、燃气轮机系统推力功势转化性能这三个方面进行了分析研究.结果表明:推力功势转化性能指标从能源转化为有用功的角度更好地衡量燃气轮机的故障性能.为进一步研究各种故障下燃气轮机的能源转化和利用的性能趋势,奠定基础.