航空发动机轴承腔换热特性研究

轴承腔是航空发动机机械系统的重要组成部分,其换热特性对滑油系统热分析有决定性影响,为此,对航空发动机典型轴承腔的换热特性进行研究。以ANSYS有限元分析软件结合APDL语言,对典型轴承腔进行有限元建模,并对边界条件进行计算加载,得到了在不同供油量和滑油供油温度下的轴承腔换热特性曲线。采用本方法计算的轴承腔特性与发动机地面试车数据符合性良好,所得到的典型轴承腔换热特性曲线可简化滑油系统热分析,取得很好的系统计算结果。并开辟了通过提高轴承腔换热特性曲线精度而提高系统计算精度的研究途径。本文的计算方法及结果可为发动机整机试车及润滑系统设计提供参考。     

无轴向通流对转轴间的流动与传热特性

为研究航空发动机对转轴间的流动与换热,建立了无轴向通流的对转环腔湍流边界层的修正卡门三层结构速度分布模型。基于该速度分布模型并依据动量传递与热量传递的比拟理论,推导了外轴内壁面换热努塞尔数的表达式及准则关系式。与CFD数值计算的速度分布、外轴内壁面换热努塞尔数进行对比验证,结果表明,对转环腔湍流边界层的修正卡门三层结构模型给出了一致的速度分布和换热规律。理论与CFD计算得到的外轴内壁面换热努赛尔数在低旋转雷诺数下符合较好,高旋转雷诺数下偏离不超过20%。     

轴承腔壁面液膜厚度测量系统的设计与实现

航空发动机轴承腔壁面液膜厚度影响轴承腔的换热,准确测量轴承腔壁面液膜厚度对轴承腔润滑设计和热分析至关重要。针对轴承腔壁面液膜厚度难测的问题,根据脉冲反射法的基本原理,设计超声波测量系统,系统主要包括数据采集卡、电缆、探头以及延迟块等硬件以及由VC++开发的软件。以水作为介质,测量不同温度、不同倾斜角度条件下液膜厚度,并将测量结果与计算值进行对比,验证测量系统的准确性与可靠性。测量结果显示:在测量范围内,最大相对误差小于7.1%,满足工程实践要求。     

基于DPM与VOF方法轴承腔内滑油瞬态特性对比

为了研究航空发动机轴承腔内油气两相流流动特性,分别采用DPM方法和VOF方法建立了完整的数学模型,并对轴承腔内的两相流动进行了非稳态的数值模拟,获得了不同转速情况下内壁面油膜厚度和滑油体积分数的动态变化过程。通过与实验数据的对比及两种方法计算结果的对比,验证了模型的合理性。进一步计算了增大滑油流量情况下腔内滑油分布。研究结果表明：油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程,历时约0.8 s;油膜的生成位置及发展速度受转速影响较大,空气对油膜的剪切作用对油膜分布的均匀性有积极作用。     

工作参数对航空发动机轴承腔内二相流动的影响

作为航空发动机润滑系统油气二相流的重要区域,主轴承腔的工作参数对内部二相流动的影响对于发动机润滑系统设计具有重要意义。利用DPM壁面液膜模型,采用CFD方法对某型发动机轴承腔简化模型内油气二相流进行了数值计算,计算结果与现有试验数据符合良好;给出了轴承腔在不同主轴转速及不同滑油流量下油膜厚度、空气和油膜速度的分布以及出口速度变化规律。     

节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算方法

为解决节流通风的航空发动机轴承腔的腔压难以计算的问题,考虑节流孔处通风介质可压缩性,结合某典型节流通风轴承腔的实例,分析了节流通风的发动机轴承腔通风气体流动的特点,提出了其腔压计算方法.通过实例计算,结果表明:计算值与试验值的绝对误差较小,结果满足滑油系统与空气系统联合计算的工程需要.该计算方法可为节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算提供参考.      

轴承腔壁面液膜厚度数值模拟与实验测量

通过轴承腔壁面油膜厚度的实验测量以及数值模拟,对建立轴承腔壁换热模型、完善轴承腔热分析具有重要意义。通过轴承腔壁油膜流动进行量纲分析,提出了轴承腔表面的二维计算模型,并完成了对试验件的数值模拟。采用超声测量系统对轴承腔两个不同点处进行了油膜厚度测量,得到轴承腔油膜厚度随转速以及滑油流量的变化关系。将数值模拟结果与实验值进行对比表明:在计算工况条件下,测量点处最大误差小于8%,满足工程实践要求。     

轴承腔油气两相介质流动与热分析

为获得轴承腔油气两相介质流动与热分析计算方法,探究轴承腔油气两相介质流动换热规律。以某发动机轴承腔结构为对象,运用CFD方法分析轴承腔中两相介质流动速度、温度分布、体积分数和传热系数分布。基于试验获取轴承腔内外不同位置局部温度,利用温度梯度法计算热流获得传热系数。结果表明:两相介质的流动速度随径向高度增大呈现先增大后减小趋势,在无量纲径向高度为0.6时流速最大。轴承腔中转子及壁面之间的区域两相介质的温度随径向坐标增大呈现先减小后增大趋势。轴承腔内滑油主要分布在回油池及轴承腔外壁面上,回油池旁边其剪力分量和重力方向一致区域的油膜较薄,局部传热系数较小,其方向相反区域的油膜较厚,局部传热系数较大。      

