涡轮集气腔流动特性研究及流阻计算模型

为了探究航空发动机涡轮集气腔的流动特性,对4个主进气口、双排125个出流孔的涡轮集气腔出口流量分配规律和流阻系数进行了实验研究,重点分析了进出口压比、集气腔腔室高度等参数变化带来的影响。研究发现,正对主进气口的出流孔流量最大,而紧邻其两侧的周向出流孔流量明显减小。随着出流孔周向位置远离主进气口,出流孔流量迅速恢复并基本维持一个定值。但是位于每2个主进气口间1/2周向夹角位置,会出现最小的出流流量。实验结果表明,尽管周向上局部出流孔出现了极大和极小出流流量,但其仅为进口总流量的9.34%和3.29%。在本文实验参数范围内,随着进出口压比、集气腔高度的增加,通过集气腔的空气流量均变大,但并没有改变周向出流孔的流量分配规律。两者相比,集气腔高度带来的影响明显微弱。最终本文拟合得到了流阻损失系数同集气腔几何参数、进/出口气动参数之间的经验关系式,并将其应用于开发的一维空气系统集气腔元件中,为后续空气系统的设计与优化提供依据。     

流量分配对涡轮叶片内通道压力分布特性影响的实验研究

为掌握某型涡轮叶片内流通道不同出流位置的流量分配比例对该通道压力系数分布的影响规律.对该通道进行合理简化并根据相似原理,采用几何放大模型,在通道进口雷诺数Re=2.7×10^4～3.4×10^4的条件下,研究出流孔一、出流孔二及出流孔三5种不同流量分配情况的通道压力系数分布,结果表明：三处出流位置流量分配的变化对第一通道压力系数的影响并不明显,而对第二和第三通道的压力系数有明显影响;减小出流孔一、出流孔三流量分配比例以及增加出流孔二的流量分配比例会使通道压力系数整体较低;增加出流孔三流量分配比例使第三通道压力系数整体较高且沿流程下降趋势缓和.     

利用端区射流调节涡轮流量的数值研究

采用三维数值模拟方法对在导叶端区射入第二股气流的涡轮流场进行计算,分析了各喷气参数(如喷气位置、角度、流量、马赫数以及总温总压等)对涡轮流量的影响规律.结果表明:涡轮流量对喷气位置相当敏感,精确的喉道位置有利于流量调节;与主流成钝角喷气对涡轮流量的调节效果较好,且喷气流量与涡轮流量的变化呈线性关系;喷气马赫数在亚声速范...     

毛刺和加工精度对涡轮流量影响的数值模拟

为了研究喷嘴内壁毛刺和内壁尺寸加工精度对涡轮流量的具体影响,采用数值计算方法对液动涡轮泵喷嘴机构的单喷嘴内部流动进行数值模拟。通过对比计算结果与试验结果,以及分析计算所得流场细节,表明各工况点计算值与试验值的变化趋势基本一致;毛刺和加工精度对涡轮流量都会产生影响,但相对于加工精度,毛刺是影响涡轮流量的主要因素。     

涡轮叶片表面气膜出流的数值模拟

深入理解气膜出流对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响对于冷却涡轮的设计具有重要意义。本文利用数值模拟手段对涡轮叶栅表面气膜出流与主流相互作用进行了研究,给出了冷却孔附近的三维流场,分析了叶片表面气膜冷却机理以及吹风比对气膜出流与主流相互作用的影响规律。研究结果表明,吹风比增大将导致叶栅内部流动损失增大,且压力面更为明显;当吹风比增大到一定程度,叶片两侧面上将出现掺混肾型涡流动结构,并且在压力面和吸力面诱导出旋向相反的诱导涡。     

