旋转盘腔进气位置的敏感性分析

为保证涡轮盘满足适航规章的安全性要求,采用单向FSI(fluid structure interaction)数值方法,研究旋转盘腔无量纲进气位置的变化对冷却效果的影响,并依据旋转盘腔冷却问题的工程评价体系对冷却效果进行评价.结果表明:无量纲进气位置的改变使旋转腔的流动结构发生变化,从而影响盘面换热效果和转盘的温度分布,导致与温度梯度紧密相关的热应力水平也发生变化.随着无量纲进气位置的提升,旋转盘腔的流阻损失增大,转盘迎风面的平均换热效果减弱,转盘的应力水平和在低半径处的最大等效应力值均下降.无量纲进气位置的变化能够从部件承受能力和实际使用载荷两方面对涡轮盘的失效概率产生影响.因此,在涡轮盘腔的设计阶段,需要考虑无量纲进气位置对涡轮盘安全性的影响.      

旋转盘腔盘罩间隙比的敏感性分析

为保证寿命限制件之一的涡轮盘满足适航性要求,采用单向流固耦合(fluid structure interaction,简称FSI)数值方法,研究转静系旋转盘腔盘罩间隙比的变化对转盘安全性的影响机理.并且,由流阻、换热效果和应力分布三方面构成的工程评价体系对盘罩间隙比的影响进行评价以及敏感性分析.结果表明:盘罩间隙比的变化能够影响旋转盘腔内流动结构的强度,从而改变盘面换热效果和转盘温度分布,导致与温度梯度相关的热应力也发生变化.随着盘罩间隙比的增加,旋转盘腔的流阻损失基本不变,转盘迎风面平均换热效果呈现先增强后减弱的趋势,转盘整体应力水平上升,以及出现在盘心处的最大等效应力值增大.盘罩间隙比的变化能够从材料许用应力和实际使用载荷两方面影响涡轮盘的失效概率,因此,在涡轮盘腔设计阶段,需考虑盘罩间隙比对涡轮盘安全性的影响.      

旋转盘腔预旋角度的敏感性分析

采用单向FSI(fluid structure interaction)数值方法,研究转静系旋转盘腔进气预旋角度的变化对冷却效果的影响,并依据旋转盘腔冷却问题的工程评价体系对冷却效果进行评价.结果表明:当进气和旋转雷诺数均不变时,旋流比是进气预旋角度的单值函数.旋流比的改变能够使流动结构发生变化,影响盘面换热效果和转盘温度分布,导致与温度梯度相关的热应力也发生变化.随着旋流比的增加,旋转盘腔的流阻损失增大,迎风面平均换热效果呈现先减弱后增强的趋势,转盘整体应力水平上升,以及在盘心处的最大等效应力值增大.进气预旋角度的变化能够从部件承受能力和实际使用载荷两方面对涡轮盘的失效概率产生影响,因此,在涡轮盘腔设计阶段,需考虑预旋角度对涡轮盘安全性的影响.      

旋转盘换热研究准则系统的确定

通过引入特征温差qrR/λ_D,对控制转静系旋转盘腔内流动与换热的微分方程组进行了无量纲化,得到了研究转静系旋转盘腔内换热研究的准则系统。确定了涡轮盘冷却研究的主要研究内容和影响因素:除盘面对流换热的努赛尔特数外,还应包括反映涡轮盘总体温度水平的无量纲过余体平均温度和反映转盘径向热应力大小的无量纲径向温差,借助于涡轮叶片冷却效果的概念,给出了涡轮盘冷却效果的表达式。      

转速非稳态变化对中心进气旋转盘平均换热的影响

实际的中心进气涡轮盘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涡轮旋转盘附近冷气在非定常情况下的流动与换热特性, 主要是转速变化对盘面温度和盘面的平均努赛尔特数的影响。转盘的有效半径为 2 0 0 mm,最大转速为 3 0 0 0 r/min,加热功率为 1 0 0 0 W。实验结果表明: 盘缘区域温度随时间的变化率大于中心区域温度随时间的变化率; 转速增加使盘面平均努赛尔特数增大; 在给定时间内转速增至最大后使系统稳定还是分段使系统稳定后再增加转速, 对盘面平均努赛尔特数的影响不是特别明显。      

流量变化对中心进气旋转盘平均换热的影响

实际中心进气的气冷涡轮盘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涡轮旋转盘附近冷气在非定常情况下的流动与换热特性, 主要是冷气量对盘面温度和盘面的平均努赛尔特数的影响。转盘的有效半径为 400mm,最大转速为 3000r/ min,加热功率为1000W。实验结果表明: 盘缘区域温度随时间的变化率大于中心区域温度随时间的变化率; 流量的改变, 盘面平均努赛尔特数亦随之发生较快的改变; 某一工况下对转盘进行加热, 稳定后, 停止加热, 盘面平均努赛尔特数从一个很大的数值逐渐减小, 然后再逐渐增大。      

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.      