滑油射流冲击旋转壁面的流动换热数值模拟研究

为研究射流流速与发动机转速对轴承腔旋转壁面冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了滑油射流冲击旋转壁面的流动与换热特性,重点关注和分析了中高转速下射流雷诺数Rej和旋转雷诺数Reω对于滑油流动和壁面整体及局部传热的影响。为体现不同工况对壁面换热的影响,分别采用了壁面平均传热量、壁面努赛尔数、局部平均努塞尔数进行了综合换热分析。研究结果表明,随着射流流速增加,壁面附着油量增多,壁面平均传热量与局部换热分别增加约32%和40%;而随着壁面转速增加,壁面附着油量下降,壁面平均传热量减少约13%,局部换热增加约62%。     

民用航空发动机燃/滑油换热计算分析验证

民用航空发动机的燃/滑油换热系统,对于发动机滑油系统及发动机的正常工作至关重要。利用Flow Simulink软件,对某型发动机燃/滑油热交换系统进行建模,计算得到滑油系统回油路的温度值。与发动机地面台架运行工况、机上地面运行工况、飞行工况下的滑油温度测量值进行的对比和误差分析表明,燃/滑油热分析模型计算结果准确。在发动机各个运行工况,尤其是高温恶劣环境下,滑油系统的最大温度低于限制值,该型发动机滑油换热系统设计合理。     

双层壳型涡轮叶片中冲击旋流换热增益效果试验

以双层壳型涡轮叶片内冷通道中旋流换热特性为研究对象,采用热膜法,对双层壳型冷却结构中的狭小受限通道中,旋流作用下换热特性的变化规律开展了细致的试验研究。重点分析了冷却空气的旋流作用对换热的强化增益效果。试验中通过改变冲击Re数(10 000～20 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.35～1.7)等参数,研究了其对旋流的形成及内表面局部换热系数的影响规律。研究发现:由于双层壳型叶片内冷通道的空间受限,冷却空气在通道内形成了旋流结构,该旋流结构显著影响了内表面的局部换热系数并可以有效提高换热效果。研究结果表明:内表面局部换热系数对冲击间距和冲击孔直径之比H/D最为敏感,对于不同冲击Re数,存在一个最佳的H/D使得旋流换热增益效果达到最大(Re=10 000时,最佳H/D为0.95;Re=15 000,20 000,最佳H/D=0.63)。     

窄通道内冲击冷却局部换热特性的瞬态液晶测量

 为了深入了解涡轮叶片中冲击窄通道内的换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术测量了冲击窄通道内全表面换热系数,获得了不同冲击雷诺数Re、相对冲击孔间距S/d以及有无气膜孔出流时通道内各表面的换热系数分布规律。结果表明：冲击通道内各个面的换热系数均随雷诺数的增加而增加,其中冲击靶面的平均换热系数最大,在雷诺数较大时,冲击面的平均换热系数要比冲击侧面的大;气膜孔出流和相对冲击孔间距增大均会使冲击侧面和冲击面的平均换热系数明显减小,而对冲击靶面平均换热系数的影响却较小;各个面上受气流直接冲击的区域换热系数最大,同时冲击孔和气膜孔附近区域的换热系数也很大。     

高湍流度时全气膜涡轮叶片表面冷却和换热特性的实验研究

为获得高主流湍流度时全气膜涡轮叶片表面的冷却和换热特性,在跨声速风洞中实验研究了质量流量比(MFR)和主流雷诺数(Re)对叶片表面气膜冷却效率和换热系数比的影响。在叶片前缘布置了5排圆形孔,在吸力面和压力面分别布置了3排和6排圆形孔,实验结果由嵌入在叶片中截面的热电偶测得。实验中基于弦长的主流雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,叶栅出口马赫数Ma为0.8, MFR的范围是5.5%～12.5%,主流湍流度Tu为14.7%。实验结果表明:主流雷诺数升高显著增强了叶片表面的换热,使层流边界层到湍流边界层的转捩位置提前。对于吸力面S/C0.2的区域(S/C为当地弧长与弦长之比),气膜冷却效率受MFR影响明显,当MFR大于7.7%时提高MFR会导致气膜冷却效率降低;该区域的换热系数比在中低雷诺数时受MFR影响较小,在高雷诺数时随MFR升高而升高。压力面S/C-0.7区域的气膜冷却效率随MFR升高而升高,-0.7S/C-0.4区域的气膜冷却效率受MFR影响较小,对于整个压力面而言,MFR升高提高了叶片表面的换热系数。相对于叶片其它区域,压力面后半段区域和吸力面的气膜冷却效率受雷诺数影响较大。     

