叶型预旋喷嘴流动及温降特性实验与计算研究

为了研究转速、压比、雷诺数对叶型喷嘴流量系数及盖板式预旋系统温降的影响,介绍了在压比1.1～1.5,转速0～10kr/min条件下稳定运行的预旋系统旋转实验台。通过实验测量预旋系统内的温度和压力分布,对比分析了两种叶型预旋喷嘴(叶片式喷嘴和叶孔式预旋喷嘴)的性能差异,并采用数值计算揭示喷嘴流动损失及预旋系统温降机理。结果表明,叶孔式预旋喷嘴与叶片式预旋喷嘴流量系数均随压比的增大而增大;随雷诺数的增大先逐渐增大,当Re2×105,流量系数基本不变。系统温降效率随着压比的增大逐渐增大;压比1.5时,温降随转速增大先增大后减小,存在一个极值。叶孔式预旋喷嘴流量系数与叶片式喷嘴流量系数相差不大,约为0.95;但叶孔式喷嘴可以减小端壁二次流损失和尾迹损失,降低喷嘴出口落后角,提高喷嘴出口旋转比和系统温降效率。压比1.5,转速8.1kr/min时,叶孔式预旋喷嘴系统温降效率比叶片式喷嘴的提高了40%。     

无量纲叶高对叶型喷嘴流动特性的影响

预旋喷嘴作为预旋系统中的重要元件,其性能优劣直接关系到预旋系统的温降效果。在保持喷嘴几何出气面积不变的条件下,对预旋角度为12°,无量纲叶高分别为0.12,0.25,0.5,1和2的叶型喷嘴在压比1.1~1.9范围内进行了数值模拟。计算域包含进气腔、预旋喷嘴和出气腔,研究内容包括速度场、出气速度、出气角度、流量系数和预旋效率。对比了直孔型喷嘴、扩口孔型喷嘴以及叶型喷嘴的性能差异。结果表明叶型喷嘴的流量系数和预旋效率比直孔型喷嘴均增大20%以上,预旋效率比扩口孔型喷嘴略微增大5%左右。叶型喷嘴的流量系数和预旋效率均随压比的增大而增大,随无量纲叶高的增大先增大后微弱减小;叶型喷嘴的无量纲叶高低于0.5时,流量系数和预旋效率将显著减小。     

长径比对预旋孔流动特性影响的数值研究

采用数值方法研究了长径比和压比对预旋孔流动特性的影响,所研究的预旋角度为30°,长径比范围为1～5,压比范围为1.1 ～1.9.计算获得了出气角度、出气面积、出气速度及其周向分量,流量系数和预旋效率等参数随压比和长径比的变化.对长径比1.75和4的预旋孔流量系数进行了实验测量.结果表明预旋效率是一个可以综合反映预旋喷嘴气流偏转、加速和流动损失等主要性能的无量纲参数.预旋效率随长径比的增加先显著增加后微弱减小,最佳长径比为2.5左右.长径比小于2时由于出气角度和实际出气面积都明显偏离设计值,预旋效率显著偏低,在设计中应避免出现.     

扩口孔型预旋喷嘴流动与温降特性

分别对预旋角度为20°的直孔和扩口孔型喷嘴进行了数值模拟和实验测量.计算模型包括仅有进气腔、预旋孔和出气腔的单独模型和在此基础上增加了旋转部分的系统模型;研究内容包括速度场、出气速度、出气角度、流量系数、预旋效率和温降,并对单独模型的孔流量系数进行了实验测量.结果表明流量系数的计算结果与实验结果符合良好,扩口孔的流量系数、预旋效率和温降都比直孔显著增大20％以上.数据还显示由单独模型计算得到的流量系数和预旋效率与由系统模型得到的结果比较接近,根据单独模型的预旋效率而推算出的温降可在一定程度上间接反映预旋系统的温降特性.     

预旋喷嘴流动特性试验研究

本文根据某型预旋喷嘴设计了试验件,并通过真实尺寸预旋喷嘴流动特性试验,获得了预旋喷嘴流量系数随压比的变化曲线和出口总压沿栅距的变化曲线.结果表明,试验结果与设计值基本吻合,为某型预旋喷嘴设计提供了重要的技术支持.     

