史学捷[1]2016年在《对转涡轮盘腔内的流动和换热特性研究》文中研究指明对转涡轮是高压级涡轮转子和低压级涡轮转子反向旋转的涡轮结构。在航空燃气涡轮发动机中采用对转涡轮结构,一方面可以使飞机做机动飞行时作用于转子上的陀螺力矩得到很大程度上的抵消,进而减小传到飞机机身上的力矩；另一方面,相对于常规涡轮,对转涡轮的低压导叶折转角和稠度减小,因而提高了发动机整体的气动效率。对转涡轮已成为高性能燃气涡轮技术发展的前沿研究方向之一。与传统同向旋转涡轮结构相比,对转涡轮盘间形成的对转盘腔是一种新型的旋转盘腔结构,相对旋转所诱导的盘腔内部流动、换热特征还有待揭示。本文采用实验与数值计算相结合的研究方法,研究了对转涡轮盘腔内各个参数变化对对转涡轮盘腔内的流动和换热特性的影响。研究结果为分析发动机在不同工作状态下的热端部件工作状况,监控发动机性能,保证发动机可靠安全提供了重要的理论依据。本文主要内容为：(1)设计、建设了对转涡轮盘腔壁面温度测量实验台。(2)实验研究了中心轴向进气的对转涡轮盘腔的进气量和转速变化对下游盘壁面温度的影响。实验结果表明：进气量越大,下游盘壁面温度越低,换热效果越好；下游盘转速越大,下游盘壁面换热效果越好。(3)建立了描述旋转盘腔内流动和换热特性的物理模型和数学模型,并与文献中的实验数据对比,验证了数值计算方法的准确性。比较了不同湍流模型的计算结果,选取合适的湍流模型。(4)数值研究了封闭对转盘腔内流动结构特点,结果表明,封闭同速对转盘腔内流动结构为Stewartson型流动结构。(5)数值模拟了轴向中心进气的对转盘腔内的流动和换热特点,分析了盘腔间隙、进气流量、转速及转速比对对转盘腔内的压力分布、摩擦力矩和对流换热效果的影响。研究结果表明：1)盘腔间隙越大,盘腔中心空气静压越小,盘腔内空气静压梯度也越小；两盘壁面摩擦力矩随盘腔间隙的变化不明显,两盘径向温度梯度变化也不明显。盘腔间隙越大,上游盘壁面平均努赛尔数越大,而下游盘壁面平均努赛尔数变化不大。2)进气流量越大,漩涡耗散损失使腔内的负压越大,两盘壁面摩擦力矩绝对值也越大；进气流量越大,壁面径向温度梯度减小,两盘壁面换热效果都有增强,下游盘壁面换热效果比上游盘壁面换热效果明显的多。3)转速增大,盘腔外缘正压区增大,且压力和静压梯度越大。转盘壁面摩擦力矩M的绝对值随转速增大而增大：上游盘径向温度梯度随转速的变化不明显；壁面平均努赛尔数随转速增大而减小；下游盘径向温度梯度随转速的增大而减小,壁面平均努赛尔数增大。4)转速比Γ<-1时,下游盘转速不变,通过增大上游盘转速增大转速比绝对值。结果是：外缘区域正压越大；上游盘壁面摩擦力矩绝对值随之增大,而下游盘摩擦力矩不变；壁面径向温度梯度变化不明显；上、下游盘平均努赛尔数减小。5)-1<r<0时,上游盘转速不变,通过增大下游盘转速绝对值减小转速比绝对值。结果是：外缘区域正压越大；下游盘壁面摩擦力矩随之增大,而上游盘壁面摩擦力矩不变；下游盘壁面径向温度梯度减小。上、下游盘壁面平均努赛尔数增大。
梁波[2]2002年在《航空发动机旋转盘腔的流动和换热的数值模拟》文中认为本文对具有不同迭加进出流的旋转盘腔结构流动和传热特性进行了数值研究。该旋转盘腔由上、下游涡轮盘和内、外围屏组成。 文中将整个计算域分为9个子域，采用半交错式网格布置，非均匀的网格分布使得在所有近壁区的网格都更为细密。在紊流核心区采用标准K-ε模型，近壁区分别采用单方程模型和Launder—Sharma低雷诺数K-ε模型，采用SIMPLE算法，求解并获得了盘腔中的速度和压力场、全域的温度场以及流固界面上的换热系数和努谢尔数分布。文中采用了流体域和固体域耦合求解的方法，对边界条件的处理进行了细致的研究，并对压力修正算法进行了总体质量守恒修正。 为了使计算方法得到更多的算例验证，本次研究做了若干算例，文中选出其中四个算例进行分析，计算结果表明： (1) 在转静盘腔结构中，转盘表面的二次流大部分区域都比静盘表面的要强，所以转盘表面换热情况较好，转盘的总体温度水平要低于静盘。