对转涡轮盘腔内的流动和换热特性研究

发布时间：2017-08-28 23:17

  本文关键词：对转涡轮盘腔内的流动和换热特性研究

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【摘要】：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)-1r0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。
【关键词】：对转涡轮盘腔 流动 换热 数值模拟
【学位授予单位】：中国民用航空飞行学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-18
• 第一章 绪论18-31
• 1.1 引言18-22
• 1.2 国外的研究现状22-26
• 1.2.1 自由盘22-23
• 1.2.2 转-静盘腔23-24
• 1.2.3 转-转盘腔24-25
• 1.2.4 带预旋进气的盘腔25-26
• 1.2.5 其他盘腔技术的研究26
• 1.3 国内的研究现状26-28
• 1.4 国内外的发展动态28
• 1.5 本文的研究背景、内容及意义28-31
• 1.5.1 研究背景28-29
• 1.5.2 研究内容29-30
• 1.5.3 研究意义30-31
• 第二章 对转涡轮盘腔壁面温度测量实验台的设计31-45
• 2.1 引言31
• 2.2 盘腔本体的设计31-33
• 2.2.1 简化的涡轮盘32
• 2.2.2 加热电阻丝的选取及安装32-33
• 2.2.3 围屏33
• 2.3 测温系统的设计33-36
• 2.3.1 测温传感器的选取33
• 2.3.2 无线温度采集模块选取及实验验证33-35
• 2.3.3 测温传感器的排布及温度采集模块的安装35-36
• 2.4 动力系统和输气系统的选型36
• 2.4.1 动力系统36
• 2.4.2 输气系统36
• 2.5 传动系统的设计36-44
• 2.5.1 轴径的计算37-39
• 2.5.2 联轴器的选择39
• 2.5.3 齿轮的设计及校核39-41
• 2.5.4 轴承的选型及校核41-43
• 2.5.5 轴的校核43-44
• 2.6 其他实验设备44
• 2.7 本章小结44-45
• 第三章 数值计算方法45-56
• 3.1 引言45
• 3.2 物理模型45-46
• 3.3 控制方程46-47
• 3.4 湍流模型47-48
• 3.5 近壁面处理48-50
• 3.6 方程的求解50
• 3.7 网格划分50-51
• 3.8 边界条件51-52
• 3.9 数值计算的收敛标准52
• 3.10 数值计算方法的验证52-55
• 3.10.1 用于验证数值计算方法的物理模型52
• 3.10.2 计算结果与文献中的实验结果对比分析52-55
• 3.11 本章小结55-56
• 第四章 对转涡轮盘腔壁面换热实验研究56-61
• 4.1 引言56
• 4.2 实验数据处理方法56
• 4.3 实验工况56
• 4.4 实验结果及分析56-60
• 4.4.1 中心轴向进气流量的变化对下游盘壁面温度的影响56-57
• 4.4.2 转盘旋转速度变化对下游盘壁面温度的影响57-58
• 4.4.3 各工况实验结果与数值模拟计算结果的比较58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 对转涡轮盘腔内流动和换热特性的数值模拟研究61-94
• 5.1 引言61
• 5.2 封闭对转盘腔内的流动结构特性61-63
• 5.3 盘腔间隙的变化对轴向射流对转盘腔内流动和换热特性的影响63-70
• 5.3.1 计算工况及模型说明63
• 5.3.2 盘腔间隙的变化对盘腔内的流动特性及压力分布的影响63-66
• 5.3.3 盘腔间隙的变化对两盘壁面摩擦力矩的影响66-67
• 5.3.4 盘腔间隙的变化对两盘壁面温度的影响67-68
• 5.3.5 盘腔间隙的变化对两盘壁面平均努赛尔数的影响68-70
• 5.4 中心轴向进气量的变化对盘腔内流动和换热特性的影响70-75
• 5.4.1 计算工况说明70
• 5.4.2 中心轴向进气量的变化对盘腔内流动特性及压力分布的影响70-72
• 5.4.3 中心轴向进气量的变化对两盘壁面摩擦力矩的影响72-73
• 5.4.4 中心轴向进气量的变化对两盘壁面温度的影响73-74
• 5.4.5 中心轴向进气量的变化对两盘壁面平均努赛尔数的影响74-75
• 5.5 两盘转速比的变化对盘腔内流动和换热特性的影响75-92
• 5.5.1 计算工况说明75-76
• 5.5.2 两盘转速变化对盘腔内流动特性及压力分布的影响76-78
• 5.5.3 两盘转速比的变化对盘腔内流动特性及压力分布的影响78-81
• 5.5.4 两盘转速变化对两盘壁面摩擦力矩的影响81-82
• 5.5.5 两盘转速比变化对两盘壁面摩擦力矩的影响82-83
• 5.5.6 两盘转速的变化对两盘壁面温度的影响83-85
• 5.5.7 两盘转速比变化对两盘壁面温度的影响85-88
• 5.5.8 两盘转速的变化对两盘壁面平均努赛尔数的影响88-89
• 5.5.9 两盘转速比的变化对两盘壁面平均努赛尔数的影响89-92
• 5.6 本章小结92-94
• 第六章 结论与展望94-96
• 6.1 本文结论94-95
• 6.2 工作展望95-96
• 参考文献96-100
• 攻读硕士期间取得的研究成果100-101
• 致谢101

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