航空发动机转子振动的“热模态”和减振设计

为适应航空发动机变转速变工况下转子动力学设计,提出了航空发动机转子"热模态"的概念.利用两种模型解释了"热模态"的含义,并建立了"热模态"下转子动力学设计的方法.利用支承弹性转子(弹支转子)的临界转速与支承刚性转子(刚支转子)的临界转速之比作为优化参数,对转子进行优化设计,既包含了刚度的作用,也计及了质量的影响.结果表明:若所有"热模态"均在刚支转子的第1阶模态之下,则转子临界转速应尽量小于刚支转子的第1阶临界转速.若第1阶"热模态"在刚支转子第1阶模态之下,而第2阶"热模态"在刚支转子第1阶模态之上,但在刚支转子第2阶模态之下,则转子第2阶临界转速应取刚支转子第2阶临界转速和刚支转子第1阶临界转速之方均根值.除此之外,转子剩余不平衡量的分布应与刚支转子的模态正交.      

基于响应面的涡轮叶片冷却通道设计优化

基于响应面近似技术,对涡轮冷却叶片的气动和传热性能进行了设计优化。以冷却通道肋的位置为设计变量,采用拉丁超立方抽样在变量设计空间里选取样本点,根据样本点建立叶片计算模型,采用流-热耦合分析方法得到叶片气动与传热性能参数,拟合得到叶片壁面最高温度、平均温度和总压损失关于设计变量的四阶响应面近似模型。采用响应面模型动态修正技术,进行了回流式冷却通道的设计优化,得到了优化解,减少了总压损失,使叶片最高温度下降了24.5 K,叶片壁面平均温度下降了34.4 K。     

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

小型平板回路热管蒸发器内传热与流动的三维数值模拟

针对小型平板回路热管蒸发器内的流动与传热,建立了多区域耦合的数学物理模型,并应用FLUENT软件进行了三维数值模拟。结果表明:蒸发器传热特性在不同热负荷下呈现出较大的差异,其温度分布不仅取决于热负荷,更依赖于毛细芯表面发生的两种传热机制,即毛细蒸发和热传导。相比高热负荷(Q=120W)和低热负荷(Q=40W),中等热负荷(Q=80W)下蒸发器各个部位的温度均较低。三种不同热负荷下,毛细芯反向导热均大于侧壁漏热,补偿腔内与毛细芯相邻处易出现高温区。冷凝回流液在补偿腔内的流动形成两个涡,这种流动特点有利于降低毛细芯的温度。当热负荷与系统冷凝能力匹配时,整个系统流动与传热特性最优。      

转子热弯曲瞬态温度场研究

研究转子在停止加热后，在自然对流换热过程中转轴的瞬态温度场，为热弯曲变形分析提供了依据，以双环式实验器为对象，采用SIMPLE方法计算换热系数，用三维有限元方法计算转子瞬态温度场，计算结果与实验结果吻合较好，因而，这种方法可用于分析发动机转子在停机后的温度变化规律。     

转子热弯曲瞬态温度场及热弯曲变形试验与分析

对热弯曲试验转子进行热弯曲瞬态温度场及热弯曲变形测量 ,通过试验研究摸清转子在自然冷却过程中温度场和热弯曲变形变化规律。供航空发动机热弯曲分析参考     

10 kW超高速永磁电机三维瞬态温度场计算

为了考察电机在装配螺旋槽水冷套时对转子的冷却效果,针对1台功率10 kW、额定转速90 000 r/min的超高速永磁电机,采用有限元方法对电机三维温度场进行了研究,考虑了定子铁损、定子铜损,转子铁损和转子风摩擦损耗的影响。结果表明:定转子小间隙内的空气对转子起到了类似“热密封”的作用,当转子损耗功率较大时,仅依靠螺旋槽水冷套并不能有效地冷却转子,还必需辅以定转子小间隙的强迫空气冷却,以进一步降低转子温度。研究结果为大功率高速永磁电机热设计提供了重要参考依据。     

布雷顿-空气底部复合循环和外涵回热式燃气-空气轮机

介绍了俄罗斯新发展的一种外涵回热式燃机FTY-18ⅡC，这种燃机的外涵增压空气经与内涵燃机的排气换热后驱动热空气涡轮。该涡轮与内涵燃气动力涡轮共轴输出功率18MW，轴端热效率44％。对FTY-18ⅡC的布雷顿-空气底部复合循环方式与常规回热循环及LM2500的布雷顿-空气底部联合循环和WR21的间冷回热循环做了比较。估算了将斯贝MK202涡扇发动机改装成这种外涵回热燃机的最大功率为17．9MW，热效率为39．1％。     

高速永磁电机定转子小间隙三维流场计算

为了考察高速、超高速下这种“定转子环形间隙+定子槽”并联冷却结构的流场特性,针对一台额定转速120 000 r/min的超高速永磁电机,采用计算流体动力学方法对定转子小间隙三维流场进行了研究,分别考虑了定子槽、轴向冷却流,以及转速对电机定转子小间隙流场的影响。结果表明:定子开槽后,原先存在于定转子环形间隙内的泰勒涡消失了,另外高转速、轴向流加强了环形间隙区气流与定子槽区气流的混合程度。研究结果为高速永磁电机转子热设计提供了重要参考依据。     

