叶型预旋喷嘴流动特性数值计算及实验研究

发布时间：2017-09-18 12:31

  本文关键词：叶型预旋喷嘴流动特性数值计算及实验研究

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【摘要】：预旋喷嘴的主要功能是加速和偏转进入涡轮转子叶片的冷却气流,进而降低气流的相对总温。叶片式预旋喷嘴是目前公认性能优异的预旋喷嘴,而在整环的喷嘴盘设计中,当喷嘴总面积、预旋角度、喷嘴数目和半径位置确定后,喷嘴叶高和栅距就固定下来,往往因为叶高与栅距的比值(无量纲叶高)过小而降低喷嘴性能。本文在叶片式喷嘴基础上提出了一种能够调整喷嘴叶高到恰当值的新型预旋喷嘴---叶孔式预旋喷嘴。首先采用数值模拟的方法深入对比研究了具有相同型线和预旋角度(10°)的叶孔式喷嘴与叶片式喷嘴的性能差异,二者除无量纲叶高外,其余无量纲参数完全一致,其中叶片式喷嘴无量纲叶高为0.177,叶孔式喷嘴无量纲叶高为0.5。为了考虑喷嘴下游预旋腔的掺混影响,计算域不仅包括静止的进气腔和喷嘴,还包括转动的预旋腔和接受孔。在文中对预旋喷嘴进行了熵增和熵产分析,并研究了喷嘴数目、喷嘴下游转动与否、喷嘴弧形与否、喷嘴尺寸放大等因素对喷嘴性能的影响。随后对两种喷嘴的流量系数进行了实验测量,并将数值结果与实验结果进行对比。最后,将气动参数压比和雷诺数分离开,采用数值方法研究单一因素对喷嘴性能的影响。数值研究表明,叶孔式喷嘴由于可以灵活地调整喷嘴无量纲叶高,使其端壁损失减小,加速和偏转性能均好于叶片式喷嘴。压比1.5时叶孔式预旋喷嘴的流量系数可以达到0.943,比叶片式喷嘴的0.864高9.14%。叶孔式喷嘴预旋效率可以达到0.94,比叶片式喷嘴的0.9高4.44%。同时叶孔式预旋喷嘴还具有在预旋腔内掺混损失小的优点。通过熵分析,可以清楚的看到损失大小及产生不可逆损失的具体位置,有利于喷嘴结构的进一步优化。增加喷嘴数目有正反两个方面影响,总的来看,数目增多对喷嘴性能影响不大。喷嘴下游转动与否、喷嘴弧形与否、喷嘴尺寸放大对喷嘴性能的影响均在2%以内。在喷嘴实验中,通过对实验件关键尺寸的测量和对流量计、压力表的校准修正,可以大大降低系统误差,提高实验精度。误差分析表明,本实验中流量系数的测量精度在1.5%以内。喷嘴数值结果与实验结果符合良好,压比1.3~2.1范围内最大偏差在3.85%以内。喷嘴流量系数和预旋效率均随雷诺数增大先增大后基本不变,随压比变化基本不变。在这种流量系数很高的情况下,当主流区域的流动损失不再是主要损失来源时,端壁二次流及黏性损失的影响将占主导地位。
【关键词】：预旋系统 预旋喷嘴 叶型 流量系数 预旋效率 数值模拟 实验
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 主要符号说明9-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.3 主要内容及创新点16-19
• 1.3.1 本文主要研究内容16-17
• 1.3.2 本文创新点17-19
• 第二章 预旋系统工作原理19-29
• 2.1 预旋系统结构19-20
• 2.2 预旋系统降温原理20-23
• 2.2.1 旋转盘腔的动量矩方程20-21
• 2.2.2 旋转盘腔的能量方程21-22
• 2.2.3 预旋系统温降22-23
• 2.3 参数定义23-29
• 第三章 计算模型与计算方法29-35
• 3.1 喷嘴结构及几何参数29-31
• 3.2 计算模型31-33
• 3.3 计算方法与边界条件33-35
• 第四章 叶型预旋喷嘴流动特性数值研究35-59
• 4.1 两种叶型喷嘴对比分析35-44
• 4.1.1 流场分析35-36
• 4.1.2 出口气流特性分析36-39
• 4.1.3 流量系数39-40
• 4.1.4 预旋效率40
• 4.1.5 旋转比40-42
• 4.1.6 熵分析42-44
• 4.2 喷嘴数目对喷嘴性能的影响44-51
• 4.2.1 叶片式喷嘴数目的影响44-48
• 4.2.2 叶孔式喷嘴数目的影响48-51
• 4.3 模型简化对喷嘴性能的影响51-57
• 4.3.1 下游转动件对喷嘴性能的影响51-53
• 4.3.2 叶栅弧形与否对喷嘴性能的影响53-54
• 4.3.3 尺寸放大对喷嘴性能的影响54-56
• 4.3.4 发动机喷嘴与实验件喷嘴对比56-57
• 4.4 小结57-59
• 第五章 叶型预旋喷嘴流量系数实验研究59-81
• 5.1 参数定义59-61
• 5.2 实验设备61-66
• 5.2.1 实验台结构61-62
• 5.2.2 实验件加工及尺寸测量62-66
• 5.3 实验测量方法66-69
• 5.3.1 测点布置及测量仪表66-67
• 5.3.2 测量仪表校准67-69
• 5.4 实验误差分析69-72
• 5.5 实验结果分析72-74
• 5.5.1 实验工况72
• 5.5.2 实验结果72-74
• 5.6 与数值计算对比74-78
• 5.6.1 计算模型与计算方法74-75
• 5.6.2 计算结果与实验结果对比75-78
• 5.7 小结78-81
• 第六章 气动参数对喷嘴性能的影响81-87
• 6.1 Re的影响81-83
• 6.1.1 Re对落后角的影响81
• 6.1.2 Re对流量系数的影响81-82
• 6.1.3 Re对预旋效率的影响82-83
• 6.2 压比的影响83-84
• 6.2.1 压比对落后角的影响83
• 6.2.2 压比对流量系数的影响83-84
• 6.2.3 压比对预旋效率的影响84
• 6.3 小结84-87
• 第七章 结论与展望87-89
• 7.1 结论87-88
• 7.2 进一步研究工作建议88-89
• 参考文献89-93
• 发表论文93-95
• 致谢95-96

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本文编号：875583