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CFD技术在航空发动机空气系统设计中的应用567彩
发表于:2020-05-16 17:13

  CFD身手正在航空发起机气氛编制策画中的操纵_能源/化工_工程科技_专业原料。CFD

  2 0 1 1年 鞭 3 7躜 鞭 3期 Vo l 。 3 7 No . 3 J u n . 2 0 1 1 C F D 身手正在航空发起机气氛编制 设 计中的操纵 沈 毅, 李云单 , 吕春雁 , 牟 字飞 ( 中航工 业沈 阳发起机策画研 究所 , 沈阳 1 1 0 0 0 1 5 ) 摘要 : 贯串航 空发起机 气氛 编制 的功效和策画特 点, 先容 了气氛编制 的策画理解 身手近况;以 2 种发 动机规范布局 为例 ,采用商用 C F D软件杀青 了活动 与换热特征分 析。C F D 身手是现有理解身手 的有益增补 , 是气氛编制策画理解身手精巧策画的紧张工 具, 其数值模仿结果对工程策画具有诱导旨趣。 环节词 : 气氛 编制 ; 策画身手 ; CF D; 航空发起机 Ap p l i c a t i o n o f CF D i n Se c o n d a r y Ai r S y s t e m De s i g n f o r Ae r o e n g i n e SHEN Yi ,LI Yu n—d a n ,LV Ch un—y a h, M U Y u—f e i ( A VI C S h e n y a n g A e r o e n g i n e Re s e a r c h I n s t i t u t e , S h e n y a n g 1 1 0 0 1 5 , Ch i n a ) 沈 毅( 1 9 7 1 ) 。 女。 工学硕 士 。 自然科 学研 究员 。 从事航 空发起机 气氛 编制设 计和部件热理解就业。 收稿 日期 : 2 0 1 0 — 0 9 — 3 0 A b s t r a c t : T h e d e s t e c h n o l o g i e s o f s e c o n d a r y a i r s y s t e m w e r e i n t r u o d u c e d a c c o r d i n g t o f u n c t i o n s a n d d  ̄ s i g n c h a r a c e t r i s t i c s ft o h e t h e s e c o da n r y i a r s y s t e m . T a k e s e v e r a l t y p c i a l cr a o e n g i c n s t r u c t u r e f o r e x a mp l e ,t h e 毫 c , c h r a ct a e r i s t c i a n d t h e lu f i d t e m p e r a t u r e re a a n a l y s e d 淞 he t c o m m e r c i a l C F D s o j  ̄ w re a .I t s h o w s t h t a he t C F D i s b e n e i f c i a l s u p p l e en m t f o r t ec h u r r e n t a n a l y s s i ec t h ol n o g y a n d i m p o r t a n t oo t l s o t he t a cr o e n g i c n s e c o n d  ̄ a i r s y s t e mf in e d e s i g n .T h e s i mu l t a on i r e s u l t i s i n s t r u c t i v e f o r he t e n g i n e e r i n g 0 短序 行动航空发起机 要紧零部件 和相合编制 , 气氛编制正在所有就业 &s i g n . Ke y wo r d s : s e c o n d ar y a i r s y s t e m; an a l y s i s t e c h n o l o g y ; CF D; a e r o e n g i n e 包线 内的内部就业境遇 以及热状况策画 , 担负着为发 也无法杀青对某些布局 的优化策画评估。