航空发动机整机空气系统流动与传热数值模拟

为了研究航空发动机整机空气系统内流动与传热特性,本文以涡扇发动机整机空气系统为对象,主要包括压气机盘腔、涡轮盘腔、低压轴前后腔、前后轴承腔等旋转盘腔和大量的流阻换热单元以及相邻的结构部件。所研究的是一个多腔相连,多进口,多出口,流固耦合传热的复杂问题,分析了发动机真实状况下空气系统内的流动与传热特性。采用Mixture多相流模型进行数值计算得到了该系统的速度场、压力场和温度场。结果表明：该系统内的流场是复杂的多涡流场,多个出口出现燃气倒灌;整个系统的腔压大致从前到后逐渐升高;由于主流通道燃气的入侵,导致高、低压涡轮盘的温度较高,后轴承腔内滑油的冷却作用较为明显。本文的工作使得对发动机整机空气系统的研究不再局限于一维计算,为空气系统的设计提供了理论依据。     

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

涡扇发动机涡轮空气系统流动和传热性能的CFD分析

以典型的小型涡轮风扇发动机的涡轮空气系统为研究对象,用数值计算的方法研究了包括高低压涡轮盘腔、导向器内腔、轴承腔和相连的冷却气路在内的流动和传热特性.所研究的是一个多腔相连的多进口、多出口流动与传热问题,在研究中采用了流体域和固体域整体建模耦合计算的方法.根据计算结果,分析了结构参数和气动参数对该系统,尤其是其中轴承腔的温度分布的影响规律,提出了降低轴承腔温度的措施,并分析了各项措施的降温效果.充分展示了数值计算仿真在发动机空气系统分析方面的潜力.      

航空发动机旋转盘腔温升抑制方法

正航空发动机旋转盘腔是空气系统中的常见结构,也是冷却空气所经主要流路。盘腔内气体的流动结构、温度分布特征以及盘的传热特性,将直接影响发动机部件的冷却和封严,进而影响发动机的性能、寿命和工作安全可靠性。旋转盘腔内部的流动和换热一直是发动机研究领域关注的一个经典问题。盘腔结构中流动和传热特性的研究涉及气动、传热、强度等多个学科,各航空技术发达国家针对这一课题开展了大量的基础和型号应用研究。但目前国内外对航空发动机旋转盘腔的设计,仍主要依赖于过往经验,缺少针对旋转盘腔换热的系统性研究。近些年,随着大型商业软件的快速发展,旋转盘腔的流动换热研究中逐步采用了CFD数值模拟的方法。     

旋转盘腔瞬态响应特性的研究

为保证发动机在飞行包线内正常运转,需研究旋转盘腔的瞬态响应特性。采用1-D模型方法和计算流体力学(CFD方法对旋转盘腔进口压力突升的情况进行非稳态数值计算,所得结果与文献中的结果进行对比,提出1-D模型方法的一些缺点,并证明了CFD计算的正确性。然后用CFD方法并通过用户自定义函数(UDF编程研究了进口压力渐增、正弦变化以及盘腔尺寸对旋转盘腔流动瞬态响应特性的影响。结果表明:1-D模型的计算结果不能显示出CFD模型计算结果的一个高阶震荡;进口压力以不同方式变化,瞬态响应存在不同程度的滞后;进口压力突增和进口压力渐增响应的特征时间比进口压力正弦变化的特征时间分别增加56.0%和106.4%盘腔宽径比由0.2变化到0.39时,腔内均压变高,出口质量流量变低,特征响应时间缩短至40%当宽径比由0.2变化到0.58时,特征响应时间缩短至25%。     

高压压气机盘瞬态温度场计算研究

为了对压气机轮盘疲劳寿命评估和结构优化提供相应的温度场数据,采用有限元分析软件ANSYS,建立了某型发动机高压压气机转子的二维整体模型,讨论了高压压气机不同部位的边界条件和旋转盘腔内换热的规律,对高压压气机在发动机从慢车状态到最大状态下的瞬态温度场进行了计算,并分析了盘的径向温差随时间变化关系。计算结果表明：各级盘的径向温差产生在轮缘与盘中心孔附近的厚块之间;在温度场趋于稳定的过程中,径向温差先增大后减小;各级盘的最大径向温差随转子级数增加而增大。     

