畸变进气对两级风扇稳定性影响的数值模拟

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了一种预估多级轴流压气机在均匀进气和周向畸变进气条件下的喘振边界的一维数值模拟方法。根据动态压缩系统模型,对一台两级风扇的喘振边界进行了数值预测,与基于李亚普诺夫理论的线化一维模型和试验结果的比较表明,该模型能较为准确地预估多级轴流压气机的喘振边界。对畸变进气条件下两级风扇稳定性进行的详细数值分析表明:进气总压畸变在流动过程中会生成总温畸变并伴随着总压畸变的衰减,进气总温畸变则会生成总压畸变并伴随着总温畸变的衰减;反向总温总压组合畸变进气时,畸变衰减快稳定裕度损失小,而正向总温总压组合畸变进气时,畸变衰减慢稳定裕度损失大。     

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。     

燃气轮机排气系统整机环境部件特性修正方法

为了探究外界环境条件对燃气轮机排气的影响,以船舶燃气轮机排气系统和船舶整机系统为研究对象,采用合适的物理模型对船用燃气轮机排气部件进行阻力特性、流场分布的仿真分析,进一步提出燃气轮机排气系统的修正方法。对国内外相关的研究现状进行了调研,引出研究内容和研究意义,建立船舶燃气轮机排气系统和整机系统的模型,对模型进行了网格划分,利用数值仿真技术开展不同工况点和风速风向下燃气轮机排气系统的流场特性仿真计算分析。结果表明：得到不同风速风向下排气系统的阻力特性,即总压以及总压损失,温度特性以及引射特性。以整机仿真和部件仿真所得到的数据为基准,建立了燃气轮机排气系统在整机环境从无风到有风的变化条件下的工作特性修正模型。     

旋转总压畸变对压气机稳定性影响的二维不可压缩模型

以Moore-Greitzer模型为基础, 发展了一个预测轴流压缩系统动态失速特性及进气非均匀性影响的二维不可压缩理论模型, 并利用该模型计算分析了进气总压畸变的幅值和旋转频率对下游压气机稳定性的影响.计算结果表明:进气总压畸变的幅值和旋转频率对压缩系统的动态失速特性和稳定性都有强烈的影响, 旋转频率对旋转失速边界和喘振边界的影响类似.但是, 对应系统稳定裕度损失最大值的"危险"响应频率强烈地依赖于其旋转失速的传播频率.      

真实进气条件下发动机稳定裕度损失评估

为了确定航空发动机压缩系统在进气总压畸变条件下的稳定裕度损失，开展了基于平行压气机模型的稳定裕度损失评估方法研究。通过对试飞中实测的总压畸变图谱进行等效转换，转换结果作为平行压气机模型的输入，得到畸变条件下压缩系统的稳定边界，再通过试飞数据确定压缩系统的流量，从而确定畸变时刻压缩系统的稳定裕度损失。对某型涡扇发动机进行计算，得到周向总压畸变强度为3.3%时风扇的稳定裕度损失为3.8%。通过对两种不同畸变强度的周向总压畸变的计算结果的对比，表明该方法可用于确定总压畸变条件下的稳定裕度损失。     

某型燃气轮机进气系统内流场的数值分析

为了揭示燃机进气系统内的流动特性,并为进气系统的性能预测、优化设计提供理论依据,以某型燃气轮机的进气系统为研究对象,基于混合网格的SIMPLE算法和标准的k-ε湍流模型,运用FLUENT软件对燃气轮机进气系统内的流场进行数值模拟,并从压力分布、气流角分布2个方面进行分析。结果表明:对气动性能产生重要影响的损失区域主要集中在进气外环上方和支板附近,蜗壳内锥的绕流分离也是损失源之一。应进行尽可能消除进气外环上方的气流分离,同时将绕流分离控制在一定范围内的优化设计和改进。     

车载燃气轮机进气砂尘分离器设计与验证

对车载燃气轮机进气砂尘分离器的设计方法进行了研究,根据设计要求,提出了一套涡旋管粒子分离器的设计方案和设计流程,并据此设计了隔栅式涡旋管和空气滤清器总成.对涡旋管的三维气固两相流动进行数值模拟.以空气滤清器总成为试验对象,进行了气动试验和砂尘分离试验.数值模拟和试验结果表明:进气砂尘分离器的设计方法能够达到预期的设计效果,设计的分离器满足设计要求,所采用的数值模拟方法可以较准确地模拟涡旋管的三维气固两相流动,计算结果可信.      

