叶型预旋喷嘴流动及温降特性实验与计算研究

为了研究转速、压比、雷诺数对叶型喷嘴流量系数及盖板式预旋系统温降的影响,介绍了在压比1.1～1.5,转速0～10kr/min条件下稳定运行的预旋系统旋转实验台。通过实验测量预旋系统内的温度和压力分布,对比分析了两种叶型预旋喷嘴(叶片式喷嘴和叶孔式预旋喷嘴)的性能差异,并采用数值计算揭示喷嘴流动损失及预旋系统温降机理。结果表明,叶孔式预旋喷嘴与叶片式预旋喷嘴流量系数均随压比的增大而增大;随雷诺数的增大先逐渐增大,当Re2×105,流量系数基本不变。系统温降效率随着压比的增大逐渐增大;压比1.5时,温降随转速增大先增大后减小,存在一个极值。叶孔式预旋喷嘴流量系数与叶片式喷嘴流量系数相差不大,约为0.95;但叶孔式喷嘴可以减小端壁二次流损失和尾迹损失,降低喷嘴出口落后角,提高喷嘴出口旋转比和系统温降效率。压比1.5,转速8.1kr/min时,叶孔式预旋喷嘴系统温降效率比叶片式喷嘴的提高了40%。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。      

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。     

涡轮导向叶片综合冷却效率实验研究

为了研究流动参数对涡轮导向叶片综合冷却效率的影响,采用红外热像仪对叶片表面的温度分布进行了测量,得到了叶片的综合冷却效率随流量比、温比、主流进口雷诺数和湍流度的变化规律。实验过程中,次流与主流的流量比分别为0.15,0.18,0.20,0.22和0.24;主次流温比分别为1.4,1.7,1.93和2.2;主流进口雷诺数分别为1.0×10~5,1.1×10~5,1.2×10~5,1.3×10~5和1.4×10~5;主流进口湍流度分别为0.506%,8.156%,14.92%。结果表明,综合冷却效率在前缘处最低,沿流向逐渐升高;增大流量比会显著提高叶片的综合冷却效率,在温比为1.93时,流量比由0.15增大至0.24,综合冷却效率平均增加29.3%;温比和主流进口湍流度的增大均不利于综合冷却效率的提升,流量比为0.20时,温比由1.4增大至2.2,综合冷却效率平均下降46.5%,湍流度由0.506%增大至14.92%,综合冷却效率平均降低15.5%;主流进口雷诺数对叶片综合冷却效率的影响很小。     

基于扇形叶栅的畸变流场对压气机静叶气动性能影响研究

随着飞机适航要求的提高,进口畸变对燃气轮机的影响也逐渐被重视起来。而飞行过程中燃气轮机所遇到的进口畸变经过动叶的传递后,往往会严重影响静叶进口气流角分布的均匀性,并恶化静叶的通流能力。为研究气流角畸变对静叶流场的影响,针对带有可调导叶的扇形叶栅,通过单独调整一片导叶角度而其它导叶角度不变的方式制造静叶进口畸变流场,并开展实验与仿真研究,分析该方法制造的畸变流场结构及其对静叶气动特性的影响。研究表明,采用的8号导叶旋转6°而其它导叶角度不变的方法可以改变静叶进口气流角、轴向速度、静压等参数的周向均匀度,实现静叶进口畸变流场。与均匀进口相比,气流角畸变度为3.22,气流角畸变度增加了1.14,并增加了静叶S8吸力面根部下通道涡的损失与影响范围,而对叶顶与中径处的影响相对较小。此外,受畸变流场影响的静叶流道总压恢复系数较均匀条件下略有下降。     

斜切喷管固体火箭发动机喷管流场与推力特性研究

为了研究斜切喷管固体火箭发动机的喷管流场与推力特性,采用二阶精度的AUSM格式求解守恒型N-S方程组并与Realizable k-e湍流模型相结合,对不同角度斜切喷管的流场特性与推力特性进行数值模拟研究。同时,设计斜切喷管发动机推力测试试验台,通过此测试平台获取发动机工作过程的推力曲线,并与数值仿真结果进行对比,验证所建立的数值仿真计算方法的可行性和有效性。结果表明：通过数值仿真方法获得的斜切喷管发动机推力与试验结果之间的误差较小;由仿真与试验结果可知,45度斜切喷管推力作用线与喷管轴线之间存在夹角,表明斜切喷管发动机存在推力偏转现象。此外,该结构喷管流场存在两个激波交汇高压强区域,同时第二道激波结构强度高于第一道。当喷管斜切角度达到40度,随着喷管斜切角度的增加,斜切喷管的质量流量、总推力与推力偏转角不断减小,但减小趋势不断变缓。     

喷水射流预冷对发动机进气温度及流场变化影响的数值研究

为减小整个预旋系统的流动损失,首先对带预旋集气腔进气孔、预旋集气腔、预旋喷嘴的冷气预旋流路进行了分析,发现进气孔和集气腔会导致预旋喷嘴进口流场不均匀,相较于进口均匀条件,预旋喷嘴总压损失系数增大0.026。在此基础上提出了一种将预旋集气腔进气孔、预旋集气腔和预旋喷嘴融合设计的低损失融合式预旋喷嘴设计方案,分析表明：融合式预旋喷嘴能有效减小冷气在预旋系统内的流动损失,在设计工况总压损失系数减小0.032,并使冷气在预旋系统内流动更加均匀,提升了预旋系统的整体性能。     

大尺度空气舵超声速烧蚀热结构试验

针对全尺寸大尺度空气舵热环境参数,对地面试验的流场参数进行了计算,设计了测试探头,进行了流场校测。将校测结果与计算结果进行了比较分析,结果表明二者吻合较好,最大偏差在30%以内。校测后的流场已成功应用于试验。     

扇形叶栅通道中密度比和流量比对叶片表面全气膜冷却特性的影响

为了研究扇形通道中真实弯扭导向叶片全气膜冷却特性,采用压敏漆(PSP)测试技术实验测量了叶片全气膜冷却效率,获得了不同密度比(1.0,1.5)和质量流量比(9.71％,11.64％,12.47％)对叶片全气膜冷却效率的影响规律.结果表明:密度比1.0条件下,随着流量比增加,叶片压力面侧气膜冷却效率逐渐增加,叶片吸力面侧...     

喷管流场V3V试验示踪粒子特性研究

采用体3维测试系统(V3V)试验研究了拉伐尔喷管出口的速度场。为了选择适合V3V试验测量气流流场的示踪粒子,对3种不同物理属性的固体微粒进行测试分析,结果表明:二氧化钛粒径为5～10μm,对于激光散射性太差,粒子亮度较弱,在V3V处理软件识别时粒子匹配不成功;滑石粉和聚苯乙烯的粒径分别为20～25μm和30～35μm,在V3V软件处理4副图片时的粒子匹配率分别为30%和40%,试验得到的速度场与理论计算值误差分别约为2%和5%。