间冷回热循环航空发动机参数匹配研究

在常规大涵道比涡扇发动机热力循环基础上增加间冷过程和回热过程,发展了间冷回热循环航空发动机(IRA)的计算模型和相应的性能仿真程序.分析了采用间冷回热技术的分排大涵道比涡扇发动机的热力循环参数选择与匹配.结果表明:间冷度、回热度、外涵道间冷用气量、增压级和高压压气机压比分配、总增压比、涵道比等热力循环参数对IRA的性能有很大影响;合理应用间冷回热技术,并优化发动机热力循环参数匹配可以显著改善发动机的性能.      

微型燃气轮机回热器的结构参数对其性能影响的计算分析

分析了一种适用于微型燃气轮机的回热器的结构特点,计算了该回热器的回热度和压损,并分析了各结构参数对其性能的影响规律.在限定回热器体积的情况下,提高回热度和降低压损两者相矛盾,为协调好这两个参数,可在给定燃气轮机其它部件参数的情况下,根据使整机效率最大化的原则优化回热器结构参数,得到尽量高的回热度和尽量小的压损.     

变温热源内可逆闭式中冷回热布雷顿循环的功率和效率

应用有限时间热力学方法，首次研究了变温热源条件下内可逆闭式中冷回热布雷顿循环的性能。导出了无因次功率及效率的解析式，由数值计算，分析了循环最优功率和最优效率时的最佳中间压比分配。并研究了中冷度，回热度和高低温侧换热器的有效度，循环热源进口温比以及中冷源与低温侧热源进口温比对循环性能的影响。     

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。     

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.      

基于功势的燃气轮机燃气马力效率研究

基于燃气马力的物理内涵,推导出了燃气轮机各部件的燃气马力效率的表达式。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。分析了各种参数对燃气马力效率的影响。结果表明：燃气马力效率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。并从燃料燃烧的燃气马力效率的角度优化了压气机压比。     

不可逆闭式中冷回热布雷顿循环效率优化

应用有限时间热力学的方法优化了恒温热源条件下不可逆闭式中冷回热布雷顿循环的中间压比分配和高温侧换热器、低温侧换热器、中冷器及回热器热导率分配，得到了循环最大热效率；通过进一步优化总压比，又得到了双重最大效率。最后通过数值计算，研究了一些重要参数对循环优化结果的影响。     

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%。     

压气机效率的正确变比热计算

随着实际压气机压机压比不断增高，按定比热等熵指数ｋ＝１．４的算法，误差越来越大。文中按照给定或实验测定压比，初温，终温的命题，给出计算效率的正确变化比热算法，并控压比５至３０分档作出算例，同时检验出，如简单地按初温冬温求ｋ算效率误差很大，几乎与定比热法同一量级。工程中常年用定比热已久，如何给出简便校正方法。尚待研究。     

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。     

考虑环境温度变化时燃气轮机控制策略优化选择

针对某型简单循环三轴燃气轮机,基于面向对象的建模理念,运用模块化建模方法,建立了三轴燃气轮机的热力学模型,开展了环境温度变化时的稳态性能仿真。在1.00和0.35两种工况下,分析了四种不同控制策略下,环境温度对燃气轮机重要监控参数及装置的比功率、热效率等的影响,并将计算结果与燃气轮机台架试车实际数据进行了对比分析。结果表明:不同控制策略及不同工况下,环境温度对三轴燃气轮机的影响程度不同,需要综合考虑相关因素,以选择相应的控制策略。     

爆震燃气轮机的变比热容热力循环性能

为分析变比热容下爆震燃气轮机的热力循环性能,建立了考虑比热容随工质成分及温度变化的爆震燃气轮机热力循环模型,分析中同时考虑了压气机、燃烧室、透平等部件的效率.在不同比较条件下,利用变比热容法对比分析研究了燃气轮机爆震循环(DCGT)、Brayton循环和Humphrey循环燃气轮机的热力循环性能.计算结果表明:与Brayton循环相比,DCGT具有较大性能优势;在透平前温度为1620K且压比为16.5时,DCGT热效率较Brayton循环高28.8%;在无量纲吸热量为4.25且压比为16.5时,DCGT热效率则较Brayton循环高30.7%.      