射流预冷装置温降与流阻特性试验研究

为了满足基于某型传统涡轮发动机射流预冷技术验证的需求,以射流预冷装置的温降和流阻特性研究为基础,设计了1种高效蒸发、低流阻的射流预冷装置,搭建了国内首套基于全尺寸的地面模拟试验系统,通过试验验证的方法研究了喷入介质的流量变化和进气温度变化对温降和流阻特性的影响,验证了射流预冷技术的有效性。结果表明:发动机入口来流温度不变时,射流预冷装置的温降特性主要取决于喷入介质的流量变化;随着来流温度的升高,射流预冷装置的介质蒸发率提高,来流降温量也会随之增大;通过调节喷射介质的流量,可将发动机风扇前气流温度维持在80~120℃;流阻特性主要取决于射流预冷装置自身,而介质喷射对流阻特性几乎不产生影响;射流预冷装置的总压损失小于4%,且随着来流温度的升高,总压损失有所减小。     

进气径向畸变对燃烧室性能影响研究与预测

针对燃气轮机在实际运行过程中燃烧室进口速度分布不均匀问题,采用数值模拟方法对直流环形燃烧室开展数值模拟计算,分析了不同进气速度畸变位置与畸变强度下燃烧室的流场与温度分布特性,并给出了一种畸变条件下燃烧室性能预测模型。结果表明：不同进气速度径向畸变位置与畸变强度对扩压器内和机匣前段流场形态影响较大,燃烧室空气分配比例改变,温度分布有所差异。燃烧室工况改变对空气分配比例、燃烧效率和总压损失的影响不大。进气速度畸变对燃烧效率影响不大,主要影响到总压损失的变化。随着畸变程度提高,空气分配比例变化明显,总压损失随之增大。进气畸变对燃烧室出口温度分布的影响规律较为复杂,影响程度与进气畸变的不均匀度、畸变形式和工况密切相关,变化范围为-30%～20%。在此基础上,给出了适用于进气径向畸变条件下的燃烧室部件特性预测模型,经验证预测模型的误差在3.5%以下。     

开槽叶片对大转角扩压叶栅性能的影响

采用从压力面向吸力面开槽的局部流动控制方法,设计了一种收敛转折型的槽道结构.实验对不同冲角下开槽叶栅的进、出口流场进行了测量,利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,通过数值计算进一步得到了详细的叶栅通道内流场情况,并进行了结构静力分析.结果表明:在4°进气攻角下,开槽后叶栅尾迹区宽度减小了16.7%,总压损失系数峰值减小了6.07%;在6°进气攻角下,总压损失系数峰值减小了14.7%.叶片开槽从压力面吸入的气流可有效加速吸力面附面层流动,抑制吸力面分离,从而降低总压损失,增大静压比,扩大稳定工作范围.槽道前壁面的转折处存在应力集中,需要进行改进.      

船用燃气轮机间冷器流路的数值计算分析

借助计算流体动力学(CFD)数值模拟技术,实现了船用燃气轮机间冷器整个流路的总压损失分析.数值模拟计算中针对间冷器模块采用了等效流通面积和等效换热效果的方法,有效解决了整个流道计算间冷器建模问题.数值模拟计算结果表明,CFD数值模拟技术可以有效的分析包括间冷器在内的整个流路的流场细节,改善间冷器的流路设计.CFD数值模拟技术与间冷换热器设计技术的结合,可以有效提高船用燃气轮机间冷器整个流路的优化设计水平.      

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。     

轴流涡轮基元级静叶稠度特性的数值研究

针对不同静叶稠度(静叶叶片数)的轴流涡轮基元级进行了非定常数值模拟,研究了静叶稠度对涡轮基元级流动状态和损失情况的影响.结果表明静叶稠度的改变对涡轮基元级流动状态和损失的影响直接与动叶稠度相关.静叶稠度的改变影响通过涡轮基元级的流量,在动叶稠度不变时,会引起涡轮基元级反力度的改变.静叶稠度增加到一定程度时,会使气流在静子中的膨胀加速过于剧烈而产生激波损失及激波与边界层干涉带来的边界层分离损失.静叶稠度减少到一定程度时,会使转子中的流动状态极大恶化,进口极大的负攻角致使动叶压力面发生大范围的分离.存在一个最佳的静叶稠度,使涡轮基元级的损失最小.      

不同攻角对涡轮叶栅损失的影响

应用基于压力修正的三维计算流体动力学(CFD)程序,通过改变进口攻角,对不同工况下的涡轮叶栅流场进行了数值模拟.并结合CFD模拟结果,应用较合理的损失分离方法,对比分析了三种常用的变工况涡轮损失预测模型.结果表明:在正攻角情况下,随着攻角的增加,涡轮叶栅总压损失显著增加;在负攻角情况下,随着攻角的增加,涡轮叶栅总压损失则有种先减小后增大的趋势,但变化范围不大.而对于三种变工况涡轮损失预测模型来说,虽能基本上反映出涡轮损失随攻角的变化趋势,但预测结果差别很大.      

