发动机进口支板三维防冰数值模拟与试验研究
发布时间：2021-09-30 04:08
当飞机穿越含有过冷水滴的云层时,发动机进口部件如支板、导向叶片等会发生积冰现象,轻则影响发动机气动性能,重则损毁整台发动机,严重威胁飞行安全。目前国内外对防冰的研究大都针对展向外形均匀的机翼,而对于三维特征显著的发动机进口部件的防冰研究则较少。为了提升发动机进口部件的防冰设计能力,验证课题组自主开发的三维带水膜流动的防冰计算程序的精度,本文对冰风洞试验段内发动机进口支板进行三维防冰数值模拟和试验研究,在此基础上,采用经验证的计算程序对涡轴发动机进气机匣内支板的积冰特性开展数值研究。首先,本文建立了冰风洞试验段内真实尺寸涡轴发动机进口支板热气防冰的计算模型,采用自主开发的三维防冰计算程序,针对间断最大结冰条件下的积冰、完全蒸发防冰和不完全蒸发防冰三种情况进行数值模拟。计算结果表明:霜冰积冰情况下,支板前缘最大局部水收集系数达0.85,最大积冰厚度约为6mm;在完全蒸发防冰情况下,支板表面无水膜,温度从前缘向尾缘递减,最高107℃,最低34℃;在不完全蒸发防冰情况下,支板表面水膜在前缘滞止点附近最厚,为0.11mm,温度同样从前缘向尾缘递减,最高78℃,最低26℃。数值模拟还为以上两种防冰...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
发动机进口部件结冰
发动机进口支板三维防冰数值模拟与试验研究根据发动机进口部件所处的具体结冰条件不同，结冰的类型也存在差异，通常将其分为三类：霜冰、明冰和混合冰。这与飞机部件结冰的分类相同，以飞机部件结冰为例，介绍三种不同类型的结冰图片如图 1.2所示。当环境温度较低（低于-10℃），过冷水滴直径较小，液态水含量较大时，通常结霜冰，如图 1.2(a)所示，霜冰外形为白色不透明的粗糙块状，呈相对规则的楔形；当环境温度相对较高（高于-10℃），过冷水滴直径较大，液态水含量较大时，通常结明冰，如图 1.2(b)所示，明冰外形为透明光滑状，形状不规则，容易在翼型形成两个冰角，严重破坏气动外形，危害极大；事实上，通常见到的结冰同时具有霜冰和明冰的特点，称为混合冰，如图 1.2(c)所示，前缘驻点区域结明冰，后部结霜冰，容易在（-10~-20℃）的环境温度条件下形成，表面粗糙，形状也不规则，危害也极大。
流量减小20%时，则会导致燃气涡轮入口的空气温度增加140℃。涡轮入口温度一旦增加，必会缩短其使用寿命，甚至可能烧坏涡轮。为避免烧坏涡轮，当涡轮达到或超过设计的允许最高温度时，发动机或被停止工作。图1.3表示了某涡轮喷气发动机涡轮空气温度、燃油比流量、推力随时间（表征结冰程度）t的变化关系[5]，可见结冰已严重影响发动机的正常工作。其次，结冰对发动机进口的气动影响也非常大，可能会出现流场畸变或者流动分离，使得发动机叶片难以保持平衡运转。当转子转动不平衡或者动力装置剧烈振动时，可导致发动机转子轴承被破坏，造成发动机损坏或熄火。
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机帽罩热气膜防冰的加热特性[J]. 柯鹏,杨慧赟,王俊凯,杨春信. 航空动力学报. 2018(03)
[2]基于欧拉壁面液膜模型的三维热气防冰腔数值仿真[J]. 李延,郭涛,常红亮. 北京航空航天大学学报. 2018(05)
[3]航空发动机进气支板电热防冰试验[J]. 雷桂林,郑梅,董威,周志翔,董奇. 航空学报. 2017(08)
[4]吹气式旋转帽罩防冰特性[J]. 高艳欣,周建军,李云单,陆海鹰. 南京航空航天大学学报. 2016(03)
[5]发动机进口支板防冰加热功率优化试验研究[J]. 马科昌,李荣嘉,张大林. 江苏航空. 2016(01)
[6]直升机/粒子分离器一体化流场特性:第一部分前进比的影响[J]. 曾平君,孙姝,黄河峡,杜沫辰,陈伟,谭慧俊,李光胜. 航空动力学报. 2014(04)
[7]发动机导向叶片热气防冰腔结构改进[J]. 马辉,陈维建,孟繁鑫,张大林. 南京航空航天大学学报. 2013(01)
[8]防冰部件表面流动换热与温度计算分析[J]. 朱剑鋆,董葳. 燃气涡轮试验与研究. 2011(01)
[9]进口导向叶片热气防冰系统试验[J]. 董葳,侯玉柱,闵现花. 上海交通大学学报. 2010(11)