带集气腔的脉冲射流冲击换热实验和数值研究

实验和数值研究了带集气腔的单股脉冲射流冲击平直靶面对流换热特性。实验测试的脉冲频率(f)为5~40 Hz,射流雷诺数(Re)为5 000~15 000,脉冲占空比(R)为0.2~0.8,射流冲击间距比(H/d)为2~10;相对于实验测试,数值计算的参数范围有所拓宽,即5 Hz≤f≤200 Hz,5 000≤Re≤20 000,0.2≤R≤1.0。研究结果表明,与无集气腔脉冲射流相比,带集气腔的脉冲射流能够增强对流换热,在驻点附近的努塞尔数大约有8%~19%的提高;集气腔的存在,在射流出口处形成紧缩效应而提高脉冲值班阶段的射流趋近靶面速度,同时在非值班阶段能够形成一定的流动惯性效应。在研究的参数范围内,存在特定的、相对较优的脉冲参数,如f=80 Hz,R=0.8,对于受限空间的脉冲射流冲击,H/d=4是相对较优的射流冲击间距比。      

涡轮导向叶片表面气膜孔流量系数的实验研究

对表面布置有多排气膜孔的涡轮导向叶片进行了流量系数实验研究，在不同吹风比和雷诺数下测得了流量系数值。并分析了各种因素对流量系数的影响程度。结果表明：在不同位置气膜孔流量系数分布规律有较大区别，孔排位置一定时，流量系数主要由吹风比决定。该实验结果对涡轮叶片表面气膜冷却的设计研究有重要意义。     

流量比对高位预旋进气涡轮转静盘腔换热影响的数值研究

为提高冷气与涡轮盘的换热效果,针对高位预旋30°进气的转静腔耦合涡轮盘系统进行了数值模拟,研究了不同转静腔入口流量比率和转速对系统换热效果的影响,并对涡轮盘壁面平均努塞尔数(-Nu)、盘体最高温度、盘体温度均匀性进行了分析.结果表明:转速为1×104r/min时,随着转静腔1和2的入口流量比率P从1增加到6,左壁面(-...     

涡轮叶片温度分布新式测量技术

介绍了一种新式涡轮叶片温度分布测量技术。     

TBCC用轴对称进气道流量控制技术研究

为了满足组合动力进气道在宽马赫数范围内良好工作,开展了组合动力轴对称进气道设计,提出了多种轴对称进气道变几何方案以实现进气道/发动机流量匹配。理论分析及数值模拟研究了各变几何机制的可行性,对比分析各方案优劣。结果表明:外压段溢流、内压段溢流及扩压段溢流均能实现进气道/发动机流量匹配;外压段溢流变几何机制较复杂,其中改变唇罩角度和移动部分中心锥时进气道总压恢复系数较高,且移动部分中心锥时进气道压差阻力较小;内压段溢流各方案变几何机制相对简单,但溢流区域较大,斜激波易导致中心锥表面流动分离。其中采用外罩设置放气孔的形式时,进气道总压恢复系数较高,压差阻力较小;扩压段溢流方案实现简单,溢流区域小,进气道性能较好。      

不同粒径颗粒在涡轮流道内沿程温度及其与叶片的撞击特性研究

涡轮叶片表面的颗粒沉积会影响其气动性能和冷却效率,因此很有必要开展颗粒在流道内的运动、温度及其在涡轮叶片表面的撞击特性研究。基于离散相模型,采用CFD数值模拟了涡轮流道内的燃气流动以及不同粒径颗粒在涡轮流道内的运动轨迹与沿程温度变化,并获得了颗粒与涡轮叶片的撞击特性。模拟结果表明,随着颗粒粒径由1μm增加至200μm,颗粒在涡轮流道内的随流性变差,颗粒在流道内的撞击、反弹现象加剧,这促使颗粒在流道内的运动路程整体呈上升趋势;颗粒粒径的增大还会导致颗粒散热能力下降,促使颗粒的沿程温降逐渐降低;同时,颗粒粒径的增大会导致颗粒在导叶片表面的撞击系数上升,而动叶则与之相反。     