非轴对称端壁造型对叶片端壁气热性能影响的研究

为了研究非轴对称端壁造型对典型燃气透平叶片端壁气动热力性能的影响,基于双控制型线非轴对称端壁造型方法,建立了间隙射流和主流掺混作用下非轴对称端壁气动热力性能的数值研究模型。在数值验证的基础上,研究了4种不同非轴对称端壁造型几何结构对叶栅端壁流动特性和气膜冷却性能的影响规律。结果表明,针对本文研究的大转折角透平叶片,在叶栅通道前部进行非轴对称端壁造型,会增强端壁的横向二次流,导致叶栅总压损失系数略有增大,会降低端壁的气膜有效度。而在叶栅通道后部进行非轴对称端壁造型,可以有效削弱端壁的横向二次流,减弱通道涡,从而降低叶栅的总压损失系数,同时,能够提升端壁横向平均气膜有效度高达22%,有利于提高端壁的气动热力性能。     

具有无源控制空腔时正激波/湍流附面层干扰的数值模拟

采用雷诺平均N-S方程和B/L代数湍流模型计算了具有无源控制空腔时正激波/湍流附面层干扰流场。计算与实验结果的比较表明,本文方法可较准确地预测激波结构、激波与附面层干扰区流动基本特征及波后流动分离状态、激波位置、波前马赫数等参数。      

抽吸孔板的气动实验及附面层抽吸数值模拟

 为了给附面层抽吸提供可靠的抽吸边界条件 ,通过对孔板厚径比t/d =0.1～ 2.67,开孔率ε =6.3%～ 23%的多孔板进行实验 ,建立了附面层抽吸孔板小孔马赫数与孔板前后压差、孔板厚径比、孔板开孔率间的关系。发现随着孔板前后压差的加大 ,小孔马赫数增加 ,当孔板前后压差达到一定值时 ,小孔发生壅塞 ,小孔马赫数不再变化 ,孔内流动达到壅塞状态。与此同时 ,总结出了附面层抽吸孔板小孔马赫数的经验公式。为了进一步检验所得经验式的准确性 ,还用实验所得经验式作为附面层抽吸边界条件 ,对来流马赫数分别为1.98,1.58和 0.8三种情况下的附面层抽吸流场进行了数值模拟。计算结果准确反映了超声来流和亚声来流条件下的附面层抽吸的流动特征 ,抽吸流量与Willis和Syberg的实验结果吻合较好 ,表明给定的附面层抽吸边界条件是正确、可行的。     

炭化层疏松/致密结构的三元乙丙烧蚀模型

分析了烧蚀发动机和高过载烧蚀发动机实验得到EPDM(三元乙丙)的炭化层结构,获得烧蚀过程炭化层结构形成变化的机理,建立了考虑疏松致密结构的多孔炭化层物理模型.模型中炭化层为非均质的多孔可渗透介质,孔隙内部存在气体扩散和热化学反应;炭化层中热解气体沉积效应形成致密结构.在多孔介质流动与传热算法基础上建立了模拟绝热材料烧蚀过程的数值方法,计算得到的炭化率、质量烧蚀率和炭化层的多孔结构与实验结果相吻合,证明了本烧蚀模型能够准确地描述绝热材料的热化学烧蚀过程,并为耦合烧蚀模型的建立提供数值算法基础.      

氢燃料先进旋涡燃烧室流动和燃烧特性

为了对整体煤气化联合循环(IGCC)燃气轮机的氢燃料先进旋涡燃烧室(advanced vortex combustor,AVC)结构设计提供理论依据,应用实验和数值模拟相结合的方法对AVC气流流动特性受燃烧室几何参数影响规律进行研究,在此基础上,确定氢燃料AVC内前、后钝体合理的布置方式.应用19步氢气和空气详细化学反应机制,对氢燃料AVC流动和燃烧特性进行数值模拟研究,结果显示:氢气和空气预混和气体主气流当量比为0.65时,在前、后钝体之间形成的凹腔内无喷射气流条件下,燃氢AVC能够形成稳定燃烧,出口温度被控制在1950K以下,总压损失系数为2.7665%,燃烧效率为99.54%.相对于凹腔内无喷射气流,凹腔内有喷射气流的AVC旋涡在z轴方向分层有序、结构更加稳定,但不同xy截面上温度分布不同,导致出口截面温度分布不均匀,总压损失系数略有增大,燃烧效率提高了.