[10]某型飞机机翼防冰系统计算分析[J]. 常士楠,袁美名,霍西恒,张泉. 航空动力学报. 2008(06)
博士论文
[1]迎风表面三维积冰的数学模型与计算方法研究[D]. 曹广州.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]发动机前缘导向叶片复合材料热气防冰系统性能研究[D]. 沈东.南京航空航天大学 2009
[2]三维机翼防冰热载荷的数值模拟[D]. 管宁.南京航空航天大学 2007
本文编号：3415094
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
发动机进口部件结冰
发动机进口支板三维防冰数值模拟与试验研究根据发动机进口部件所处的具体结冰条件不同，结冰的类型也存在差异，通常将其分为三类：霜冰、明冰和混合冰。这与飞机部件结冰的分类相同，以飞机部件结冰为例，介绍三种不同类型的结冰图片如图 1.2所示。当环境温度较低（低于-10℃），过冷水滴直径较小，液态水含量较大时，通常结霜冰，如图 1.2(a)所示，霜冰外形为白色不透明的粗糙块状，呈相对规则的楔形；当环境温度相对较高（高于-10℃），过冷水滴直径较大，液态水含量较大时，通常结明冰，如图 1.2(b)所示，明冰外形为透明光滑状，形状不规则，容易在翼型形成两个冰角，严重破坏气动外形，危害极大；事实上，通常见到的结冰同时具有霜冰和明冰的特点，称为混合冰，如图 1.2(c)所示，前缘驻点区域结明冰，后部结霜冰，容易在（-10~-20℃）的环境温度条件下形成，表面粗糙，形状也不规则，危害也极大。
流量减小20%时，则会导致燃气涡轮入口的空气温度增加140℃。涡轮入口温度一旦增加，必会缩短其使用寿命，甚至可能烧坏涡轮。为避免烧坏涡轮，当涡轮达到或超过设计的允许最高温度时，发动机或被停止工作。图1.3表示了某涡轮喷气发动机涡轮空气温度、燃油比流量、推力随时间（表征结冰程度）t的变化关系[5]，可见结冰已严重影响发动机的正常工作。其次，结冰对发动机进口的气动影响也非常大，可能会出现流场畸变或者流动分离，使得发动机叶片难以保持平衡运转。当转子转动不平衡或者动力装置剧烈振动时，可导致发动机转子轴承被破坏，造成发动机损坏或熄火。
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机帽罩热气膜防冰的加热特性[J]. 柯鹏,杨慧赟,王俊凯,杨春信. 航空动力学报. 2018(03)
[2]基于欧拉壁面液膜模型的三维热气防冰腔数值仿真[J]. 李延,郭涛,常红亮. 北京航空航天大学学报. 2018(05)
[3]航空发动机进气支板电热防冰试验[J]. 雷桂林,郑梅,董威,周志翔,董奇. 航空学报. 2017(08)
[4]吹气式旋转帽罩防冰特性[J]. 高艳欣,周建军,李云单,陆海鹰. 南京航空航天大学学报. 2016(03)
[5]发动机进口支板防冰加热功率优化试验研究[J]. 马科昌,李荣嘉,张大林. 江苏航空. 2016(01)
[6]直升机/粒子分离器一体化流场特性:第一部分前进比的影响[J]. 曾平君,孙姝,黄河峡,杜沫辰,陈伟,谭慧俊,李光胜. 航空动力学报. 2014(04)
[7]发动机导向叶片热气防冰腔结构改进[J]. 马辉,陈维建,孟繁鑫,张大林. 南京航空航天大学学报. 2013(01)
[8]防冰部件表面流动换热与温度计算分析[J]. 朱剑鋆,董葳. 燃气涡轮试验与研究. 2011(01)
[9]进口导向叶片热气防冰系统试验[J]. 董葳,侯玉柱,闵现花. 上海交通大学学报. 2010(11)
[10]某型飞机机翼防冰系统计算分析[J]. 常士楠,袁美名,霍西恒,张泉. 航空动力学报. 2008(06)
博士论文
[1]迎风表面三维积冰的数学模型与计算方法研究[D]. 曹广州.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]发动机前缘导向叶片复合材料热气防冰系统性能研究[D]. 沈东.南京航空航天大学 2009
[2]三维机翼防冰热载荷的数值模拟[D]. 管宁.南京航空航天大学 2007
本文编号：3415094
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