在盘腔外端固壁表面的回流区有利于该区域的换热。 (2) 轴向高位进气有效地阻止了热流向盘腔内端纵深传递，在进气加有预旋时效果更好。 (3) 在共转盘腔结构中，大部分区域盘面的换热系数都较高，表明共转状态对盘面的换热有利。但在出口处出现大面积“倒流”，盘腔外端的温度较高，这与流动参数和出口面积的大小有关，有待进一步研究。 (4) 近壁区采用单方程模型和双方程模型对流动结构、温度分布和换热系数分布的预测有着较大的差别，建议开展实验研究进行验证。
陈阳春[3]2009年在《带去旋系统的旋转盘腔内流动和换热的数值研究》文中指出涡轮是航空燃气涡轮发动机中重要承力部件和高温部件。现代航空发动机性能不断提高,其一个主要途径就是提高了涡轮前燃气温度。而愈来愈高的涡轮前温度对涡轮部件的冷却方式和冷却结构提出了越来越高的要求。因此,要提高发动机性能,延长其使用寿命,必须深入研究不同冷却方式和冷却结构对涡轮部件的冷却效果。本文采用数值模拟的分析方法对带去旋系统的旋转盘腔内的流动和换热特性进行了数值模拟。计算模型采用均匀和非均匀相结合的结构化网格,为满足Ekman边界层特点,在靠近转盘表面采用了间距递增的边界层网格。具体研究的的内容有:(1)运用不同湍流模型对典型的流动换热实验模型进行数值模拟,将计算结果与实验结果对比,选取合适的湍流模型;(2)运用选好的湍流模型对转盘上带去旋孔的旋转盘腔开展数值模拟,研究了不同的去旋角、去旋孔个数、盘腔间距、去旋孔径向位置、去旋孔轴向夹角、冷气无量纲流量及旋转雷诺数条件下,盘腔内的速度场、压力场、温度场和转盘表面努赛尔数分布;(3)通过叁维数值模拟,将转盘上带去旋孔的共转盘腔与静盘上带预旋孔的转-静盘腔以及无切向速度分量的共转和转静盘腔进行盘腔内流动以及各物理量的对比;(4)针对外围屏上带去旋喷嘴的径向内流旋转盘腔,模拟了转速比、冷气流量以及旋转雷诺数对盘腔内流动换热的影响。计算结果表明:盘腔内总压降系数随去旋孔个数的增多而减小,随去旋角的增大而减小。去旋孔个数越少、旋转雷诺数越大、冷气流量越大,则换热效果越强;叶片冷却空气进气孔的出流温度随旋转雷诺数的减小、冷气流量和去旋孔个数的增多而降低;在相同条件下,去旋进气比其他进气方式的盘腔内压力损失要小,冷气出流温度要低。对于对转盘腔而言,转速比对总压降系数影响不大,转静情况下,换热效果最弱。
梁振宇[4]2018年在《反转盘腔内稳态流动换热特性及旋转盘热应力》文中认为反向旋转涡轮盘腔内的流动和换热问题是包含多个复杂旋转力作用的流动和换热问题,具有重要的学术意义和应用前景。本文采用数值模拟结合实验研究的方法研究了反转盘腔内的流动、换热特性以及旋转盘热应力。论文主要内容有:设计搭建反转盘腔壁面温度无线测量实验台,并对旋转台结构强度以及温度无线采集模块进行了校核;通过实验测量了不同中心轴向进气量下的反转涡轮盘腔壁面温度,并与数值计算结果相对比,验证了计算方法的正确性;通过数值计算研究了反转盘腔系统在不同进气量、转速、出口间隙尺寸以及进气位置等参数下的稳态流动结构、旋转壁面换热特性以及旋转盘应力,得到如下结论。随着进气量的增大,高半径位逆时针涡胞强度增大且向低半径位扩张,滞止点向内移动;上、下游盘壁面换热系数增大,上、下游盘壁面温度降低,但上游盘变化量显着。旋转盘高应力区域为轴与盘的连接位置以及盘缘区域,且等效应力随半径增大先减小后增大。随转速增加,轴向中心面中心区域的逆时针涡胞加强且扩张,周向分布顺时针涡胞被压缩;滞止点向外围屏移动,而上游盘的近壁面气体径向速度增大,壁面高半径位温度下降,低半径位壁面温度升高。高转速时,壁面温度随转速增大而减小。转速改变对转盘盘缘热应力分布有较大影响。在本文讨论的范围内,出口间隙的变化对流动结构和换热特性的影响较小。