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.      

复杂旋转盘轴腔两相流动与传热数值模拟

研究了航空发动机空气系统和润滑系统中复杂的旋转盘腔和旋转轴腔内油气两相流动与传热的数值计算方法,分析了其流动传热特性.以典型小型涡扇发动机的风扇轮盘前腔、风扇轮盘后腔、轴流轮盘前腔、前轴承腔、相关连接气路等组成的多进口、多出口的旋转盘轴腔为对象,研究了用Mixture模型和Eulerian模型计算该系统的速度场、压力场、温度场的方法.结果表明:在相同的计算条件下,两种模型计算的速度场基本一致;两者计算的压力场只在轴流轮盘前腔略有差别,Eulerian模型计算的该腔压力约为Mixture模型计算值的93%;Mixture模型得到温度场较高,由Eulerian模型计算的前、后轴承温度分别约为Mixture模型计算值的93%和94%;Mixture模型计算经济性较好,其迭代一步所需时间约为Eulerian模型的63%.      

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。     

先进涡扇发动机空气系统与零件传热设计技术验证

本文简要介绍了中国燃气涡轮研究院在先进涡扇发动机空气系统与零件传热设计技术验证方面的研究情况,内容涉及发动机空气系统设计技术、零件热分析设计技术、涡轮叶片冷却设计技术及新型铸冷双层壳型高效涡轮冷却叶片设计中的关键技术。探讨了空气系统与零件传热设计技术中的设计计算方法、设计软件校核与改进、试验研究与参数测试、以及设计体系建设等问题,通过系统的模型、部件和发动机整机三个层次的试验验证,初步形成了空气系统与零件传热设计体系。     

多项式温度分布下的自由盘湍流换热数值研究

在航空燃气涡轮发动机的二次流空气系统中,涡轮盘腔的流动和换热问题具有复杂的热边界条件,其流场和换热特性对发动机的设计具有重要作用。基于单项式和多项式边界条件下的自由盘的湍流流动换热模型,应用FLUENT进行数值研究。通过与理论值的对比,验证了使用Relizible k-ε湍流模型用于研究自由盘面上湍流的适用性。研究发现,对于不可压的湍流,盘面的局部努塞尔数受温度分布的控制,盘面温度为任意n次多项式分布下的局部努塞尔数可由盘面温度按0-n次单项式分布时的结果导出。     

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。     

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。     

涡轮盘腔燃气入侵及间隙剪切涡特性分析

为揭示转-静相互作用下的非定常燃气入侵机理及轮缘大尺度涡结构的产生机制，对带有轴向封严结构的1.5级高压涡轮装置进行三维非定常数值模拟，结合实验结果和盘腔内的经典流动理论对数值方法进行了验证。研究结果表明：转子前缘压力势场是造成旋转燃气入侵的主导因素。轮缘间隙内的间隙剪切涡是构成轮缘三维非定常流动的主要原因，其强度受到入侵燃气和出流冷气的径向速度、切向速度梯度以及上游边界层共同影响；间隙剪切涡周向方向的旋转有利于加快入侵燃气从动盘侧迁移至静盘侧，缩小动、静盘封严效率差异，当封严流量从0.5%降低到0.25%时，盘腔出口动静盘侧封严效率差值增大175%；间隙剪切涡与旋转泵效应的相互作用对于主流高温燃气在径向方向入侵盘腔具有抑制作用；由燃气入侵机制和间隙涡特性可以得出：文中盘腔出口设置在更靠近转子前缘位置对于提升轮缘密封性能具有正向意义。     

涡轮燃气主流/盘腔二次流的分区耦合仿真Ⅰ:算法及平台实现

为实现涡轮燃气主流和盘腔二次流的分区耦合仿真,本文从分析该耦合系统所具有的主要流动特征和耦合特性入手,探讨了分区耦合算法的设计及分区耦合平台的构建。     

燃烧室涡轮交互作用尺度自适应模拟

为了揭示燃烧室涡轮交互作用机理,采用尺度自适应模拟方法对某航空发动机燃烧室和燃气涡轮开展了跨部件联合数值模拟研究,分析了燃气涡轮导叶对燃烧室内部流场和温度场的影响、燃烧室出口速度分布和热斑对涡轮气动和传热的影响。结果表明:尺度自适应模拟方法在预测燃烧室和燃气涡轮部件性能方面具有较高精度,并能有效捕捉燃烧室及涡轮流道中的复杂涡系结构。同时,涡轮对燃烧室内部速度场的影响一直可以回溯至导叶上游0.3倍弦长的距离,燃烧室出口速度分布对涡轮内部流动、热斑对燃气涡轮导叶及动叶绝热壁温均有较大影响。      