预旋角度对预旋孔流动特性的影响

对预旋角度分别为30°,25°,20°和15°的预旋孔在压比1.1～1.9范围内的流量系数进行了实验测量和数值模拟。研究了压比和预旋角度对预旋孔进出口速度和气流角度、流量系数和预旋效率等参数的影响。流量系数的实验结果与计算结果符合良好,数据显示预旋孔流量系数和预旋效率随压比的增大显著增大。预旋角度的减小使流量系数基本保持不变,而预旋效率由于出气角度的减小而显著增大,最大增幅可达10%。     

喷水射流预冷对发动机进气温度及流场变化影响的数值研究

为减小整个预旋系统的流动损失,首先对带预旋集气腔进气孔、预旋集气腔、预旋喷嘴的冷气预旋流路进行了分析,发现进气孔和集气腔会导致预旋喷嘴进口流场不均匀,相较于进口均匀条件,预旋喷嘴总压损失系数增大0.026。在此基础上提出了一种将预旋集气腔进气孔、预旋集气腔和预旋喷嘴融合设计的低损失融合式预旋喷嘴设计方案,分析表明：融合式预旋喷嘴能有效减小冷气在预旋系统内的流动损失,在设计工况总压损失系数减小0.032,并使冷气在预旋系统内流动更加均匀,提升了预旋系统的整体性能。     

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流动换热

为了获得一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮叶片的流动与换热特性,采用气热耦合计算方法进行数值研究,分析了总压损失、冷却效果和涡轮效率随预旋角、冷气雷诺数和无量纲质量流量的变化规律。结果表明,涡轮叶片预旋进气冷却的总压损失随冷气雷诺数和无量纲质量流量的增大而增大,但基本不受预旋角大小的影响;涡轮叶片的冷却效果随预旋角的减小、冷气雷诺数或无量纲质量流量的增大而增强,但不会改变其表面的温度分布特征;预旋进气冷却时的涡轮效率随冷气雷诺数的增大、预旋角或无量纲质量流量的减小而提高。     

叶型孔式预旋喷嘴流动特性数值研究

现有研究表明叶片式喷嘴是目前为止性能最好的预旋喷嘴。而在整环的喷嘴盘设计中,当喷嘴总面积、预旋角度、喷嘴数目和半径位置确定后,喷嘴叶高和栅距就固定下来,往往因为叶高与栅距的比值过小而大大降低喷嘴性能。在叶片式喷嘴基础上提出了一种能够调整喷嘴叶高到恰当值的新型预旋喷嘴——叶型孔式喷嘴(vane shaped hole nozzle,vsh nozzle)。采用数值方法深入对比研究了叶型孔式喷嘴与叶片式喷嘴的性能差异。为了考虑喷嘴下游预旋腔的掺混影响,计算域不仅包括静止的进气腔和喷嘴,还包括转动的预旋腔和接受孔。计算结果表明,叶型孔式预旋喷嘴的流量系数和预旋效率显著高于叶片式喷嘴,vsh-52喷嘴的流量系数比vane-52喷嘴高9.14%,预旋效率高4.44%。还提出采用有效流量系数、有效预旋效率两个参数来体现考虑喷嘴下游预旋腔掺混影响的喷嘴综合性能。     

带盖盘45°预旋系统流动特性的实验

对带盖盘45°预旋系统的预旋腔和转静腔内流动特性进行了实验研究，得到了高转速下静盘表面的静压分布、中心面（z/S=0.326）总压分布、流阻系数以及预旋孔排气系数的变化规律。结果表明:流量分配对腔内压力分布影响较小；湍流参数是腔内流动特性的主要影响参数之一；腔内流动结构主要分为转静腔的自由涡结构以及预旋腔的回流区和低压区；流阻系数随湍流参数变大而显著上升；预旋孔排气系数随着进、出口压比增加而增加。      

带盖板预旋系统的流动实验

通过低转速的模拟实验对涡轮盘腔的带盖板预旋系统的流动特性进行了研究。在不同的紊流参数（0.5〈λT〈0.96）和旋转比（1.03〈βp〈1.9）下测量了预旋腔和盖板腔内的压力与速度分布,得到了两个腔内的旋转比变化情况,并分析了旋转雷诺数和进出口压比对预旋喷嘴流量系数的影响。实验结果表明：在两个腔内离心升压效应明显,预旋喷嘴出口气流对预旋腔内的气流压力和速度的影响要远大于接收孔出口气流对盖板腔的影响,压比和旋转雷诺数对喷嘴流量系数有较小的影响。     

导流叶片宽度对预旋系统性能影响的数值研究法

为研究导流叶片结构尺寸对盘腔预旋性能的影响,采用RNG k-ε模型对导流叶片无量纲宽度为0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0的预旋系统在不同旋转雷诺数工况下进行了数值研究.结果表明:导流叶片能够提高喷嘴压比和温降系数,旋转雷诺数越大,提高的幅度越大;旋转雷诺数较大时,喷嘴压比和温降系数随导流叶片无量纲宽度增大而增大,无量纲宽度超过0.6后,趋于平稳.当导流叶片无量纲宽度在0~0.2范围内,总压损失系数随导流叶片无量纲宽度的增大而增大;当导流叶片无量纲宽度大于0.2时,总压损失系数随导流叶片无量纲宽度的增大基本不发生变化.     