进气位置决定了高半径逆时针涡胞以及与该涡胞相邻涡胞的边界,且随着进气位置变高,盘腔中心逐步形成一个涡旋,下游盘近壁面气体径向速度在射流初步形成区域最大。中分面高半径位置逆时针涡胞和轴向中间截面逆时针周向涡胞尺寸受到离心力、径向哥氏力以及进气惯性力影响,前者径向流在径向哥氏力和浮升力的作用下使气流产生角动量形成涡胞,后者则是由外围屏黏性力提供角动量以形成涡胞。旋转盘换热系数主要受到近壁面气体径向速度影响,而旋转盘壁面温度与整体壁面换热系数相关,分布情况则受进气位置影响。在中低转速情况下,气动应力与离心应力最大值比热应力最大值分别低两个数量级和一个数量级,整体应力水平由热应力主导。随进气半径位置的升高,下游盘冷却效果减弱,温度梯度在进气半径位置附近呈突然增大趋势。进气位置位于半径中间区域时,下游盘热应力分布最为均匀,而中心进气则具有最小的热载荷,低位进气具有最小热应力最大值。
杨小利[5]2005年在《旋转涡轮盘腔系统内部流场分布的实验和计算研究》文中研究指明在现代航空发动机中,从压气机引出的压缩空气一部分用来冷却涡轮叶片和涡轮导向叶片,另外一部分用来冷却和密封涡轮盘。掌握涡轮盘腔冷却系统内气流的运动规律是对航空发动机高温部件进行冷却的关键。 本文以带有微型涡轮的旋转涡轮盘腔为研究对象,采用实验和数值模拟相结合的方法对其流动特性进行系统研究。实验采用五孔探针采集数据;数值模拟采用二维轴对称、K-ε双方程湍流模型;具体研究了不同转速(5个转速)、不同进气流量(3个流量)、不同轴向位置(6个轴向位置)时旋转盘腔内部流场的分布规律。 研究结果表明,进气惯性力和旋转效应的相对大小是影响带有微型涡轮的旋转盘腔内部流场的主要因素,并且发现低转速时,进气惯性力主要控制流场内部结构,过渡转速时,进气惯性力和旋转效应同时控制流场结构,高转速时,旋转效应主要控制流场结构。研究还发现反预旋进气处的射流角度也是影响带有微型涡轮的旋转盘腔内部流场结构的重要因素。研究还得到了不同工况下,流场内部切向速度、径向速度、轴向速度的不同分布规律。 通过相同工况的重复性验证及同转速时不同进气流量的互相验证,本文的实验结果真实可靠。实验和数值模拟的比较研究结果表明数值模拟和实验结果基本趋势符合良好。
武亚勇[6]2007年在《反预旋进气旋转盘腔系统的流场实验与计算研究》文中提出本文对带有微型涡轮(即反预旋喷嘴)的大尺寸高压涡轮旋转盘腔系统内部流场特性进行了实验与叁维数值模拟计算对比研究，为未来优化设计涡轮盘腔系统内部流场和换热特性奠定了基础。其中实验研究是在前人实验研究的基础上进行了更进一步的实验研究，叁维数值模拟研究是以以往二维数值模拟计算模型为基础。 实验中采用传统流场测量工具五孔探针进行实验数据的采集，具体研究了200rpm、400rpm、600rpm、1100rpm、1400rpm、1800rpm、1900rpm、2000rpm八个转速下大、中、小流量时旋转盘腔内部6个不同轴向位置的速度场分布、压力场分布情况，并对实验数据进行了初步分析。通过实验研究得出以下结论：1．实验得到了旋转盘腔内部切向速度、轴向速度和径向速度以及压力在不同工况下的分布特征和规律；2．实验结果进一步验证了旋转盘腔内部流场控制理论，即，低转速下进气效应控制盘腔内部流场，中高转速和较高转速下旋转效应控制盘腔内部流场；3．根据轴向速度和径向速度的不同，低转速可细分为叁种不同的类型，高转速分为中高转速类型和较高转速类型。 叁维数值模拟计算研究中由于计算整个盘腔需要的网格过多，所以选取整个盘腔的1/74为计算模型，在几何形状完全相同的周向旋转面施加周期性边界条件，并选用κ-ε湍流模型进行数值模拟，求解了50rpm、600rpm、1800rpm叁个转速下大流量时旋转盘腔内部的速度场分布、压力场分布，并将计算结果与实验数据进行了比较分析。数值模拟计算的结果与实验数据对比后表明，两者在总体分布趋势上基本一致，但在具体的数值上有差别：1．两者切向速度分布符合的最好；2．轴向速度和径向速度分布趋势符合好，但是数值模拟得到的具体数值比实验测量得到的数值要小；3．压力分布符合较好。