采用商用 C F D软件, 可 以对个人活动与换热特征举办更周到地 动机供应牢靠就业境遇的重担 , 是保障发起机以高性 能安详运转的紧张编制之一 。 气氛编制策画理解身手 的生长正在某种水准代外着航空发起机的策画水准 。 理解 , 为温度预估供应高精度 的界线条款 , 可满意结 构优化的策画需求。 因为筹算机资源的局部和及气氛 编制布局自身 的庞大与众样性 , C F D身手无法对航 空发起机气氛 编制举办数值模仿。正在工程策画与筹算时, 采用 的 1 维办法简化管束 , 肯定带来偏差。正在活动方面的偏差 不单直接影响某些环节零部件的温度预估结果 , 并且 1 航空发起机 气氛 编制 气氛编制也叫 2 次流编制 , 其就业历程是从压气 机符合地点抽取气氛 , 通过发起机主通道的内侧或外 侧的百般活动布局元件 ( 孔、 管途 、 封厉环和特定布局 演 毅箬 : CF D 技 赢 茌 黼 空 发 动 柏 空 每 系 绩 设 计 审 昀 应 用 ]4 /] 5 造成 的 腔 道 等 ) ,按 照 设 计 流途 要 求 的 流 动 方 向 流 动并杀青各项划定 功效 , 最 后 从 确 定 的主 通 道 的若 篦齿 ( s e a 1 ) 、 盘心 和 轴 之 问 的通 道 、 机 匣 上 的孔 、 预 旋 喷嘴等。 区别布局局势的元件具有区别的活动和换热 特征 。正在 工 程策画 与 筹算 时 , 平时采 用 1 维 办法 处 理 各 活动单 元 的流 动与 换热 特征 , 也 即是 把这 些元 件 根 据几 何 和流 动 的特质 规范 化 , 将 发 动机 气氛 编制 模 化 成 1 个 由众 品种 型 元 件 ( 单位 ) 串联 和 并联 组 成 的 网 干部位排 出 , 与 主流汇合或直 接暴露到机体外部 排 人大气 。 某 典 型发 动 机 局 部 空 气 系 统 流 途 及 组 成 如 图 1 所示 。图 中标示 了气 流 的流 动方 向及 相应 的功效 。 络, 相联各元件的称为腔( 或节点 ) 。 通过迭代求解 , 得 到整 个 搜集 的压力 和 温度 分散 和流 量分 配情 况 。 按 照上 述思 途 , 空 气 编制 流 途 ( 图 1 ) 就 可 以模 化 成 与如 图 2所 示 的类 似 搜集 。 2 . 2 1维 筹算 结果 特质 理解 正在 搜集 中 , 每 个元 件 的流 动和换 热 特征 是决 定气 体压力 、 温度和流量的紧张数据 。正在 l 维数值模仿计 算时, 这 些 数 据 的精 度 由所 采 用 的准 则 公 式 ( 经 验 公 式) 与发 动机 布局 的 吻合程 度及 其适 用 范 围决计 。绝 图 1 航 空 发 动 机 局 部 空 气 系 统 流 途 及 构成 大部 分经 验准 则公 式来 源 于试验 数据 , 而试 验对 象 的 结 构形 式 与发 动机 真 实布局 老是 存正在 差 异 , 而试 验结 2 1维数值模 拟身手 2 . 1 基础 原 理 果也不或者商讨到全体的影响参数 , 其合用范 围肯定 是有限的。 上述成分都直接影响 1 维数值模仿结果的 精度。 Z i mm e r ma n n指 出 , C F D身手 是提 高经 验公 式 的 准 确程 度 , 或者 通过 数值 试验 办法 增加 其 有用 范 围 的 1 种 有益 办法 _ l _ 。 从 图 1中可睹 , 空 气 编制是 由影 响到气 流 沿程 的 压力 、 温度 和 流量 蜕变 的结 构 ( 如篦 齿孑 L 、 各 种 扭转 盘 腔等活动元件 ) 构成 的。 发起机元件局势众种众样 , 如 0 图 2 航空发起机气氛编制搜集 2 0 1 藤 籍 3 粪 3黼 Vo l 3 7 No 3 J u n 2 0 1 别的, 正在 【 策画 中 , 还需 要操纵 C F D身手 为气氛 编制策画供应更周到的策画按照消息。l 维数值结果可 以较量悉数地反 映各分 支的流量 分拨环境 、 合 键腔室 的 压 力和温度数据 ,从 大的方面 占定所有 气氛 编制 的特 性 。但 对 于少少 流 动 、换热 条 件 较量 复 杂 的结 构 而 吉 ‘ , 1 维数值 结果无 法反 映个人 气体 的详 细活动情 况 , 也尢 法周到 领悟各方面 成分对理解结果 的影 响 ; 因为对 一 图7 第 2种 集 气腔 模 型 图 8 计划 3局 部 结 构 图 9 集气 腔 内气 流 速 度 的 不 均 匀性 外 1 各 出 口流量 的均 匀性 较量 计划 出 口 某布局举办了简化 , 也无法供应评估布局优化策画的 救援数据 。是以 , 举办个人布局的 C F D筹算非凡须要 。 