循油冷却航空交流发电机三维温度场的网络拓扑法求解

 本文讨论求解循油冷却航空交流同步发电机的三维温度场的方法,用网络拓扑法求解的基本分块原则以及单元热导的计算,总体热导矩阵的形成方法,损耗和边界条件的处理方法,给出了计算循油冷却电机中油路及气隙部份的对流换热系数计算公式。为减少计算时间,将定、转子分别计算后组合求解,文章最后给出某循油冷却航空交流发电机的定、转子温度分布,并画出了定、转子最热部份的平面温度分布图以及转子绕组沿槽高的温度分布图。     

Optimization of cooling structures in gas turbines:A review

Attempts for higher output power and thermal efficiency of gas turbines make the inlet temperature of turbine to be far beyond the material melting temperature. Therefore, to protect the airfoil in gas turbine from hot gas and eventually prolong the lifetime of the blade, internal and film cooling structures with better thermal performance and cooling effectiveness are urgently needed.However, the traditional way of proceeding involves numerous simulations, additional experiments,and separate tr...     

旋转状态边界层速度场及温度场特性实验

针对涡轮转子叶片内冷技术,使用TR-PIV(time resolved particle image velocimetry)技术与热线技术同步原位测量了壁面加热条件下旋转通道内边界层速度场和温度场特性。结果显示:旋转数大于0.48时前缘面附近出现了回流现象,并从受力分析的角度给出了解释;回流区一般出现于流场下游、较大密度比、较高旋转数下,可以利用回流区的影响达到增强前缘面换热的目的;得到了旋转条件下无量纲温度型、温度脉动量和努塞尔数的变化规律,可以看出湍流边界层内部的温度场分布在旋转效应的影响下产生了强烈的不对称性,与静止条件下的标准规律相比会产生一定的偏差。     

用气膜冷却来防止热斑引起的涡轮叶片过热

为了防止燃烧室出口热斑引起涡轮叶片过热，通过求解二维非定常N-S方程研究了热斑对高压涡轮一级叶片型面压力和温度的非定常影响，并对气膜冷却这种热防护方法进行了尝试。计算结果与公开发表的实验数据基本吻合。结果显示热斑的存在对涡轮级型面压力影响微小，但是会导致动叶型面特别是压力面的温度显著升高并随时间大幅波动。在动叶压力面鳃区引入气膜冷却对型面压力和热斑在涡轮级内的运动影响不大，但可以有效地阻隔高温热斑与压力面的直接接触，并显著降低壁温和减小温度随时问波动的幅度。     

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。     

冲击粗糙壁面复合冷却实验研究

对有初始横流的冲击粗糙壁面复合冷却技术进行了实验研究。由以往研究可知,影响换热效果的因素很多,主要可分为流动参数和几何参数。本文主要通过实验以了解各种流动参数、几何参数对换热特性的影响规律,并对其结构设计提出有价值的参考意见。      

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.      

不同位置冷气喷射的试验研究和数值分析

随着涡轮进口温度的提高．采用高效气膜冷却降低叶片表面温度成为涡轮设计的主要目标之一。本文采用接近真实条件下的冷气参数,在高速风洞中进行了在叶身不同位置的冷气喷射试验,并对试验结果采用CFD软件进行了数值模拟,分析了不同冷气位置、不同冷气喷射对叶栅总损失的影响。分析了冷气喷射流场的结构,数值模拟的总体性能参数与试验结果基本一致。     

基于新型涡轮冷却算法的航空发动机性能计算模型

针对气膜冷却和对流冷却两种常用的冷却方式,建立了新的涡轮冷却计算模型,并实现了与燃气涡轮发动机总体性能计算模型的耦合,得到了可考虑的不同冷却方式、适用于高涡轮前温度、大冷气量的燃气涡轮发动机总体性能计算模型,并与简化涡轮冷却模型的计算数据及试验数据作比较分析,表明新型涡轮冷却算法的可行性和能够提供更详细的涡轮部件气流参数.     

A review of recent studies on rotating internal cooling for gas turbine blades

Gas turbines have been used extensively for aircraft and marine propulsions as well as land-based power generation because of their high thermal efficiency and large power to weight ratios. To further increase the thermal efficiency, numerous prior researches on gas turbine blade internal cooling have been intensively carried out, majorly under stationary conditions. However, the stationary studies neglect the effects of Coriolis and buoyancy forces, which should change the velocity, turbulence and temperature distribution under rotating conditions. To elucidate the rotational effects on gas turbine internal cooling, the extensive results collected from recent investigations are discussed, which include the rotation and buoyancy effects on the rib turbulated cooling, pin fin cooling, jet impingement cooling, dimple/protrusion cooling, latticework cooling as well as swirl cooling. The rotational effects on the friction factors and the most employed experimental and numerical methods are also presented. Moreover, recommendations for future research are outlined. Therefore, this review article provides extensive literature information for the design of the next-generation high-efficiency internal cooling for rotating turbine blades.