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。     

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%.      

节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算方法

为解决节流通风的航空发动机轴承腔的腔压难以计算的问题,考虑节流孔处通风介质可压缩性,结合某典型节流通风轴承腔的实例,分析了节流通风的发动机轴承腔通风气体流动的特点,提出了其腔压计算方法.通过实例计算,结果表明:计算值与试验值的绝对误差较小,结果满足滑油系统与空气系统联合计算的工程需要.该计算方法可为节流通风的航空发动机轴承腔腔压计算提供参考.      

工作参数对航空发动机轴承腔内二相流动的影响

作为航空发动机润滑系统油气二相流的重要区域,主轴承腔的工作参数对内部二相流动的影响对于发动机润滑系统设计具有重要意义。利用DPM壁面液膜模型,采用CFD方法对某型发动机轴承腔简化模型内油气二相流进行了数值计算,计算结果与现有试验数据符合良好;给出了轴承腔在不同主轴转速及不同滑油流量下油膜厚度、空气和油膜速度的分布以及出口速度变化规律。     

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.     

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。     

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。     

航空发动机轴承腔热分析软件开发

为了对航空发动机轴承腔进行性能分析,研究了一种全新的、高效的发动机轴承腔热分析软件。软件以热网络算法为基础,将发动机轴承腔分解成由相应的典型元件和节点组成的热网络,采用温度节点和传热元件组成的网络来描述轴承腔。介绍了基于面向对象程序设计语言Delphi技术的发动机轴承腔热分析软件的设计与开发技术。软件前台采用图形建模方式生成计算网络,后台采用了网络自动识别技术,方便了复杂网络的建立,并结合Delphi,建立了一个以桌面数据库为支撑的可视化应用系统体系。     

航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算

主轴承腔是航空发动机润滑系统油气两相流的重要区域,了解滑油及密封空气在腔内的分布预测对于认知腔内两相流动具有重要的意义。利用VOF数值计算模型对某航空发动机轴承腔简化模型内油气两相流进行了数值计算,定义无量纲数β^＋用来分析腔内两相分布。计算结果与现有实验数据符合良好。给出了滑油在腔内的相界面分布,描述了腔内的油膜分布及运动,并且分析了无量纲数β＋在腔内周向分布及出口处随着转速及滑油进口流量的变化规律。     

基于飞发一体化的滑油系统热性能仿真

航空发动机滑油系统与飞机、发动机的关联参数有限。为准确表达变工况滑油系统的热性能,通过研究发动机轴承腔热性能与转子转速及主流路温度参数的拟合关系,将主机温度、燃滑油参数作为输入,对发动机滑油系统在飞行剖面上典型飞行状态点的热性能参数进行了迭代计算;针对管壳式燃滑油散热器结构及运行特性,计算了散热器换热性能。建立轴承腔和散热器的数学模型;基于系统流动仿真平台,利用内部的二次开发环境编写出C#语言代码,开发出了适用于发动机的轴承生热模型和散热器模型,实现发动机滑油系统与发动机燃油系统及飞机热管理系统的联合计算;在航空发动机、飞机变工况输入条件下,进行滑油系统、发动机整机及飞发一体化的变工况热性能迭代计算,并与试验数据进行对比。结果表明：该计算方法误差小于5%,可较准确地反映变工况条件下的热管理相关参数,为飞发一体化热管理联合仿真分析提供可靠的数据来源。     

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。     

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.      

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。     

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.      

飞行器鼻锥凹腔-发散组合冷却数值模拟

尖锐鼻锥冷却方案是可复用式航天飞行器研究领域一个十分重要的课题。传统发散冷却虽然可以有效降低鼻锥结构温度,但是由于驻点外极高的热流、压力,会出现驻点冷却效果差的问题。迎风凹腔结构是一种针对鼻锥驻点区域的减阻防热方案,尖锐唇口的分流作用可以使附近压力、热流降低。因此,提出一种新型冷却结构——凹腔-发散组合冷却,利用迎风凹腔结构对驻点的强化冷却解决发散冷却中驻点难以冷却的问题。以楔形鼻锥为物理模型,对发散冷却、迎风凹腔结构和凹腔-发散冷却3种冷却结构进行数值模拟,并和无冷却的纯鼻锥结构进行对比。结果表明,与传统发散冷却相比,使用凹腔-发散组合冷却可以使结构温度峰值下降16.8%;与没有冷却的纯鼻锥模型相比,鼻锥头部圆弧段表面平均温度降幅可达64%,证实了这种新型冷却结构的可行性和高效性。     

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.      

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.      

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.