双辐板涡轮盘流动与换热试验研究

通过测量不同工况下双辐板涡轮盘壁面温度、盘腔内气流压力和温度分布,研究了盘心冷气流量、转速及盘缘加热量对盘内流动与换热的影响。结果表明,双辐板涡轮盘试验件壁面温度随转速的上升而下降,随盘缘加热量的增加而上升;由于盘缘加热,整个壁面温度在径向上沿盘面逐渐上升;由于离心力作用,盘内气流压力随转速的上升而略有升高;转速越高换热效果越好,盘内气流温度越低。     

对转涡轮盘腔内各参数变化对转盘壁面摩擦力矩的影响

对转涡轮盘腔内壁面摩擦力矩的大小直接影响盘腔内气体流动结构和换热效率,进而影响对转涡轮发动机的性能。应用RNG k-ε湍流模型对对转涡轮盘腔内气体流动进行了数值模拟,研究了对转涡轮盘腔间距、中心进气流量、转盘转速的变化对盘腔内壁面摩擦力矩的影响。数值模拟结果表明,盘腔间距在计算范围内的变化对转盘壁面摩擦力矩的影响不明显;转盘壁面摩擦力矩随中心进气流量和转盘转速的增大而增大。     

瞬态法测量高转速旋转盘表面传热系数

将实际发动机涡轮盘冷却系统简化为中心进气旋转盘,用瞬态实验的方法对该结构的换热特性进行了研究.以高转速旋转换热实验台为基础,建立了转静系盘腔中瞬态换热的实验流程和数据处理方法,得到了转盘表面的努塞尔数,并研究了流量系数、旋转雷诺数和出气间隙比对努塞尔数的影响.研究结果表明:对于中心进气冷却结构,在转盘低半径处,转盘表面的表面传热主要由冷气冲击控制,随着半径的的增大冲击对换热的影响减弱.转盘表面的努塞尔数随冷气流量系数的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而增大,随出气间隙比的增大而减小.      

旋转盘应力水平与温度分布的关联分析

基于有限元的热-弹性耦合算法,在等冷气耗量条件下,对旋转轮盘内应力水平与其表面温度分布的关联性进行了数值研究.在转速为 000 r/min,内、外缘温度分别为00℃和50℃条件下,盘面温度沿半径方向采用不同的"V"形变化时,得到了盘内等效应力水平随盘面温度分布变化的规律.计算结果表明:采用"V"形变化的盘面温度分布可以有效地降低盘内应力水平,说明了盘内应力水平与盘表面的温度分布存在着较强的关联性,在保证航空发动机整体气动性能的前提下,通过控制涡轮盘表面温度分布来有效降低轮盘的应力水平是可行的.      

双辐板涡轮盘盘腔单向流固耦合分析

为减轻质量、提高冷却效率,针对下一代高推重比涡扇发动机高压涡轮盘的优化设计,基于3维双辐板涡轮盘模型进行单向流固耦合分析,通过定常流动换热分析得到该结构盘腔中的流场、压力场和温度场分布,将盘腔表面压力分布和盘体上的温度分布作为载荷传递给盘体,对盘体进行应力分析得到应力场,从而建立起温度场和应力场的直接关联,总结出盘腔转速是影响盘体最大等效应力的关键参数,为双辐板涡轮盘的冷却设计和结构优化提供了数据支撑。     

旋转盘腔冷却问题的工程评价

对涡轮旋转盘腔的流动与换热问题,可以采用阻力评价、换热评价和温度分布评价三种评价指标构成工程评价体系。前者决定了全系统的阻力损失的大小,后两者表征了相对冷却效果和热应力水平的高低。应用该评价体系对某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构进行了评价,以实验方法研究了旋转雷诺数、冷气雷诺数、哥拉晓夫数和三种评价指标间的函数关系,为涡轮盘腔的冷却系统优化设计提供了优化目标。      

外缘预旋进气的旋转空腔主盘局部换热及流阻特性研究

某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘预旋进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数（Ｒｅω）、冷气雷诺数（Ｒｅｚ）、哥拉晓夫数（Ｇｒ＊）对主盘局部换热及流阻特性的影响。实验发现,冷气雷诺数、旋转雷诺数的增大,使主盘局部换热系数在盘缘附近迅速增大,而在接近盘心时出现负值;阻力系数随旋转雷诺数的增大而减小,随冷气雷诺数的增大而增大。     

外缘轴向进气的旋转空腔主盘局部换热及流阻特性研究

某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘轴向进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数(Re_ω)、冷气雷诺数Re_z)、哥拉晓夫数(Gr*)对主盘局部换热及流阻特性的影响。实验发现,冷气雷诺数、哥拉晓夫数的增大,使主盘局部换热系数在盘缘附近迅速增大,而在接近盘心时出现负值。阻力系数随旋转雷诺数的增大而减小,随冷气雷诺数的增大而增大。      

外缘轴向进气的旋转空腔主盘平均换热特性研究

某型发动机的涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘轴向进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数（Re_ω）、冷气雷诺数（Re_z）、哥拉晓夫数（Gr*）对主盘平均换热特性的影响。实验发现,主盘平均换热系数随冷气雷诺数的增大而增加,随旋转雷诺数的增加而下降,随哥拉晓夫数的增加而增加。根据实验结果给出了计算主盘表面平均对流换热系数的经验关系式。