邓舒情[7]2016年在《压气机旋转盘腔流动与换热性能研究》文中研究表明压气机旋转盘腔是航空发动机中冷却空气所经流路的主要部分,具有典型的气动、传热、强度等多学科耦合特征,对压气机部件及航空发动机整机的性能和稳定运行具有重要影响和作用。压气机旋转盘腔内流动与换热性能的准确预测是实现航空发动机高可靠性设计的关键。本论文将针对这一问题,基于单腔/多腔模型,深入探讨盘腔内中心区/近壁区涡系结构及壁面换热性能分布趋势,并进一步研究不同盘腔结构内流动与换热性能;针对起飞/巡航与怠速工况,通过对无量纲特征参数的分类分析,研究其流动与换热性能的变化规律;结合盘腔简单流固共轭传热模拟,提炼不同工况对叶片叶顶间隙影响规律。本文主要进行了以下研究内容:首先,针对简化的单腔和双腔模型进行了流固共轭传热数值模拟,利用已有的实验数据进行算例校核,并在此基础上研究了轴向雷诺数和旋转雷诺数对盘腔流动和换热的影响。研究表明,随着旋转雷诺数的提升,两盘腔内的流动结构趋于复杂,涡系增多且混乱,换热性能也明显增强。而轴向雷诺数的变化对盘腔内的流动结构影响不明显,但换热性能对此变化却较为敏感。其次,研究了多盘腔流动和换热,对真实压气机盘腔分别开展了起飞、怠速、巡航叁种工况的流动和换热研究,研究表明:不同工况下,盘腔内的流动和换热性能存在很大的差异。具体表现在,随着工况的变化,盘腔流动的涡系结构、流体域温度分布及固体壁面温度分布都存在明显的变化。最后,在真实压气机盘腔固体域模型上研究了盘腔的热变形,分别针对起飞、怠速、巡航叁种工况开展了热变形和温度分布规律探索,研究表明在最大转速下,盘腔热变形量变化幅值最大,且周向存在明显不均性,而随着转速的降低,这一趋势明显减小,低至怠速工况时,盘腔热变形对叶顶间隙的影响可以不考虑。
郑光华[8]2004年在《高压涡轮盘腔内换热的实验和计算研究》文中认为本文工作围绕RRD公司某型先进发动机高压涡轮盘腔内换热实验进行。 (1) 设计了用于换热实验的换热盘，并应用热电偶和热成像仪对换热盘进行了测试验证，结果表明设计的换热盘符合实验要求。 (2) 开展了旋转盘腔内热边界条件影响换热系数的数值研究，设置了壁面定温、定热流密度、温度线性分布、热流密度线性分布四类计算工况，大量计算结果验证了旋转盘腔内热边界条件对换热系数的影响。不同热边界条件对旋转盘腔内的流场有一定的影响，因此影响到换热，这个表面原因进一步验证了热边界条件对换热系数的影响。转动是热边界条件影响左右盘壁面换热系数的主要原因，粘性热和浮升力也是导致热边界条件对换热系数有影响的两个重要因素。微型涡轮结构有利于旋转盘腔内的换热。 (3) 开展了旋转盘腔内换热的实验研究，得到了不同转速下左右盘面的换热系数，并研究了流量和加热量对盘腔内换热的影响。转速越高，换热越强，低转速时，换热系数分布比较平缓，没有明显的峰值，但在高转速时，换热系数分布出现了明显的峰值和回落。由于微型涡轮进气结构，在2000 rpm左右盘腔内流场发生了较大的实质性的变化。相同转速不同流量下左右盘换热系数分布一致，但火小明显不同，流量越大，换热系数越大。旋转盘腔中流量变化不影响流动结构，用于冷却和密封的气体量有一个最佳值或者范围，增强涡轮盘壁冷却效果主要靠优化结构。相同转速不同加热量时左右盘换热系数分布基本没有变化，但大小发生了明显的变化，加热量大时换热系数整体较大，右盘更为明显，验证了数值计算得到的旋转情况下热边界条件对换热系数有影响的结论。换热系数分布的实验结果和计算结果符合良好。