Enhancing the efectiveness of film cooling

Advanced gas turbine stages are designed to operate at increasingly higher inlet temperatures to increase thermal efficiency and specific power output.To maintain durability and reasonable life,film cooling is needed in addition to internal cooling,especially for the first stage.Film cooling lowers material temperature by forced convection inside film-cooling holes and by forming a layer of coolant about component surfaces to insulate them from the hot gases.Unfortunately,each cooling jet forms a pair of counter-rotating vortices that entrains hot gas and causes the film-cooling jet to lift off from the surface that it is intended to protect.This paper gives an overview of efforts to enhance the effectiveness of film-cooling.This paper also describes two new design concepts.One design concept seeks to minimize the entrainment of hot gases underneath of film-cooling jets by using flow-aligned blockers.The other design concept shifts the interaction between the approaching hot gas and the cooling jet to occur further above the surface by using an upstream ramp.For both design concepts,computational fluid dynamics results are presented to examine their usefulness in enhancing film-cooling effectiveness.      

层板结构冷却有效性的研究

基于一维多孔材料内传热理论,建立层板冷却的理论模型,应用由实验获得的各种层板结构的流阻和换热特性,由层板两侧的压差估算通过层板的冷气流量和层板结构的冷却有效性。对影响层板冷却有效性的因素进行分析,为层板的设计起到指导作用。在相同吹风比下,双层层板要比单层层板冷却有效性高,而三层层板与双层层板之间的差别不大。通过与传统气膜冷却方式的比较,可以发现,层板冷却具有以较少的空气达到较高的冷却效果的巨大潜力。      

液膜再生复合冷却中液膜传热特性

对液体火箭发动机液膜再生复合冷却进行了算法研究.综合考虑了发动机内部化学反应、蒸发、卷吸、对流、导热、辐射等因素,将冷却液膜分为显热区、潜热区及气膜区三个区域进行了计算.推导了液膜长度和厚度的计算方法,分析了液膜再生复合冷却效率及各因素对液膜传热特性的影响.计算结果表明:①液膜入口质量流量越大,液膜区长度越长,冷却效率越高,复合冷却效率可维持在0.57以上.②高温燃烧室内膜的液体段长度很短,在液膜存在区域内冷却效率高达0.9.③液膜消失后,头部冷却液膜的设计仍对室壁起了很好的冷却保护作用,低温边区一直延伸至出口.④液膜吸收的显热和液膜蒸发吸收的热量及高温燃气与膜间的对流在液膜区内起了主要作用,而卷吸造成的质量损失及传热不可忽略.      

各向异性复合材料平板气膜冷却特性实验和数值研究

针对不同编织方式形成的复合材料平板气膜冷却开展了实验研究，利用红外热像仪测量了热侧壁面的温度场分布，分析了平板导热系数、吹风比、主流温度等参数对综合冷却效率的影响。在实验验证的基础上，进一步对单向增韧特点的复合材料进行数值模拟,分析了X、Y、Z三个方向导热系数对单孔气膜冷却壁面温度场分布和综合冷却效率的影响。结果表明:随着吹风比的升高，气膜综合冷却效率升高；随着主流温度的升高，气膜冷却效率降低；25D编织复合材料冷却效率最高，3D编织复合材料冷却效率最低。各向异性复合材料内部的温度梯度、传热量都与材料的导热系数特征有关，X方向和Z方向的导热系数增大，沿程综合冷却效率升高；而Y方向导热系数的增大对气膜冷却效率几乎没有影响。      

间冷循环热力学特征及参数化分析研究

间冷循环技术是大幅提升燃气轮机性能的有效手段。采用图解法分析了间冷热力循环的技术特征,并运用数学推导论证了间冷循环技术可以提高燃气轮机输出功率和热效率的本质。通过搭建数学模型,编制了计算程序,进行了燃气轮机简单循环与间冷循环参数化计算分析,重点进行了总体方案设计中压比分配原则的研究,并结合实际工程案例的参数分析予以佐证。结果表明:在低压和高压压比为0.3左右时,间冷燃气轮机的综合性能最佳。     

涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大；当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。