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支板尾流引起轴流压气机叶片失效的数值分析

航空动力学报 2022年第11期37卷 2617-2626页

作者：罗楚威陈江徐宁王琦北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 中国船舶集团有限公司第七〇三研究所哈尔滨150078

为探究某燃气轮机压气机过渡段支板后方导叶发生疲劳失效的原因,以带支板过渡段及高压压气机前1.5级为研究对象,利用非定常数值模拟及单向流固耦合方法,分析支板对压气机非定常流场的影响及导叶的强迫响应特征,并通过疲劳强度实验对分... 详细信息

为探究某燃气轮机压气机过渡段支板后方导叶发生疲劳失效的原因,以带支板过渡段及高压压气机前1.5级为研究对象,利用非定常数值模拟及单向流固耦合方法,分析支板对压气机非定常流场的影响及导叶的强迫响应特征,并通过疲劳强度实验对分析结果进行了校核。结果表明:支板的存在使压气机设计点等熵效率下降3.6个百分点;支板尾缘交替脱落的涡使导叶进口攻角偏离设计值,造成气动性能下降,叶表压力脉动大幅增加;随着导叶与支板周向距离增大,支板对导叶的影响先增大后迅速减小;支板脱落涡引起的扰动频率比较分散,其低频分量引起的低阶共振是造成导叶疲劳失效的根本原因,其振动应力可达400 MPa;数值计算与实验结果吻合,证明了计算的可靠性。

关键词：支板非定常轴流压气机强迫响应流固耦合频谱

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支板/凹腔燃烧室混合与燃烧性能研究进展

航空学报 2023年

作者：赵子健刘朝阳黄伟国防科技大学空天科学学院高超声速技术实验室

在高超声速飞行条件下，燃料在超燃冲压发动机燃烧室内的驻留时间非常短，燃料与氧化剂的充分混合、点火和维持稳定的燃烧是高超声速推进的关键。为了提高燃烧室中燃料的混合与燃烧性能，国内外研究人员将诸如支板、斜坡、凹腔、后向台... 详细信息

在高超声速飞行条件下，燃料在超燃冲压发动机燃烧室内的驻留时间非常短，燃料与氧化剂的充分混合、点火和维持稳定的燃烧是高超声速推进的关键。为了提高燃烧室中燃料的混合与燃烧性能，国内外研究人员将诸如支板、斜坡、凹腔、后向台阶等增混稳燃装置引入燃烧室，取得了一定成果。在以往的研究中，支板和凹腔在流场中形成的回流区能达到较好增混稳燃效果，受到了广泛的关注与拓展。本文综述了近年来支板、凹腔及支板-凹腔组合构型的国内外研究进展，并对相关研究的未来发展方向做出了展望。

关键词：超燃冲压发动机混合增强火焰稳定支板凹腔

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支板及流道对压气机过渡段气动性能影响研究

支板及流道对压气机过渡段气动性能影响研究

作者：赵龙辉大连海事大学

学位级别：硕士

压气机过渡段是现代燃气轮机中连接高压压气机和低压压气机的过渡通道,通常具有较大的径向收缩比。这会导致过渡段出口气流紊乱,这对下游压气机进口条件极不友好,极端情况会导致下游高压压气机进口导叶断裂。而过渡段内支板和流道是影... 详细信息

