航空发动机空气系统瞬态过程的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-07-21 09:56

【摘要】：内部空气系统是航空发动机中重要的功能系统,担负着冷却热端部件、封严腔室、平衡轴承轴向载荷等多项任务。当发动机处于过渡状态或者紧急状态时,主流参数和二次流参数很不稳定,空气系统内部会经历复杂的瞬变流动过程。由于容积效应、流体惯性、压力波的传播和反射等因素,空气系统气流参数的变化无法同步、复现扰动的变化规律,而是存在一定的延缓、滞后,甚至波动现象。空气系统瞬态响应现象的出现会给发动机的正常工作带来一系列危害,如部件发生危险的热膨胀、主流燃气入侵、轴承腔滑油泄漏等等。因此,空气系统瞬态响应问题逐渐成为现代航空发动机研究的前沿课题。本文开展了部件瞬态响应特性、瞬态系统网络计算和特性实验三方面的研究工作,对于准确理解空气系统瞬变流动物理过程具有重要意义,并且为空气系统的优化改型、精细化设计以及故障分析提供了理论支撑和指导。本文首先结合动态过程的基本概念,对空气系统典型的瞬态响应现象进行分析,并根据气体动力学理论知识,从外部扰动和系统本身物理特性两个角度分析瞬态响应现象产生的原因,并引入滞后时间等四个参数用于定量描述空气系统瞬态响应过程。其次,分别采用集中参数法和特征线法,建立典型瞬态响应元件(简单结构腔室、管道)的一维数学模型,进而开展特定结构腔室和管道的瞬态特性计算;另外采用了非稳态雷诺时均方法分别对直通式篦齿和台阶式篦齿的瞬变流动进行了数值模拟,并对篦齿内部流场演化过程、特性参数时间响应规律、关键影响因素等方面问题进行了分析。然后,根据流体网络法的思想,通过理论推导获得了瞬态网络节点压力残量方程,进而计算得到了某一气相流路节点压力、流量随时间的变化曲线,并与数值模拟计算结果进行对比,以验证空气系统瞬态网络算法。最后,搭建了空气系统瞬态特性实验平台,考虑实际发动机腔室结构特点以及实验可行性,设计并加工了静止腔和转静腔实验件,完成了供气系统、动力系统、测试系统和阀门控制系统的整体设计及设备仪器的选配,基于此实验台开展了单元件、多元件瞬态响应实验,实验测试了实验段进口的扰动压力和温度、腔室实验件的动态压力等数据,并以此验证了一维腔室模型与非稳态数值模拟方法的准确性。通过以上研究内容,本文得到的主要结论有:(1)空气系统瞬态响应现象产生的原因主要包括两方面,一是外部扰动的作用,这是响应现象产生的必要条件,如主流参数的快速变化;二是空气系统或元件本身物理特性的影响,如容积效应、流体惯性、流体压缩性和旋转效应。提出的空气系统瞬态响应特性分析评价方法可用于对元件性能参数的时间响应规律进行量化分析。(2)通过对盘腔、管道、篦齿的瞬态过程计算发现:元件进口压力突然增加时,盘腔压力、出口流量均逐渐升高,而进口流量先迅速增加至最大值然后逐渐减小,最终达到稳定值;管道进出口流量先迅速增加至某一流量值,然后缓慢增加逐渐趋于稳定;篦齿流量、齿腔压力先经历一段振荡过程然后逐渐达到稳定。算例结果表明,盘腔、管道和篦齿都对气流扰动存在不同程度的延缓作用,其中盘腔的响应时间最长,响应时间为76ms,管道与台阶式篦齿的响应时间相当,因此,空气系统瞬态过程分析中有必要考虑某些篦齿瞬态特性的影响。(3)提出了空气系统瞬态网络算法。在进行瞬态空气系统网络模型的建立过程中,只将人为引入的虚拟节点作为内节点,而腔室作为响应元件处理。通过分析损失元件流阻特性和响应元件瞬态特性,获得各类元件的截面流量关系式,进而建立瞬态网络节点压力残量方程,通过迭代求解,最终计算得到不同时刻的空气系统流量分配、压力和温度分布。(4)静止腔瞬态特性实验结果表明,进口扰动压力越高,静止腔的响应时间越长;进出气位置对静止腔瞬态响应过程影响非常小;出气面积越大,响应过程越短。转静腔实验结果表明,进口扰动压力越高,响应时间越小;转盘转速较低时对转静腔响应过程几乎没有影响,当转速继续增加,响应时间逐渐增大。多元件耦合实验结果表明,进口电磁阀突然打开,静止腔上游测点压力迅速增加很快达到稳定,静止腔、集气罩、转静腔压力逐渐升高,且响应时间依次增大;流路各测点距离进口压力扰动位置越近,其滞后时间越短。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231
【图文】：

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、可靠和高性能运转[1]。空气系统的工作过程：通常从压气机的适当位置抽取满足参数要求（压力、温度和流量）的空气，冷却空气按照设计流路的流动，经发动机道内、外侧的一系列元件（如孔、管道、封严结构、转静盘腔等）到达目标结构，工作后的空气从确定的位置排入主流，或直接泄漏到机体外部[2,3]。图 1-1 给出了典空发动机空气系统的流路示意图。

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（8）为防冰系统提供热空气[7]，防止发动机进气道前缘、压气机整流罩、第一级叶片等部位结冰，进而导致发动机故障，如图 1-2（d）。图 1-2（d）给出了某型发动机进口整流罩防冰系统示意图。从高压压气机引热空发动机内部通道或外部管道输送至发动机进口整流罩，热空气对整流罩表面加温，该部位结冰。

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3障可能引发系统网络中某一处或多处的气流状态突然改变。图 1-3 给出了一典型发动机试车循环过程中，某涡轮轮缘封严结构进出口气流总温的变化曲线[10]。发动机起动、加速和减速过程中，主轴转速相应的增大、减小，引起主流燃气、冷却空气的气流参数不断改变，其中主流燃气温度与转速的变化趋势一致，基本同步、复现了转速的变化过程，而冷气进口总温的变化与其存在明显的差异，发动机起动、加减速过程中冷气总温的变化较为缓慢。作为轮缘封严结构的进出口边界，发动机过渡过程中冷却空气、主流燃气的气流扰动（流动参数变化）直接影响结构内的空气流动状态。图 1-3 过渡状态某涡轮轮缘封严结构进口气流温度图 1-4 给出了某型发动机主轴断裂时空气系统压气机腔室的压力变化[9]。当轴断裂的紧急状况发生后，压气机与涡轮处于非匹配工作状态，会直接导致主轴转速急速增加，最终引起空气系统中上游压气机腔室内压力的持续波动，在 0~0.7s 内

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