涡扇发动机吞雨对压气机的影响研究

发布时间：2020-05-26 11:57

【摘要】：航空工业在近几十年内得到了迅速发展,商业飞行需求的不断上升增大了飞机遭遇恶劣天气的可能性。对于商业飞行常见的涡扇发动机,发动机在恶劣天气下运行会吸入大量雨水,造成压气机失速,燃烧室熄火导致发动机降转失效,严重威胁航空飞行安全。压气机作为发动机重要部件,研究吞雨对其性能的影响对于了解雨水对发动机的威胁有重要意义。本文中基于RB211发动机数据,通过ANSYS建立了的具有一级风扇和四级低压压气机的涡扇发动机模型。涡扇发动机的吞雨过程通过两相流CFD计算实现,对涡扇发动机在起飞和飞行慢车工况下吞雨下发动机工作状态进行了模拟,研究了在不同发动机工况下,液滴进口粒径分布,液滴进口处速度,液滴非均匀来流对涡扇发动机工作的影响。通过对涡扇发动机吞雨的研究可知,涡扇发动机吞雨时,相比起飞工况,慢车工况下压气机的性能对液滴的进入更敏感。发动机风扇和进气鼻锥对于风扇截面之后的液滴的重新分布有重要作用。发动机进口水气比对涡扇发动机的工作影响最大,液滴在发动机进口处的粒径分布和进入速度会改变到达风扇截面的液滴状态,进一步影响液滴在风扇截面后的分布。进入发动机的液滴其破碎过程主要发生在发动机进气道和风扇转子叶栅通道内,风扇通道内的激波促使液滴发生破碎,并且激波强度的增强加剧了液滴的破碎过程。从热力学角度分析,在不考虑液膜影响的情况下,水的出现对于风扇和压气机的效率和压比有积极的影响。风扇和压气机的动力需求在涡扇发动机吞雨时会随水气比的增加而上升。非均匀液滴来流中由位于发动机分流环内从进口处进入发动机的液滴对涡扇发动机的工作威胁最大,风扇和进气鼻锥对于液滴的偏转能力随液滴碰撞位置和碰撞角度的不同发生变化。风扇鼻锥前部对于液滴具有良好的偏转效果。本文中的两相流模拟反映了涡扇发动机在吞雨时的工作状态。稳态两相流的计算中未考虑液膜的形成和运动对发动机的影响,进气道对液滴的影响通过液滴的非均匀来流条件代替,详细的进气道几何未被添加到本文的两相流计算模拟中。
【图文】：

粒径分布,雨滴,粒径分布,总数

径在 2mm 到 3mm 之间。基于以上研究结果，选定 1mm 来代表强降雨条件下的液滴的平均粒径。图1.1 雨滴粒径分布情况. (a) 粒子总数的贡献率. (b) 总的 LWC 的贡献率.[16]1.4 液滴行为为研究因吞水对压气机性能的影响，了解液滴在发动机中的行为十分重要。受到发动机中高速气流的影响，雨水液滴进入发动机后会发生气动破碎，附着在发动机表面，飞溅，在叶片表面形成液膜和蒸发。发动机的性能受到以上液滴行为的复合影响，本小节中将对液滴在发动机中的不同行为分别进行描述。1.4.1 液滴的轨迹发动机在吞雨条件下工作时，，由冷凝所产生的直径较小的液滴大部分会跟随气体的

液滴轨迹,叶栅流,液滴

哈尔滨工程大学硕士学位论文6图1.2 叶栅流道中的液滴轨迹[8]由上图可知，大直径液滴通过叶栅时几乎全部同叶片表面发生碰撞，小直径液滴一部分被叶片捕获，另一部分跟随气流流出叶片通道。1.4.2 液滴破碎对液滴而言，维持液滴形状的力称为表面张力。由液滴和气流之间的相对速度差所产生的阻力使液滴发生变形。当由相对速度所的阻力超过液滴的表面张力后，液滴将会发生破碎。 Hinze[55]总结了三种液滴破碎的模式：(1) 液滴在初始阶段会受力变为扁平的椭圆形状，之后会变化为环形液体，并在最后环形液滴将会破碎成小液滴。(2) 液滴在初始阶段变形为圆柱状或雪茄状的带型液体，并在之后破碎成小液滴。(3) 液滴表面的局部变形可导致凸起的形成，在对液滴破碎有利的条件下，产生的凸起会脱离液滴并形成新的小液滴。液滴的破碎模式受到周围流场的流动模式的影响
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V235.13

【参考文献】