1.5级涡轮前后轮缘密封封严流动特性研究

为了研究前后腔轮缘密封封严特性和封严出流与主流的交互作用,对转静叶片之间带有前后封严腔的1.5级涡轮进行了三维定常数值模拟,研究了不同封严流量下前后封严腔出口处流场分布并采用附加变量法对比分析了前后腔轮缘密封效率。结果表明：前封严腔主流燃气入侵位置主要受到来自上游导叶尾迹的影响,后封严腔主流燃气入侵位置主要受到下游导叶前缘位势场影响;封严出流影响了20%叶高以下的主流区域,增大了轮毂二次流强度;采用相同封严流量下时前封严腔的封严效率较后腔更低且有着更大的封严效率波动。     

BGA封装互连焊点温度及电流密度分布的模拟与验证

芯片互连焊点承受的电流密度越来越大,给电子产品的服役可靠性带来了新的挑战.本文利用有限元软件对BGA封装互连焊点内温度及电流密度分布进行了模拟分析,结果表明:互连焊点的芯片端和基板端存在很大的温度差,在本模拟条件下,最大温度梯度可达到5.38×103K/cm;在焊点的电流入口/出口处存在电流拥挤,其电流密度比平均电流密...     

时序效应对涡轮叶片非定常作用力影响的数值研究

为了研究时序效应对尾迹传递及其与下游叶片排的作用机理,利用基于密度修正的求解雷诺平均N-S方程的商用CFD软件对某一1.5级轴流低压涡轮级进行了详细数值模拟。通过调整第二级导叶的周向位置来产生时序效应,结合叶片中径处的静压系数分布来详细分析时序效应对涡轮叶片非定常力的影响。结果表明:时序效应对涡轮效率影响很小,涡轮最大和最小气动效率之间相差0.1%,当进口导叶尾迹撞击出口导叶前缘时涡轮效率最小;时序效应对动叶表面中径处压力分布影响不大,对出口导叶影响较大,压力分布改变的主要原因包括尾迹的对流传递及其撞击引起叶片环量改变;时序效应对涡轮出口导叶气动力分布影响较大,相对最大效率,最小效率下的气动负荷系数和方位角要大。     

冷气射流对壁式火焰稳定器流场特性及壁温分布影响数值研究

为了满足先进加力燃烧室对于值班火焰稳定器工作可靠性的要求,设计了一种带气冷结构的壁式火焰稳定器,并采用数值模拟的方法研究了不同冷却孔角度对壁式火焰稳定器流场特性及壁温分布的影响.研究结果表明:设计的气冷壁式火焰稳定器可以有效抑制冷侧转角处的流动分离,避免热侧高温燃气通过冷却孔倒流进冷侧;通过调节稳定器斜板和后板上的开孔...     

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时,材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征,以2.5D编织结构复合材料为例,分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型,计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征,同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律,并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比,基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征,当平板内部平均温度梯度为25383K/m时,表面温度波动幅值达到12.41K,表面最高温度由906.96K增加到911.60K,并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时,随着纱线编织角度的增加,材料表面温度波动幅值下降,但表面的高温区域增加,沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加,材料表面的高温区域基本不变,温度波动幅值小幅下降,均匀性增强;随着纤维束与基体导热系数比的增加,材料表面的高温区域增加,温度波动幅值降幅较大,均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内,当边界温度达到1600K时,基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

船用推进器低压透平末两级改型设计

为了改进船用汽轮机低压缸末两级涡轮的气动性能,对叶栅和子午流道进行了改型设计,并运用计算流体力学方法对原型方案和改型方案的内部流场进行了数值模拟.计算结果表明,在流量不变的情况下,这种综合优化设计方法能使汽轮机性能大幅提高,最终汽轮机效率提高了2.162％,功率增加了1.7％.最后对次末级动叶进行了环形叶栅试验,测量了叶片表面压力和总压损失沿叶高的分布.试验结果表明,改型设计优化了动叶中的载荷分布,从而有效地降低了叶栅二次流损失和叶型损失.