3 CF D技 术 的应 用 商用 C F D软件 采 用 的流体 理 论 和数值 算 法 始末 长远 的科 学 论证 , 较量 成 熟 , 可 以用 于处 理 发 动 机集 气腔 、 涡轮 l 艋腔 、 管途 、 篦齿 等局 部 活动 较量 庞大 空腔 的活动 、 传 热传 质 题目 。对付某 些 不考 虑旋 转 凶素 的 活动 L j 换热 数值 模仿 , 其 理解 结果 的可 信度 更 高 。本 文 以发 动机 卜 常 睹 的集气 腔 、 涡轮 叶片 内冷 气 导管 为 一 一 舫 m 案 集 气 藤 腔 ㈣ 一 模 型 臊 ● 之 n 7 斟酌对象 ,争论 C F D身手正在发起机气氛编制策画中 的J f r f j 环境 。 3 . 1 涡 轮冷 却 气氛集 气腔 策画 理解 ¨ 粥 0 Ⅺ 耋 I ,空气循环系统 ; s - 1 . 8 0 3 - 3 . 0 0 6 s - 1 . 1 2 1 - 4 . 4 0 7 伽 乱 涡轮 冷 却 气氛 集 气 腔 策画 的 主意是 将 外 部 管途 引入 的高压 低温 气体 正在此 腔均 压后 , 从 下逛 各 导 叶内 部 通道 进 入涡轮 盘 腔 , 实 现对 盘组 件 的冷却 。集 气 腔 内部 均 匀 ,有利 于进 入 涡轮盘 腔 的凉气 温 度 、 压 力周 向匀称 , 对 涡轮 部件 的冷却 是 有益 的 。 篓 如 针对 2 种集气腔布局 ,分手取整环的 1 / 4和 1 / 8 作 为 研 究对 象 ,全新风空调系统 按照 C F D分 析 的流 动情 况 , 提 出 了几 从 分 析结果 可 矢 l l , 儿种 改 进 计划 的各 H 1 I l 流 流 跏 川 量都 比原 计划 的分 布均 匀 如 1 0所 , J , 中计划 3 ㈣ 的后果最好 。 这要紧是因为进入集气腔的引气管数 矗 较少 , 固然 向分散 基 本 匀称 , 但 2个 引气 管 之 『 U J 的 3 域J 玉力 相对 较小 。 计划 3正在 J 对 引气管 出 口的下‘ O 2 I m 种 布局 办案 。 计划 1 、 2是根 据第 1 种 集气 腔 的布局 情 况做 的 改动 , 的确 结 构如 3~6所 示 ; 方 案 3是 第 2 种集 气腔 布局 的改 动情 况 , 其布局 如 图 7 、 8所 示 。集 气腔 各 出 L J 的不均 匀性 理解 结果 如 图 9所 示 , 各结 构 ‘ 添加 了挡 板 , 避 免 r气流进 入集 气 腔后 直接从 最 近 的 出 排出, 革新 了各 出 ¨的均 匀性 。567彩票网 其余 , 第 2种集 腔 的匀称 性优 于第 1 种集 气 腔 的 , 也是 因为第 2种集 气 腔 的引气管 数目 较众 , 有助 于提 高 腔 【 人 J 力 分 的 匀称性 案的出f _ ] 流 鼍不匀称性 对 比睹外 1 。 图 3 第 1种 集 气 腔模 型 图 4 原 结 构 图1 0 各 出 口流 量 的均 匀 性 较量 3 _ 2 低压涡轮导 向叶片凉气导 管内气体 沿程温度理解 图 5 方 案 1布局 图 6 方 案 2布局 航 空 发 动 机低 压 涡 轮导 向叶 片通 常 址 1 个 / I 心 演毅嚣 : C F D技商赶黻璧 动最 挖 辇每系缓策画邦翰癞爝 ] 6 /] 7 由此可睹 , 去掉凉气导管固然对提升导叶的贯通 才能起到肯定效力 , 但对把握凉气的沿程温增来说 , 却 有些得不偿失 。 固然凉气导管与叶身的接触面积很小 , 叶片( 其布局如 图 l I 所示 ) , 作 为从发起机外部引人 的涡轮盘组件冷却气氛的通道。 为了尽量删除叶身外 外貌燃气的冲洗对凉气温度的影响 , 正在导向叶片内部 装置 冷 气导 管 。 但燃气温度已经是影响气体沿程温增的最要紧成分。 雹胃■ 图 1 1 低 压 涡 轮 导 向 叶 片 布局 4 终结 语 正在举办涡轮冷却气氛集气腔布局策画 时, 要商讨 到 因为引气管陈设的影响, 肯定会导致集气腔内压力 分散不匀称 ,从而导致集气腔各出 口的流量不均 , 是 下逛流途冷却策画的倒霉成分。通过布局调理 , 如正在 进 行 导管 内冷 气沿 程温 升数 值模 拟 , 以寻 找影 响 冷 气沿 程 温增 的主 要 成分 。 分 别模 拟 了带 导管 和不 带 导 管 2种情 况 , 同时商讨 了叶片 外 面 的燃气 温度 水 平 以及 通 过 叶 片 内部 的 冷 气 流量 对 气 流 沿程 温 增 的影 引气管的出口部位添加挡板 ,革新个人的不匀称性 , 正在 肯定 水准 上 息灭 了该不 利 成分 。 低 压 涡 轮 导 向 叶片 内凉气 沿 程 温 增 的试 车测 试 结果高于策画预期 。 