叶栅参数对反推力装置气动性能影响规律

针对某型叶栅式反推力装置,开展了气动性能数值预测的研究工作。采用本文提出的数值计算方法,在不同落压比下反推力预测值与实验值最大相差8．2％。流场速度等值线分布展示反推力装置叶栅内部流动特征．叶栅叶盆处的旋涡和叶背处的失速是导致气动性能下降的不利因素。大量数值计算结果揭示了叶片进入角、出流角、稠度等结构参数对轴向反推力、流量系数、总压恢复系数的影响规律。在本研究范围内,叶片进入角54°、出流角135°、稠度1.3的叶栅几何结构综合气动性能最优。     

盘腔进气位置对径向预旋系统的影响

为减少径向预旋系统的流动损失,运用数值模拟方法对不同盘腔进气位置的径向预旋系统进行分析,结果表明:随着盘腔进气径向位置的增加,预旋喷嘴出口气流旋流比随之逐渐减小,径向预旋系统的温降系数及总压损失系数均随之逐渐增大。当旋转雷诺数等于7.9×106,盘腔进气位置由低位向高位变化时温降系数最大可增加525%,同时总压损失系数增加3.93%。径向预旋系统内比熵增主要发生在预旋喷嘴和共转腔,约占系统总体比熵增的80%。随着盘腔进气径向位置的增加,径向预旋系统总体比熵增降低,预旋喷嘴比熵增占比逐渐增大,共转腔比熵增占比逐渐减小。     

冷气预旋系统温降与流阻特性的试验

简化发动机冷气预旋系统,对特定结构的两种冷气进口预旋角度的转静盘腔系统,开展冷气温降和流阻特性的试验研究.建立预旋系统旋转试验台,在旋转部件表面采用微型压力传感器测量压力,经过标定校正后获得预旋系统的出口总压.获得了旋转雷诺数、无量纲质量流量对预旋系统温降和流阻特性的影响规律.研究结果表明:对两种角度的预旋喷嘴,无量纲温降随无量纲质量流量的增大先增大后减小,随旋转雷诺数的增大而减小;无量纲压降随无量纲质量流量的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而减小.      

进气角度对旋转盘冷却效果的影响

为了研究不同的预旋角度对高位进气转静系旋转盘冷却与换热特性的影响,分别在三种预旋进气角度(0°,15°,30°)下对转盘的冷却效果进行了试验。通过试验,得到了每种预旋角度下的温度分布、盘面局部努赛尔特数分布、盘面平均努赛尔特数、转盘无量纲总体平均温度和转盘无量纲径向平均温差等参数。试验结果显示:高位垂直进气的冷却效果最好,预旋15°次之,预旋30°最低。并且流量变化对转盘的冷却效果影响较大,而转盘旋转影响较小。     

冲角对涡轮低压导向器气动特性影响的实验研究

本文实验研究了通过前置可调导叶改变来流气流方向对涡轮低压导向器环形叶栅损失的产生与分布的影响, 以及在沿叶高不同分布的冲角下模型叶栅气动特性的变化。在不同的沿叶高分布的进气冲角下, 详细地测量了导向器出口流场和叶栅表面静压分布, 得出导向器总流动损失随平均冲角的变化, 从而确定了对应最小流动损失的冲角范围, 对导向器的变工况性能做出了评价。      

预旋喷嘴径向角度对预旋特性影响的数值研究

为了降低低位进气预旋流路的气动损失，针对带有不同径向角度（0°~30°）预旋喷嘴的预旋系统进行了数值仿真，并对流动特性、温降特性和比熵增特性进行了分析。结果表明:随着预旋喷嘴径向角度的增大，预旋系统无量纲温降先增大后减小，流动阻力减小，预旋系统的流量随之增大。旋转雷诺数为2.3×107时，预旋喷嘴带径向角度的预旋系统无量纲温降比传统喷嘴最大可提高18.3%，存在某一角度使预旋温降特性达到最好。预旋系统内的耗散主要发生在预旋腔和共转盘腔内，径向角度为10°时其比熵增变化量分别占整个预旋系统总体比熵增的42.4%和30.2%；合理设计预旋喷嘴的径向角度，能改善预旋腔内气流的流动效果，并且可以减少整个预旋系统的不可逆损失。      

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响，计算结果表明:冷气流量增加，冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低，导叶进、出口马赫数均减小，转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%，转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小，导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.