具有中心进气外缘加热旋转盘的局部换热特性研究

实际的中心进气的气冷涡轮盘结构被简化成中心进气外缘加热的旋转盘模型, 以实验的方法研究了转速、冷气流量、盘面与静子的间隙和出气间隙对转盘表面局部换热特性的影响。转盘有效实验直径为360mm, 最大转速为3600r/min.实验结果表明:盘面的局部热流密度和对流换热系数呈“U”型分布;冷气流量加大, 盘面的换热系数提高;增加转速, 盘面外缘的换热加强。      

小空间内冲击/气膜复合冷却换热特性试验

利用相似理论的原理, 试验研究了封闭小空间内冲击/气膜复合冷却内表面的换热特性.研究中通过改变冲击Re数（1000040000）、冲击距离H和冲击孔直径D之比H/D（0.172.0）, 在2种冲击孔和气膜孔间距P和冲击孔直径D之比P/D（0, 1）条件下, 细致分析冲击Re数、H/D对复合冷却内表面局部换热特性的影响.结果表明, 在本文的试验工况中, 冲击靶板上的局部Nu数随着冲击Re的增加而不断变大, 而Nu数随着H/D的变化规律并非单调.当P/D=0, H/D=2时换热效果达到最佳;P/D=1时, 在X/D=±3范围内, 小冲击Re数条件下H/D=0.17和H/D=2的换热效果比较接近, 大冲击Re数条件下H/D=1和H/D=2的换热效果比较接近.      

旋转半受限单孔冲击局部换热特性实验

利用热膜法测量局部换热系数Nu,对旋转条件下半受限冲击射流的换热特性开展了实验研究.通过改变冲击雷诺数Re(20 00035 000)和旋转数Ro(00.003 441)等参数,讨论了旋转状态对半受限单孔冲击换热特性的影响.实验结果表明:旋转显著影响了冲击靶面的局部换热系数分布规律.在实验工况范围内,靶面局部(平均)Nu数均是先随着旋转数Ro的增加而增强,后又随着旋转数Ro的增加而减小.实验中还观察到同静止情况相似,旋转条件下半受限冲击射流的冷却效果也是随着冲击Re的增加而不断提高.      

汽雾两相流强化冷却燃气轮机叶片内冷通道

实验研究了方形通道这一重型燃气轮机中常用叶片强制对流冷却通道结构.分析了雷诺数、壁面热流密度以及水雾质量流量比等关键参数对汽雾冷却通道的传热特性的影响,并建立了考虑离散相水雾的流动工况和通道壁面加热条件的实验关联式.结果表明:相对于纯蒸汽,汽雾两相流的传热系数显著提高,且传热性能提高的幅度随热流密度的增大而减小,随雷诺数和水雾质量流量比的增大而增大;通道上壁面平均传热系数低于下壁面,在高热流密度和低水雾质量流量比下,两者相差约13%,而在低热流密度与高水雾质量流量比的情况下,该比值增加到约25%.      

涡轮叶栅端壁表面换热系数的测量

在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶片构成的直叶栅通道端壁表面的换热特性进行了试验研究。在雷诺数为 750 0 0～ 30 0 0 0 0的范围内,采用热膜法测量了端壁换热系数的分布,研究了Re数对叶栅端壁换热的影响规律;同时给出了端壁平均 St数与来流 Re数之间的准则关系式     

高速条件下吸力面复合角孔气膜冷却特性

为探究高速条件下涡轮叶片吸力面上复合角孔的气膜冷却特性,在高速风洞中实验测量了吸力面复合角孔的气膜冷却效率与传热系数比,并通过净热通量减少(NHFR)衡量了复合角孔对吸力面的气膜冷却净收益。分析了雷诺数、吹风比以及湍流度对气膜冷却效率、传热系数比及净热通量减少的影响规律,结果表明：低雷诺数下气膜冷却效率受雷诺数影响较大,但当雷诺数增大至6.4×10⁵以上时,气膜冷却效率几乎不再变化;随湍流度的增大,气膜冷却效率整体降低,低吹风比下气膜冷效对雷诺数、湍流度较为敏感。传热系数比随气膜吹风比增加而增大,但在湍流度较大时,气膜冷却对传热系数的影响降低。湍流度的增大使NHFR有所升高。研究表明对高的湍流度工况,吹风比为0.8时复合角孔呈现最佳的气膜冷却性能。     

双出口孔射流气膜冷却换热特性数值模拟

为了优化气膜冷却结构,通过数值模拟研究了一种新型气膜孔(由两个圆柱孔组成的双出口孔)的气膜冷却换热特性。利用Fluent软件对N-S方程进行求解,湍流模型采用两方程realizable k-ε模型和增强壁面函数处理。重点研究了吹风比对气膜冷却换热系数、换热系数比和热流比的影响。结果表明,换热系数随吹风比增大而增大,随x/d增大而减小,气膜孔附近尤其明显。吹风比0.5和1.0时,换热系数比随x/d增大而减小;吹风比1.5和2.0时,换热系数比随x/d增大先减小后增大。在研究的吹风比范围,双出口孔射流气膜冷却起到了削减从燃气传入叶片热流的作用。吹风比从0.5增大到1.0,热流比减小;吹风比从1.0增大到2.0,热流比增大。热流比随x/d增大而增大,气膜冷却的冷却效果减小。