1 次表面换热器在舰船燃气轮机间冷系统中的应用

1次表面换热器凭借其高效紧凑的换热特点特别适用于舰船燃气轮机的间冷系统中。为其在燃气轮机间冷系统的应用提供设计指导,在保证间冷系统性能要求的前提下减小间冷器的尺寸和体积,开展液-气1次表面换热器的换热性能和压降研究。针对舰船燃气轮机设计点间冷器的典型热力参数和布置特点,设计了满足间冷系统性能要求的间冷器模块,给出并分析了所设计的间冷器在不同冷却淡水温度和流量下的换热器性能。结果表明:在燃气轮机非设计工况下间冷器的气侧出口温度和压降会随着燃气轮机负荷的下降呈近似线性下降,在燃气轮机低负荷时需注意气体中水冷凝问题。     

前缘气膜孔布局对涡轮转子叶片流动传热的影响

为了研究不同前缘气膜孔布局对叶片内部冷却系统、温度场分布的影响,针对某典型冲击-对流-气膜复合冷却高压涡轮转子叶片,保持叶片主体冷却结构不变,通过改变叶片前缘各列气膜孔的数量形成5种结构方案,完成了1维流动换热及3维有限元温度场计算。并模拟发动机工况,试验研究了叶片内腔流量特性、叶片中下部2个截面的平均冷却效果随压比、流量比的变化规律。计算及试验结果均表明:涡轮转子叶片前缘气膜孔数量及布局对叶片前腔冷气量、前缘温度分布影响明显,而对后腔冷气量、尾缘温度影响较小。     

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。     

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。      

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.      

多腔室凹槽对涡轮叶顶流动传热特性影响的数值研究

现代航空发动机为获得更大输出功率和推重比,涡轮进口温度不断提高,因此高温燃气在无围带动叶叶顶间隙的泄漏引起叶顶热负荷急剧增加,甚至导致叶片烧蚀、失效,严重影响涡轮运行安全。为降低叶顶热负荷,抑制泄漏流,本文以GE-E3第一级叶栅为研究对象,通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS）方程和湍流模型研究了多腔室凹槽对叶顶流动传热性能的影响。研究结果表明:在多腔室凹槽中,叶顶换热系数随着叶顶空腔数量的增加而逐渐减小,凹槽腔室内刮削涡可有效降低泄漏流量。格栅结构在凹槽中起到“气动篦齿”作用,在0至20%的流向区域内泄漏流控制效果显著。Case7的叶顶换热系数最小,比Case1降低了40.44％;Case2和Case3可显著抑制叶顶泄漏量,与Case1相比分别降低了33.82％、28.90％。     

不同流型下轴承腔中油气介质的流动特征参数

 航空发动机轴承腔两相介质流动状态的理解对于润滑和二次空气流动系统的设计是十分重要的。借助于流型分类进行两相介质流动研究,是揭示轴承腔中两相介质流动物理本质的可行途径。由于航空发动机轴承腔润滑状态的复杂性,难以从物理试验直观判断流型类别,通过流动特征参数的差异性判断流型类别是值得探索的方法。发动机轴承腔可能出现的流型有均相流动、分层流动和油膜/空气（含油滴颗粒相）流动。针对这3种流型类别,分析了润滑介质压力和速度相对于不同流型表现出的差异性及其分布特点,同时探讨了转子转速、供油量和密封进气量等工况条件对这种差异性的影响。研究工作表明：轴承腔中润滑介质的压力和速度可以作为判别两相介质流型的特征参数,并且这一判别技术具有较好的鲁棒性。     

泛结构条件下轴承腔油气两相流动的模化方法

首先根据热力学、流体力学的基本定理对航空发动机轴承腔油气两相流动的相似性进行了数学推导,获得了弗劳德数、欧拉数、雷诺数、普朗特数和埃克特数等相似准则数,遵循系统几何相似和动力相似等相似准则建立了航空发动机泛结构及工况条件下轴承腔油气两相流动的模化模型;并对实际轴承腔及模化轴承腔的油气两相流场进行了数值求解,模化轴承腔与实际轴承腔无量纲速度、温度和压力分布一致性较好,支持了提出的轴承腔油气两相流动相似准则和模化方法的可靠性.泛结构条件下轴承腔油气两相流动模化方法对于指导轴承腔油气两相流动试验设计及推进理论分析向航空发动机工程设计转化都有一定的参考价值.