空气循环系统中动力涡轮性能分析

发布时间：2017-10-05 14:39

  本文关键词：空气循环系统中动力涡轮性能分析

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【摘要】：传统的飞机环境控制系统需要大量发动机压气机引气来实现座舱增压并带走热载荷,对发动机性能存在影响。为得到限定流量和合适温度的座舱供气,引气系统中设置预冷器、绝对压力调节器等部件,将高温高压的发动机压气机引气进行降温、降压处理,造成发动机压气机引气的能量极大浪费,发动机有效功率没有得到充分使用。达到座舱要求条件下,减少发动机压气机引气量是目前研究的热点。本文针对MA700民用飞机提出一种用动力涡轮驱动的空气循环系统。将高温高压引气直接引入动力涡轮膨胀做功,可以将发动机压气机引气的能量得到最大限度利用,同时可以取消预冷器、绝对压力调节器等附件减小系统质量。本文中,动力涡轮的结构特点是具有可调节喷嘴环,可以根据环控系统中压气机功率需求改变喷嘴环开度控制引气量。主要涉及以下几方面研究:1)根据MA700飞机发动机压气机引气参数,计算出飞行剖面内使用动力涡轮驱动空气循环系统时需要的发动机压气机引气量。根据计算结果选取设计、优化状态。在地面状态,环境温度高,座舱热负荷大;冲压空气温度高,换热器效率低;动力涡轮膨胀比小,需要引气量大。选取飞机地面状态发动机压气机引气参数设计动力涡轮。在飞行剖面内巡航时间最长,选取飞机巡航状态发动机压气机引气参数优化动力涡轮。在巡航高度对动力涡轮转速、叶轮叶片数、叶轮叶型三方面进行优化。优化目标是提高动力涡轮在喷嘴环开度为+3°,0°,-3°,-6°时的综合性能。2)对优化得到的动力涡轮进行性能分析:在相同工作条件下对比优化前后涡轮流场,对比不同喷嘴环开度时涡轮内部流场,分析涡轮效率改变的原因。3)在飞行剖面内数值模拟,得到动力涡轮输出功曲线,据此确定飞行剖面内任意时刻喷嘴环开度。动力涡轮驱动的空气循环系统发动机压气机引气量与飞机现有环控系统相比明显减少。飞行剖面内动力涡轮效率保持在0.851~0.885之间,在变工况条件下可以保持较高效率。
【关键词】：环境控制系统 动力涡轮 可调节喷嘴环 优化设计 数值模拟
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V245.3;V233
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 第一章 绪论15-24
• 1.1 飞机环境控制系统发展现状15-18
• 1.1.1 发动机压气机引气环控系统15-17
• 1.1.2 全电环控系统17-18
• 1.2 可调节喷嘴环涡轮研究现状18-23
• 1.2.1 涡轮叶片设计及优化18-20
• 1.2.2 可调节喷嘴环涡轮性能研究20-21
• 1.2.3 可调节喷嘴环涡轮控制机构研究21-22
• 1.2.4 可调节喷嘴环涡轮在环境控制系统中的应用22-23
• 1.3 本文主要工作23-24
• 第二章 系统性能分析24-32
• 2.1 系统介绍24
• 2.2 系统主要组件24-25
• 2.3 系统参数计算25-27
• 2.4 座舱供气温湿度27
• 2.5 动力涡轮引气量分析27-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 动力涡轮设计32-48
• 3.1 一维设计32-39
• 3.1.1 设计要求32
• 3.1.2 设计流程32-39
• 3.1.3 设计结果39
• 3.2 叶轮三维设计39-44
• 3.2.1 Bezier曲线造型39-40
• 3.2.2 子午流道造型40-42
• 3.2.3 z?θ流面造型42-44
• 3.3 喷嘴环三维设计44-45
• 3.4 蜗壳三维设计45-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第四章 动力涡轮数值计算48-55
• 4.1 概述48-49
• 4.2 流体力学理论基础49-51
• 4.2.1 控制方程49
• 4.2.2 湍流模型49-51
• 4.3 交界面51
• 4.4 网格敏感度51-52
• 4.5 周期性模型52-54
• 4.5.1 四分之一流道几何模型52-53
• 4.5.2 四分之一流道数值模拟53-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 动力涡轮优化55-65
• 5.1 优化方法概述55-56
• 5.2 均匀设计法56
• 5.3 Kriging近似模型56-58
• 5.3.1 Kriging近似模型56-57
• 5.3.2 回归函数57
• 5.3.3 关联函数57-58
• 5.3.4 目标函数58
• 5.3.5 RMSE最大点58
• 5.4 寻优方法58-59
• 5.4.1 EI搜索58-59
• 5.4.2 GA搜索59
• 5.5 涡轮优化59-60
• 5.5.1 叶片数优化59-60
• 5.5.2 转速优化60
• 5.6 叶轮叶型优化60-64
• 5.6.1 初始样本点60-62
• 5.6.2 搜索样本点62-64
• 5.7 本章小结64-65
• 第六章 动力涡轮性能分析65-74
• 6.1 优化前后叶轮叶片静压对比65-66
• 6.2 喷嘴环开度变化流场分析66-69
• 6.2.1 喷嘴环内部流场分析66-68
• 6.2.2 叶轮长叶片静压分析68-69
• 6.3 涡轮流量特性曲线69-70
• 6.4 变工况动力涡轮性能分析70-72
• 6.5 本章小结72-74
• 第七章 总结与展望74-76
• 7.1 全文总结74-75
• 7.2 工作展望75-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-81
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文81

【参考文献】

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本文编号：977383