压气机和涡轮转子三维温度场计算研究

为了对压气机盘和涡轮盘低循环疲劳寿命分析提供温度场数据,采用ANSYS计算软件的热分析模块对某型航空发动机高压压气机转子瞬态温度场和低压涡轮转子三维稳态温度场进行计算研究。重点分析旋转盘腔、旋转轴系、封严篦齿、榫头装配间隙等部位的换热规律;计算结果与相关文献进行对比,验证转子温度场计算方法的可行性。计算结果表明：从慢车到最大状态过程中,高压压气机盘最大径向温差先增加后减小直至稳定,中心孔附近较厚区域温度梯度最大;低压涡轮盘中下部沿轴向盘面温差很小,整个轮盘高温区域集中在轮盘盘缘。     

对转盘腔换热特性数值研究

航空发动机中对转涡轮设计使得对转盘腔内冷气的流动和换热问题被关注。为探究对转盘腔的换热特性及其影响因素,对几何简化后的中心进气对转盘腔模型进行流-热-固耦合数值模拟。结果表明:下游盘换热效果强于上游盘;冷气流量的增大对两盘换热均有显著增强作用,当流量增加一倍时平均努赛尔数升高幅度超过70%;轮盘转速的提高只会增强转速改变轮盘的换热,对另一个转速不变轮盘的换热影响不大;在间隙比G=0.1～0.4,两盘间隙的减小增强上游盘的换热,对下游盘换热影响不大。     

不同进口条件下向心流转静系盘腔流动特性研究

在典型中小型航空发动机空气系统中,用于高压涡轮冷却、封严的空气一般需要经过离心压气机叶轮背腔,因此掌握以离心压气机叶轮背腔为代表的向心入流转静系盘腔内流动特点及压力分布是保证空气系统各项功能实现的关键。采用数值模拟方法对带有向心入流的转静系盘腔流动开展研究,研究不同来流条件下不同间距比的转静系盘腔流动特点及盘腔内压力分布。结果表明:在间距比G=0.01~0.2内,不同进口条件下盘腔内的流动均为Batchelor流型,即转盘与静盘具有独立边界层,边界层之间为核心区;当径向罗斯比数远小于1时,在核心区内流动满足径向平衡方程,此时盘腔内旋转比分布决定了盘腔内压力分布;对于满足径向平衡方程的此类盘腔,盘腔内流动由进口旋转比β_0、紊流参数λ_T、间距比G决定;进一步的,得到了不同β_0,λ_T,G下盘腔出口旋转比及核心区内旋转比变化规律,分析发现小间距比工况下核心区内旋转比满足5/7幂指数关系;大间距比工况下旋转比满足修正5/7幂指数关系,通过得到的旋转比关联式可以计算出盘腔内的压力分布。     

某型发动机风扇二级叶片/盘疲劳寿命研究

对某发动机风扇二级叶片/盘疲劳寿命进行了理论计算和试验研究。应用Ansys软件建立了该发动机风扇二级叶片振动分析有限元计算模型,并对其一阶弯曲共振时的应力分布进行有限元数值仿真分析,得到了叶尖振幅与叶背应力的关系;基于一阶弯曲共振模态,对叶片进行了疲劳寿命试验,获得了改型前后叶片的疲劳寿命。建立了轮盘应力分析有限元模型,计算得到了轮盘的应力分布,并以此应力分布为基础,计算得到了轮盘的疲劳寿命。研究结果表明:改型前后,叶片的疲劳寿命增大了4.1倍;叶片改型前后,无论是大间隙还是小间隙,改型后盘的疲劳寿命较改型前有所下降,但改型前后盘的疲劳寿命均满足设计要求。     

高位垂直进气旋转盘流动与换热的实验研究

本文用实验的方法对高位垂直进气转静系旋转盘附近冷气流动与换热特性进行了实验研究, 得到了静盘表面压力、转盘表面温度、局部努赛尔特数的分布及平均努赛尔特数, 并对结果进行了相应的分析。      

反旋进气盘腔内流动与换热的数值模拟

应用RNGk-ε湍流模型对围屏上带反旋喷嘴的径向内流旋转涡轮盘腔内的流动与换热进行了数值模拟,揭示了盘腔内的压力损失及冷气流量、旋转雷诺数、湍流参数等因素对盘腔内流动换热的影响.计算结果表明:盘腔内的流动结构主要由湍流参数决定;在某一旋转雷诺数下盘腔内压力损失随冷气流量的增大而呈现S型变化;反旋喷嘴的应用能有效地降低盘腔内的压力损失;转盘附近的努赛尔数随冷气流量及旋转雷诺数的增大而增大.      