通过 C F D理解 , 归纳商讨各方面 的影响 , 认 为燃 气 温 度 的水 平 、 冷 气 流 量 是影 响该 温 响 。筹算模子及数值模仿结果如图 1 2 、 1 3 所示 , 数据 统计 睹 外 2 。 增的最要紧成分。 此理解结果能够通过部件试验举办 验证 。 虽然 C F D身手 曾经应 用 于航 空发 动 机 静子 件 的 一 一 图1 2 筹算 网格 带譬 管 无导管 活动 理解 , 是 气氛 编制设 计 的有 益补 充 。567彩票网但 正在应 用过 程中, 以下 成分影 响 了 C F D身手 阐明 更 大 的作 用 。 ( 1 ) 商用 C F D软件界面友爱 ,空气水系统的优缺点 上手速 。但数值模 型 的 网格 质料 、 分 析结 果 的收敛 性对 理解 结 果 的无误 性 影 响很 大 。这对 运用 者 的身手 水准 要 求较 高 , 只要 体验丰厚的运用者的理解结果才具有参考价钱。 ( 2 ) 商用 C F D软件模仿 活动与换热 征象 的数学 模 型很丰厚 , 具有很强 的通用型 , 但正在处修发动机某 些 复 杂布局 时 , 模 型的针 对性 则不 足 。 此时 C F D理解 结果只可行动策画就业的参考 。 为了供应确切度较高 的定量理解结果 , 还需求大方试验验证的数据救援。 ( 3 ) 对发起机的热端部件加倍是转子件的温度预 估 相等 紧张 。目前 C F D身手 对付 转动 系 、 转 转 系的 流 图1 3 低 压 涡 轮 导 向 叶 片 内冷 气 流 线 动理解 , 加倍是换热特征理解仍有较大偏差 , 需通过 更 众试 验研 究来 完 善 。 综 上所 述 , 正在 整机 空 气 系 统设 计 时 , 只可将 局 部 外 2 筹算结果对 比 活动 较量庞大的布局行动 1 个或几个元件举办管束 , 对元件 内部 的活动构制环境 、 各成分对温度的影响程 度无法给 出定量结果, 这种管束要领能够满意发起机 初阶策画阶段的条件 , 但无法对发起机冷却布局的细 节策画供应更高精度的诱导 。 C F D操纵使得活动与换 热 的细 节 分 析成 为可 能 , 为 结 构 刷新 设 计 、 部 件 试 验 验证和整机试车参数 的测试结果 理解 ( 下 转第2 5 页 ) 鼙威嚣 : 舰懿燃奄轮黼蠲港嚣倪搬策画与艘髓转 己4 /己5 皇\ 蹬r 】 蕃y 蕃g~ 避£ = } ( 3 ( J 罐一 一 矧 誉 0 . 9 量增 大所带来 的液 侧阻力 耗损对燃 气轮机 总体 功能 没 有影 响 , 可 以通过添加 液侧 流量来提 高问冷 器的结果 , 但正在确 定 问冷器液侧 流量 时应 该商讨 过大 的液侧流量 舯 / / ∞ 帅㈣ ㈨ 使问冷器结果提升趋缓,也使得问冷器液侧管途陈设 疾苦 , 需合理确定问冷器的液侧流量。 正在燃气轮机非设 计工 况下 ,流量成 为影 响 问冷器 性 能 的要紧 成分 , 因 此, 正在燃 气轮 机局限 负荷时 , 问冷器 的效 率和 总压恢 复 } / / _ _ 系数都有所添加 ,因而正在策画问冷器时只需针对策画 点工况优 化策画 ,同时给 出非设 计点 问冷器 的性 能参 数, 以便 于燃气 轮机 总体 功能计 算理解 。 参 考文献 : [ I ] 梁春华 . 问冷 回热循 环舰船 用燃气轮机 WR 一 2 1的身手 特质 l J 1 .航卒发起机 , 2 0 0 6 , 3 3 ( 1 ) : 5 5 — 5 8 . } /■ { ) 3 0 6 . 0 9 缸街 图 7 非策画工况气侧 活动参数 [ 2 ] 张方伟 , 张会生 , 苏 明. 中冷 同热循 环燃气轮机身手 船 舶 工程 , 2 0 0 4 ( 2 ) : 7 - 9 . [ 3 ] R o me r o - M e n d e z R , S e n M, Y a n g K T ,e t a 1 . E f f e c t o f i f n s p a c i n g o n c o n v e c t i o n i n a p l a t e i f n a n d t u b e h e a t e x c h a n g e r l J J . I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t a n d Ma s s T r a n s f e r ,2 0 0 0 , 4 3( 1 ) : 负衙 负衙 3 9-51 . 