压气机过渡段是现代燃气轮机中连接高压压气机和低压压气机的过渡通道,通常具有较大的径向收缩比。这会导致过渡段出口气流紊乱,这对下游压气机进口条件极不友好,极端情况会导致下游高压压气机进口导叶断裂。而过渡段内支板和流道是影响过渡段出口流场特性的主要因素,因此优化过渡段流道型线和支板型线可以显著改善下游进口条件。同时过渡段本身并不对气流做功,在过渡段内部气流的部分动能会被壁面和支板耗散,优化型线可以降低过渡段损失,提高压气机效率。基于以上分析我们确定本次的研究对象为过渡段本体以及过渡段内部的支板。试验件采用模化尺寸以适应试验台参数。对原型过渡段进行试验,试验采集了不同马赫数下的进口、出口、壁面的压力参数,并采集了支板尾缘和出口截面上的动态压力变化。试验结果证实了前期的分析,并进一步得到以下结论:过渡段流道型线存在折转角过大,对气流过渡存在不连续的情况。针对以上结论,首先单独改进支板型线,使正对来流的钝体变为较小的进气角,其次在支板尾缘也使用相同的结构防止气流流通面积突变。这些措施显著降低了出口的损失大小。后再单独改进流道型线,使用二阶二次方程生成过渡段曲线,使过渡段流道型线的折转更加顺滑。结果显示流道型线的改变虽然也能降低出口损失但其降低幅度远小于改变支板。也就是说在过渡段内部,支板是损失的主要原因。最后同时改进流道和支板型线,试验结果显示:主流区域流向压力变化不受支板型线影响,但改型支板对气流的堵塞效应要明显小于原型支板,即改进支板对主流区影响较小,能够有效降低中介机匣的气动损失。最终,在0.2Ma、0.3Ma和0.4Ma工况下,组合改型过渡段较原型支板原型流道过渡段的出口总压损失系数分别降低37%、79%和77%。此外还研究了过渡段内部支板绕流的问题,该问题的产生主要原因是流道内的支板阻挡了气流的流动,从而导致在支板四周的气流产生了类似圆柱绕流的周期性脉动。该周期性的气流脉动使支板后方的叶片受到交变载荷。通过优化支板和流道型线也成功的改变了支板尾迹压力的周期脉动。

关键词：压气机过渡段支板子午流道型线角区分离试验研究

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支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

推进技术 2012年第4期33卷 552-558页

作者：汪洪波孙明波范周琴王振国梁剑寒国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室湖南长沙410073

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧... 详细信息

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。

关键词：超声速湍流燃烧支板大涡模拟概率密度函数

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支板凹腔耦合超燃燃烧室燃油动态调节研究

推进技术 2016年第1期37卷 77-82页

作者：王建臣林宇震郭新华张弛刘伟北京航空航天大学能源与动力工程学院/航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 北京动力机械研究所高超声速冲压发动机技术重点实验室北京100074

在纯净空气来流下,对以液态航空煤油为燃料,以支板凹腔耦合方式稳焰的超燃燃烧室的燃油动态调节进行了研究,采用两台柱塞泵供油,结果表明:总燃油当量比为0.83的条件下,动态切换支板喷射位置从上游到下游的过程中,燃烧室上游的壁面压力... 详细信息

在纯净空气来流下,对以液态航空煤油为燃料,以支板凹腔耦合方式稳焰的超燃燃烧室的燃油动态调节进行了研究,采用两台柱塞泵供油,结果表明:总燃油当量比为0.83的条件下,动态切换支板喷射位置从上游到下游的过程中,燃烧室上游的壁面压力先下降后上升,而靠近出口的壁面压力则先上升后下降,并最终稳定;动态调节支板喷射的当量比,壁面压力峰值随当量比升高而升高,但壁面压力提升的起始位置随当量比升高向上游移动;通过试验验证动态调节后的稳定时间足够,试验数据可靠。

关键词：支板凹腔纯净空气超燃动态调节

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支板阻力特性实验

航空动力学报 2009年第12期24卷 2643-2648页

作者：苏义刘卫东国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

实验在超燃冲压发动机直连式试验台进行,燃烧式加热器出口气流马赫数为2.7,总温为1 337 K.利用推力测量系统对不同结构尺寸支板的冷流阻力和热试阻力进行了研究.比较了高度分别为37.5 mm和71 mm,后掠角分别为0°,30°和45°的支板冷流阻... 详细信息

实验在超燃冲压发动机直连式试验台进行,燃烧式加热器出口气流马赫数为2.7,总温为1 337 K.利用推力测量系统对不同结构尺寸支板的冷流阻力和热试阻力进行了研究.比较了高度分别为37.5 mm和71 mm,后掠角分别为0°,30°和45°的支板冷流阻力,结果表明支板的冷流阻力随支板高度的增大而增大,随后掠角的增大而减小;实验还在燃烧模态下对不同当量比时支板的阻力进行了对比,结果表明支板的热试阻力比冷流阻力小,且支板的热试阻力随当量比的增加而减小.