Modelling internal air systems ingas turbine engines

Rotating-disc systems can be used to model,experimentally and computationally,the flow and heat transfer that occur inside the internal cooling-air systems of gas turbine engines.These rotating-disc systems have been used successfully to simplify and understand some of the complex flows that occur in internal-air systems,and designers have used this insight to improve the cooling effectiveness,thereby increasing the engine efficiency and reducing the emissions.In this review paper,three important cases are considered:hot-gas ingress;the pre-swirl system;and buoyancy-induced flow.Ingress,or ingestion,occurs when hot gas from the mainstream gas path is ingested into the wheel-space between the turbine disc and its adjacent casing.Rim seals are fitted at the periphery of the system,and sealing flow is used to reduce or prevent ingress.However,too much sealing air reduces the engine efficiency,and too little can cause serious overheating,resulting in damage to the turbine rim and blade roots.Although the flow is three-dimensional and unsteady,there are encouraging signs that simple ‘orifice models’ could be used to estimate the amount of ingress into the wheel-space.In a pre-swirl system,the cooling air for the gas-turbine blades is swirled by stationary nozzles,and the air is delivered to the blades via receiver holes in the rotating turbine disc.Swirling the air reduces its temperature relative to the rotating blades,and the designer needs to calculate the air temperature and pressure drop in the system.The designer also needs to calculate the effect of this swirling flow on the heat transfer from the turbine disc to the air,as this has a significant effect on the temperature distribution and stresses in the disc.Recent experimental and computational studies have given a better understanding of the flow and heat transfer in these systems.Buoyancy-induced flow occurs in the cavity between two co-rotating compressor discs when the temperature of the discs is higher than that of the air in the cavity.Coriolis forces create cyclonic and anti-cyclonic circulation inside the cavity and,as such flows are three-dimensional and unsteady,the heat transfer from the discs to the air is difficult either to compute or to measure.The flow also tends to be unstable and one flow structure can change quasi-randomly to another,which makes it hard for designers of aero-engines to calculate the transient temperature changes and thermal stresses in the discs during take-off,cruise and landing conditions.Although recent CFD research has been successful in computing these flows,it will be many years before the designer can rely on computations unless they have been validated on reliable experimental data.      

有去旋进气共转盘腔内流动换热数值模拟

对左边转盘高位带去旋孔且附有内隔片的共转盘腔内的流动和换热进行了数值模拟.揭示了去旋角、旋转雷诺数、去旋喷嘴进气无量纲流量系数等参数对共转盘腔内的流动结构、压力损失和换热效果的影响.结果表明:盘腔内的总压降随无量纲流量系数的增加呈"S"形变化趋势;旋转雷诺数和冷气无量纲流量系数的增大都能增强转盘表面的换热效果;与预旋转静盘腔相比,去旋进气共转盘腔能使出口气流温度更低,冷却效果更好.      

不同去旋角度进气共转盘腔内流动与换热研究

以带有去旋喷嘴的共转盘腔为研究对象,运用RNG k-ε湍流模型,分别对3种喷嘴角度（90°、60°、30°）的3维模型进行了数值计算,揭示了去旋角度对盘腔内气体切向速度、盘腔内压降和转盘表面换热的影响规律。研究结果表明：随着去旋角度的减小,盘腔内气体的切向速度减小,盘腔内压降减小,转盘表面的局部努赛尔数Nur增大。     

高压涡轮后腔流阻特性与瞬态换热试验研究

在航空发动机二次流系统中,涡轮盘腔的流动和换热问题伴随着复杂的几何、流动及热边界条件,为探究其流场和换热特性对发动机设计的重要作用,对一具有预旋进气孔和高、低半径出口的高压涡轮后腔内的流阻特性和转盘盘面的换热特性进行了试验研究,主要应用瞬态液晶测试技术对转盘表面的对流换热特性进行了测量。在试验中,旋转雷诺数Re_ф变化范围为8×10~5~1.0×10~6,无量纲二次流量(流量系数)C_W变化范围为5.29×10~3~1.19×10~4。试验结果表明:腔内压力及流阻特性受进气流量C_W和转盘转速Re_ф的影响;转盘表面的换热随着半径的递增以及预旋比β_p的增大而增强;出口湍流参数λ_T对换热特性影响很小。     

轴向通流旋转盘腔内换热的数值模拟

以数值模拟的方法,采用旋转坐标系稳态方程,研究了轴向通流旋转盘腔内的换热。主要讨论了流动对换热的作用以及旋转系下各力对换热的影响,给出了盘腔内的换热随各无量纲参数的变化规律。研究结果表明:哥氏力的增大削弱了轴向通流旋转盘腔内的换热,惯性力和浮升力的增大增强了换热;反映在无量纲参数上,随着进口雷诺数的提高,盘腔内的换热增强;随着瑞利数的提高(提高转速),盘腔内的换热经历一个缓慢变化-突增-缓慢变化的过程,换热的突然增强是冷气流穿透盘腔所致。