图 8 非 设 计 工 况 下 图 9 非 设 计 工 况 下 间冷 器 【 4 ] T r a v e r s o A , A r i s t i d e F . O p t i ma l d e s i g n o f c o mp a c t r e c u p e r a t o r s 间冷器结果 气侧 总压克复 系数 f o r m i c r o t u r b i n e a p p l i c a t i o n[ J ] . A p p l i e d T h e r ma l E n g i n e e r i n g , 2 0 0 5 ( 2 5 ) : 2 0 5 4 — 2 0 7 1 . 4 结 论 本 文 借 助板 翅 式 换 热器 内部 流 动通 道 的换 热 和 [ 5 ] 文超柱 , 董威. 舰 载燃气轮机 间冷 器传 热与活动 的数值模 拟 【 J J . 航空动力学报 , 2 0 1 0 , 2 5 ( 3 ) : 6 5 4 — 6 5 8 . [ 6 ] S t e v e n L . I n t e g r a t i o n o f t h e WR - 2 1 i n t e r c o o l e d r e c u p e r a t e d g a s t u r b i n e i n t o t h e R o y a l N a v y t y p e 4 5 d e s t r o y e r _I R 1 . A S M E 2 001 一GT一05 31. 压降筹算要领 ,针对舰船燃气轮机低压压气机和高压 压气机流道的布局特质,策画 了合理的间冷器布局形 式 ,并研 究 了间冷器 的布局参 数蜕变 对 问冷 器功能 的 影响 。文 中给出 的问冷器结 构局势 商讨 了舰 船燃气 轮 机 的流 道局势 ,对开 展舰船燃 气轮 机间冷器 策画 与优 化 供应 了有益 参考 。从 间冷 器结果 随液侧 流量蜕变 的 [ 7 ] S h e p a r d S B . D e s i g n a n d d e v e l o p me n t o f t h e WR 一 2 1 i n t e r c o o l e d a n d r e c u p e r a t e d ( I C R )m a r i n e g a s t u r b i n e l J 1 .J o u r n a l o f E n g i n e e r i n gf orG a sT u r b i n e s a n dP o w e r , 1 9 9 5( 1 1 7) : 5 5 7 — 5 6 1 . 理解可知 ,问冷器结果跟着液侧流量的添加而渐渐提 高。 液 侧流量 较低 时 , 问冷器 结果 跟着液侧 流量增 大而 [ 8 】 文超 柱. 舰载燃气 轮机问冷器 的策画 与斟酌[ D 】 . 上海 : 上海 交通大学 , 2 0 0 9 . [ 9 ] 董威 , 文超柱 , 郑培英 . 船 用燃气 轮机 问冷器优 化策画分 析 [ c 】 .中邦航空学会第六届 轻型燃气 轮机学术交换会论文集 . 沈阳 : 沈 阳发起机策画斟酌所 , 2 0 0 9 . 提升得很速 ,可是当液侧流量添加到肯定水准后不绝 添加 , 间冷器结果的提升趋于平缓。 商讨到因为液侧流 ( 上接第3 7 页)等工 程研 制 就业提 供 了数据 救援 。 但 为 了正在气氛编制策画时更好地操纵 C F D身手 , 还需求进 行大方针对性试验斟酌 ,告竣对湍流模子等要紧影响 理解结果成分的改良,提升操纵于航空发起机气氛系 统策画理解的成熟度。这也是航空发起机气氛编制设 计身手进一步深化斟酌的目标之一。 参 考文献 : [ 1 ] ] Z i m m e ma r n n H . S o m e a e r o d y n a mi c a s p e c t s o f e n g i n e s e c o n d a r y a i r s y s t e ms[ J ] . J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g o f r G a s T u r b i n e a n d P o w e r . 1 9 90 , 1 1 2: 22 3- 22 8. [ 2 ] 航 空发起机设 计手册总 编委 会. 航空 发起机策画手册 ( 第1 6 册) [ M] . 北 京: 航空工业 出书社 , 2 0 0 1 .

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