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.     

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。     

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.     

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。     

叶片式预旋喷嘴出口流场实验研究

叶片式预旋喷嘴具有尺寸小,落后角大的特点。为了详细研究小尺寸预旋喷嘴的预旋性能,采用五孔探针对叶片式预旋喷嘴的出口流场进行了实验研究。测量了Ma=0.2,0.3时喷嘴出口的压力分布、速度分布和出口气流角度分布,实验获得了喷嘴的落后角和预旋效率,并进行了与实验工况相同的数值计算。通过实验获得的总压云图以及速度云图,可以发现叶片式预旋喷嘴的端壁二次流损失、尾迹损失严重,有明显的边界层分离现象。Ma=0.2时,喷嘴Re数为5.76×104,落后角2.84°,实验测得的预旋效率为0.73;Ma=0.3时,喷嘴Re数为1.06×105,预旋效率提高至0.77。实验模型端壁的影响使预旋效率实验结果偏低6.5%左右。数值结果与实验测得各参数符合较好:数值结果与测得的喷嘴出口截面平均总压、静压偏差在1%以内;出气速度、周向速度以及出气角度与实验结果偏差在4%以内。数值计算表明,叶片式预旋喷嘴的预旋效率基本不受压比影响,随Re数增大先增大后基本不变,最后基本稳定在0.85。     

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%。     

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.     

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。      

带盖板的预旋系统温降和压力损失数值研究

为了更大限度地挖掘预旋系统的温降潜力,对有盖板的预旋进气转-静盘腔内的气动热力问题进行了数值模拟,研究了旋转雷诺数、无量纲流量和旋转比对系统温降和压力损失特性的影响,结合盘腔内的流动特征分析了预旋温降和压力损失机理.计算表明绝热条件下的预旋温降主要受动静坐标系转换引起的动降温、离心升温,以及摩阻做功与黏性耗散等不可逆因素三方面影响,其中动降温取决于气流速度和相对速度,这些因素综合决定了系统温降随旋转雷诺数、无量纲流量和旋转比的变化规律.系统压降主要受气动损失、离心升压和坐标系转换引起的动压变化三方面影响.数据显示旋转比是无量纲温降和压力损失系数的主要影响因素.还讨论了预旋孔和接受孔流量系数随流量、转速和旋转比的变化规律.     

封严流对预旋供气系统温降特性影响的数值研究

为获得封严流对预旋供气系统温降特性的影响,基于三维稳态数值模拟方法,针对内封严出气流量,内封严进气流量,内封严进气温度和内封严进气旋转比四个因素进行了研究。结果表明：在保持供气流量和供气压力一定的条件下,封严流流出预旋腔对预旋供气系统温降特性影响微小;而封严流流入预旋腔的影响显著。内封严进气流量从0增大到喷嘴流量的20%时,温降效率降低31.3%;内封严进气温度升高37K时,温降效率降低29.2%;内封严进气旋转比从0提高到0.8时,温降效率提高15.6%。     

基于叶栅型预旋喷嘴的计算方法

随着发动机涡轮前进口温度越来越高,设计好的预旋结构,并准确地进行预旋结构的流体动力计算尤为重要。针对发动机中普遍使用的叶栅型预旋结构,采用商业软件CFX对某种叶栅型预旋喷嘴流动进行了数值模拟计算;根据2种叶栅型预旋喷嘴的试验结果,分析了叶栅型预旋喷嘴的流动特点,同时总结了1套关于叶栅型预旋结构的流体动力计算和预旋相关参数的计算方法,并编制了计算程序。结果表明:用该方法计算得到的预旋相关参数变化规律与真实物理特性相一致。     

接受孔角度对预旋系统流动特性影响的数值研究

为研究接受孔对预旋系统流动特性的影响,基于简化的三维模型,对接受孔角度为0°~60°的预旋系统进行了稳态数值模拟。结果表明,当气流周向速度高于接受孔旋转速度时,随着接受孔角度的增加,接受孔处的漩涡逐渐消失,有效流通面积增加。当气流周向速度低于接受孔旋转速度时,随着接受孔角度的增加,产生的漩涡逐渐变大,接受孔对气流的导向作用加强。随着接受孔角度的增加,接受孔附近气流的静温以及静压均减小,预旋系统无量纲质量流量和温降系数均增大,预旋系统总压损失系数呈微弱的上升趋势。接受孔角度从0°增至60°时,预旋系统温降系数增大了22.7%,总压损失系数增大了1.31%。     

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.      