关键词：超燃冲压发动机支板阻力

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支板布局对三维侧压式进气道特性的影响

推进技术 2006年第1期27卷 52-57页

作者：黄生洪徐胜利刘小勇董建明中国科学技术大学力学与机械工程系合肥230026 航天科工集团31所北京100074

对采用前掠、后掠及混合掠支板布局的三维侧压式超燃发动机进气道（工作马赫数4～6）开展了数值计算，详细比较了不同支板布局的流场波系、边界层发展以及总体性能特征，主要结论有：（1）后掠支板进气道的起动马赫数范围较宽，但附加... 详细信息

对采用前掠、后掠及混合掠支板布局的三维侧压式超燃发动机进气道（工作马赫数4～6）开展了数值计算，详细比较了不同支板布局的流场波系、边界层发展以及总体性能特征，主要结论有：（1）后掠支板进气道的起动马赫数范围较宽，但附加溢流大，需前移唇口保证流量系数，结果上顶板反射激波加强，总压损失和流场畸变较大；（2）前掠支板进气道能保证较高的流量系数及总压恢复系数，但低马赫数起动困难；（3）混掠支板进气道综合了前掠与后掠布局的优点，能够保证较宽马赫数范围内的工作和较优的进气道性能，但需优化。

关键词：超音速进气道支板前掠后掠混合掠

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支板喷射超声速燃烧火焰结构实验

推进技术 2012年第6期33卷 923-927页

作者：范周琴刘卫东林志勇孙明波国防科技大学航天与材料工程学院高超声速冲压发动机技术重点实验室湖南长沙410073

为明晰支板喷射超声速燃烧火焰精细结构,并探索其影响因素,利用自发辐射成像技术和平面激光诱导荧光技术(PLIF)对支板喷射超声速燃烧流场进行研究。结果表明,燃烧室内形成了典型的扩散火焰,且火焰稳定在支板尾部的回流区,宽度与支板厚... 详细信息

为明晰支板喷射超声速燃烧火焰精细结构,并探索其影响因素,利用自发辐射成像技术和平面激光诱导荧光技术(PLIF)对支板喷射超声速燃烧流场进行研究。结果表明,燃烧室内形成了典型的扩散火焰,且火焰稳定在支板尾部的回流区,宽度与支板厚度处于同等量级;支板厚度和燃料喷注当量比对火焰结构有显著影响,增加支板厚度会使火焰基底变宽,火焰长度变短,有利于燃烧室内部的快速放热和缩短燃烧室长度,增加燃料喷注当量比会使火焰长度增加,燃烧强度增大。

关键词：支板自发辐射 OH基PLIF 火焰

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支板构型超燃冲压燃烧室流场数值模拟

推进技术 2005年第1期26卷 5-9页

作者：王晓栋宋文艳西北工业大学动力与能源学院

数值模拟了带凹腔的支板构型超燃冲压燃烧室内部的流场结构。在计算过程中, 控制方程采用了含组分守恒方程, 并与k ω双方程湍流模型紧耦合的质量平均Navier Stokes方程, 对方程中的对流项采用了空间为二阶精度的TVD格式, 扩散项则采用... 详细信息

数值模拟了带凹腔的支板构型超燃冲压燃烧室内部的流场结构。在计算过程中, 控制方程采用了含组分守恒方程, 并与k ω双方程湍流模型紧耦合的质量平均Navier Stokes方程, 对方程中的对流项采用了空间为二阶精度的TVD格式, 扩散项则采用了二阶中心差分离散。采用在流体力学时间步内的当地积分法克服了非平衡源项的刚性问题, 保持了LU SSOR隐式求解算法的高效率。通过数值模拟, 对比研究了凹腔构型的位置、长深比 (S/H) 对燃料混合性能的影响。结果表明, 长深比大的凹腔增加了燃料在腔内的停留时间, 相应地改善了燃料的混合。位于燃料喷嘴之后的凹腔比位于下游的凹腔更有助于提高燃料的混合效率。

关键词：高超音速冲压发动机燃烧室支板湍流数值仿真