林立[9]2013年在《燃气轮机转静系盘腔内流动与传热机理研究》文中研究指明随着燃气轮机技术的发展，透平前温不断升高，二次空气系统所需冷气量不断增加，由于这部分气体做功能力有限，因此通过优化设计以减少冷气用量是提高燃机性能的有效途径。二次空气系统中包含的结构形式多样，流动传热现象复杂多变，掌握其中的机理是进行优化设计的重要前提。本文研究以转静系盘腔为主，其多位于轮缘密封以及供给转子冷气的通路中，腔内的流动传热问题不仅关系到燃机的稳定运行也是整机优化设计的重要部分。本文首先对某重型燃机的二次空气系统进行一维网络分析，确定了各处冷气分配和压力分布，总结了透平中各盘腔实际工况对应的无量纲参数条件；并从轴向力和热分析的角度阐述了盘腔内流动传热计算对于重型燃机设计的重要性。为了对盘腔内流动传热机理进行实验研究，本文设计搭建了二次空气系统单元机理实验台。参数设计考虑了重型燃机二次空气系统的特点和盘腔基础研究的需求；结构方案考虑了对多种盘腔结构的研究需求，进行统一设计；实验台的测量系统包含传统的压力、流量、温度测量以及热敏液晶瞬态实验技术的应用。对转静系盘腔流动问题进行实验和数值研究：从源区边界和动盘面边界层流量两个方面对中心进气转静腔的一维模型进行修正，改进了其对腔内流动的模拟；从角动量和盘面转矩的角度对预旋进气转静腔进行分析，导出影响腔内流动的两个无量纲数为修正湍流流动参数λ't与来流雷诺数Rep，并总结了其对角动量系数cdisk的影响规律。通过分析指出，对于真实转静盘腔中动盘面传热的估计可转化为对两类理想情况的研究。对于第一类理想情况（非耦合），采用热敏液晶技术进行实验研究，验证了雷诺相似分析方法在该类问题上的适用性；对于第二类理想情况（气热耦合），研究以数值模拟为基础，结合轮盘一维导热分析，提出了简化模型，用以描述耦合情况下冷气量变化对动盘面换热的影响。根据两类理想情况的结果，可确定实际燃机中转静盘腔动盘面传热系数所处的范围。本文采用实验和数值模拟方法对转静系盘腔内的流动传热机理进行了研究，并将结果整理为一维形式，可应用于工程设计，以提高二次空气系统网络分析中对转静系盘腔的模拟能力。
于霄, 吕多, 李洪莲, 姜楠, 赵孟[10]2016年在《航空发动机旋转部件流动传热测试方法评述》文中研究说明综合分析了航空发动机旋转部件流动传热试验的原理、需求、方法和关键技术。旋转部件试验是为了研究旋转状态下盘腔内的流动和换热规律,试验通过先进的测试方法获得腔内的流场和盘的温度场,获得旋转腔流动阻力系数和盘面对流换热系数的经验关系式,用于航空发动机空气系统和热分析设计。同时文中分析了旋转部件试验的特点和难点即振动、密封和旋转信号的准确传输,并结合工程实践探索了旋转盘腔试验中各难点的解决方法和各种测试方法的优缺点,为航空发动机旋转部件流动换热的试验研究提供坚实的技术基础。
参考文献：
[1]. 对转涡轮盘腔内的流动和换热特性研究[D]. 史学捷. 中国民用航空飞行学院. 2016
[2]. 航空发动机旋转盘腔的流动和换热的数值模拟[D]. 梁波. 南京航空航天大学. 2002
[3]. 带去旋系统的旋转盘腔内流动和换热的数值研究[D]. 陈阳春. 南京航空航天大学. 2009
[4]. 反转盘腔内稳态流动换热特性及旋转盘热应力[D]. 梁振宇. 中国民用航空飞行学院. 2018
[5]. 旋转涡轮盘腔系统内部流场分布的实验和计算研究[D]. 杨小利. 西北工业大学. 2005
[6]. 反预旋进气旋转盘腔系统的流场实验与计算研究[D]. 武亚勇. 西北工业大学. 2007
[7]. 压气机旋转盘腔流动与换热性能研究[D]. 邓舒情. 北京理工大学. 2016
[8]. 高压涡轮盘腔内换热的实验和计算研究[D]. 郑光华. 西北工业大学. 2004
[9]. 燃气轮机转静系盘腔内流动与传热机理研究[D]. 林立. 清华大学. 2013
[10]. 航空发动机旋转部件流动传热测试方法评述[J]. 于霄, 吕多, 李洪莲, 姜楠, 赵孟. 计测技术. 2016
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