径向预旋系统温降与流阻特性的数值研究

为了探索“预旋降温效应”在航空发动机中应用的新形式,研究径向预旋结构的温降和流阻特性,对径向预旋系统结构的简化模型进行了数值模拟,通过实验验证了数值方法,分析模型内部的流动结构,获得旋转雷诺数和无量纲质量流量对径向预旋系统温降和流阻特性的影响规律.结果表明:数值计算得到的结果与实验值趋势一致,最大相对误差不超过20%.计算的参数范围内,当流经径向预旋系统的冷气质量流量一定时,气流温降和压降均随旋转雷诺数的增大而降低;当径向预旋系统工作的旋转雷诺数一定时,气流温降和压降均随无量纲质量流量的增大而增加.      

蒸汽/ 空气预旋系统温降和流阻特性对比研究

为提高燃气轮机冷气品质,基于简化的燃气轮机盖板式预旋系统,采用数值模拟方法,对比研究了进、出口压比和无量纲质量流量、旋转雷诺数对蒸汽和空气预旋系统温降和流阻特性的影响规律,并以二氧化碳作为对比研究对象,分析了其流动特性存在差异的原因。结果表明:空气的预旋温降性能明显优于蒸汽的;蒸汽和空气的预旋温降性能均随进、出口压力或无量纲质量流量的增大而降低;当旋转雷诺数由3.4×106增至7.1×106时,空气的无量纲总温降逐渐增大,而蒸汽的则先增大后减小;但空气与蒸汽的流阻性能相差不大,其总压损失系数均随无量纲质量流量增加而增大,随旋转雷诺数增大而减小。     

部分喷嘴关闭对预旋供气系统供气参数影响的实验研究

为了研究部分喷嘴流路关闭对预旋供气系统供气流量和供气温度等特性参数的影响,在部分喷嘴流路打开和关闭工况下进行了实验研究。研究结果表明：随着喷嘴压比增加,以几何流通面积定义的喷嘴流量系数先增大后基本保持不变,转动对喷嘴流量系数的影响在1.6%以内,可以忽略;在系统压比为1.30时,由于阀门关闭不严和关闭后预旋腔腔压的变化,供气流量降幅是喷嘴几何流通面积降幅的67.8%~81.8%,实验状态下阀门关闭会导致供气温度降低约1.2K~2.4K。     

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.     

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。      

预旋结构影响带盖盘预旋系统流动的实验

为探究预旋结构如何影响盖盘系统内的流动特性,对不同预旋角度和进气位置的带盖盘预旋系统进行实验研究,得到了高转速下静盘表面静压和中心面总压的分布、中心面旋流系数、预旋孔排气系数以及腔内流阻系数。结果表明:预旋角度和进气位置分别影响腔内压力分布大小和分布趋势。随预旋比增加中心面旋流系数整体增加,转静腔内旋流系数与无量纲半径的-2次幂存在线性关系。预旋孔排气系数随预旋孔进出口压比的增加而增加。流阻系数随湍流参数增大而上升,随旋转雷诺数的增加而减小。     

部分喷嘴关闭对预旋供气系统参数均匀性影响的计算

为了研究部分喷嘴关闭对预旋供气系统的供气流量和供气温度及其均匀性的影响,采用稳态的固定转子相位法对180°旋转盘腔进行了数值模拟,并通过改变转子相位的稳态计算来近似模拟瞬态问题的时空变化特性。结果表明:在设计点工况(系统压比为1.32,旋转马赫数为0.678)下,喷嘴流通面积关闭14.3%时,引气总流量和供气总流量分别下降10.9%和9.9%。单个供气孔流量的波动幅度由1.1%增大为5.4%。供气的相对总温降低1 K左右,波动幅度由约0.5 K增大为1.5 K。