2024年第39卷第11期文章目次

栾佳铭 , 符昊 , 张力敏 , 栾一刚

2024, 39(11).

[摘要](8) [HTML](0) [PDF 12.43 M](4)

摘要:
在涡轮叶片层板冷却通道的冲击靶面布置微肋是一种有效的冷却手段。为研究W肋对冲击冷却的强化作用，本文采用数值模拟研究冲击雷诺数Re在4000至10000范围内以光滑靶面为基准，研究肋的宽度（W=0.05d，0.1d，0.2d，0.4d），高度（H=0.1d，0.3d，0.4d，0.8d）和夹角（α=90°，120°，150°，180°）的影响。结果表明，随H增加，换热总量和阻力都整体增加，综合换热效果在H=0.3d时最佳。换热量随着W增大先增大后减小，在W=0.1d时最大。随着α增加，阻力先增大后减小，综合换热效果逐渐下降，α=90°时的综合换热效果最好，α=120°时总换热量最大。从整体而言，添加W=0.1d ，H=0.3d及α=90°的W肋的综合换热效果最好，相比于光滑靶面换热量可提升28.5%-33.5%。

2 压气机大弯角串列叶栅多目标优化设计

李天恩 , 耿少娟 , 刘帅鹏 , 张宏武

2024, 39(11).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 7.97 M](16)

摘要:
为开展串列叶栅优化设计，发展了基于中弧线叠加厚度分布的串列叶栅参数化造型方法，搭建了基于Kriging代理模型和NSGA-Ⅱ优化算法的串列叶栅多目标优化设计平台。以某多级轴流压气机末级静叶叶中截面54.15°大弯角叶型为原型，开展了串列叶栅改型和多目标优化设计。串列叶栅几何参数敏感性分析结果表明，前排叶型安装角、轴向重叠度、周向节距和弯角比四个参数对串列叶栅气动性能影响最为显著。与原型单列叶栅相比，优化串列叶栅轴向长度缩短，相同冲角下总压损失降低、静压比提高，可用冲角范围拓宽33.3%，在-12°、-2°和4°冲角下总压损失分别降低39.1%、3.3%和11.9%。优化串列叶栅前排叶型负荷降低、后排叶型负荷增大，合理的缝隙结构可以削弱/抑制边界层分离，可在全冲角范围内提升叶栅气动性能。

3 冷气旋流和气膜孔复合角对平板气膜冷却特性影响的数值研究

聂文泽 , 高阿飞 , 张华良

2024, 39(11).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 20.33 M](4)

摘要:
为探究旋流冷气的气膜冷却机理，采用数值计算的方法分析了无旋、顺时针冷气旋流和逆时针冷气旋流下平板气膜冷却流场的冷却效率和涡系结构。研究结果表明，冷气旋流会影响肾形涡对的对称性，可以使整体气膜冷却效率提高约19.2%-20.8%；当进一步采用复合角气膜孔时主流会破坏肾形涡对，形成单涡结构，与无复合角无旋的冷气模型相比，冷却效率提高了约101%；此时，逆时针冷气旋流增强了单涡强度，冷却效率进一步提升；顺时针冷气旋流促进了反肾形涡对的形成，能够显著提高冷却效率，与无复合角无旋冷气模型相比，顺/逆时针冷气旋流分别能将冷却效率提高180.8%和122.3%。

4 进口热斑影响下的燃气涡轮颗粒物沉积特性

胡朝棕 , 郝子晗 , 杨星 , 丰镇平

2024, 39(11).

[摘要](6) [HTML](0) [PDF 18.02 M](4)

摘要:
Deposition of particulate pollutants on turbine vanes after being ingested into aircraft engines can lead to degradation of their thermomechanical performance under high temperature and high-velocity gas flow conditions. The high-pressure turbine guide vanes adjacent to the exit of the combustion chamber, experience the highest temperatures among all turbine components, making them more susceptible to severe deposition issues. The deposition problems on the vane surfaces become even more complex due to the influence of hot streaks originating from the combustion chamber. In this study, numerical simulations combined with user-defined functions were employed to investigate the migration and deposition characteristics of particles on the first-stage stator vane of a high-pressure turbine under actual operating conditions. A Gaussian temperature distribution was applied at the turbine inlet to simulate hot streaks, and variations in the hot streaks temperature ratio and their relative circumferential positions to the vane were considered. Results revealed significant temperature variations between adjacent vanes due to the presence of hot streaks. When the hot streaks were positioned directly in front of the vane leading edge, a large number of high-temperature particles impinged and deposited on the leading edge surfaces. As the hot streaks was aligned with the vane mid-passage, more high-temperature particles deposited on the mid-chord and trailing edge regions of the vane, as well as the leading edge of adjacent vanes. Increasing the hot streaks temperature ratio caused the high-temperature center of the hot streaks trail to concentrate towards the midspan position, reducing overall deposition levels on the vane surface. In contrast to a uniform inlet temperature case, the hot spot increased the deposition levels on two adjacent vanes and widened the gap of deposition efficiency between the vanes by up to 11.6%, thus intensifying the flow field non-uniformities towards downstream rotors.

5 基于参数辨识的燃气轮机燃料阀控制系统建模与仿真

张嘉耕 , 戴义平 , 王宇兴 , 公天正

2024, 39(11).

[摘要](14) [HTML](0) [PDF 6.84 M](5)

摘要:
针对国内燃气轮机气体燃料控制阀长期依赖国外进口，缺乏自主设计及验证能力的问题，本文以燃料阀控制系统执行机构为对象，推导建立了其数学模型，根据实验数据使用最小二乘算法对模型参数进行了辨识，得到燃料控制阀控制系统执行机构的传递函数；利用传递函数模型对执行机构的动态响应特性进行了仿真分析，将仿真结果与实验结果进行了对比，仿真与实测结果的整体误差小于1%，验证了所建立的执行机构传递函数模型的准确性；最后对燃料控制阀控制系统的动态响应特性进行了仿真分析。

6 离心压气机几何参数影响规律及性能优化设计

张琪 , 王旭 , 王琦 , 汪作心

2024, 39(11).

[摘要](7) [HTML](0) [PDF 9.37 M](17)

摘要:
离心压气机的设计优化方法,对以小微型燃气轮机作为动力源的分布式能源站的推广发展有着重要意义。本文以带有楔形扩压器的离心压气机为研究对象,利用CFD数值模拟方法,通过改变叶轮的典型几何参数,研究离心压气机性能的影响规律并做参数敏感性分析,综合考虑典型几何参数取值,对压气机做气动性能优化设计。研究表明：适当降低进出口半径比、相对出口宽度和分流叶片相对长度,合理选择叶片进口角和出口后弯角对提高气动性能有利。几何参数对压比的影响程度排序为分流叶片相对长度、出口后弯角、进出口半径比、叶片进口角和相对出口宽度；几何参数对效率的影响程度排序为相对出口宽度、分流叶片相对长度、叶片进口角、出口后弯角和进出口半径比。除相对出口宽度外其余几何参数的改变对压比的影响均大于对效率的影响。优化后的离心压气机压比、效率和工作范围都有明显提升,设计流量下的压比由5.074提高到5.198,效率由0.8226提高到0.8427。

7 涡轮叶片红外测温探头热防护性能研究

李勋锋 , 张树林 , 叶志鹏 , 陈俊霖

2024, 39(11).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 7.98 M](15)

摘要:
针对涡轮叶片红外测温探头测量开口背对燃气时热防护性能不足的问题,采用CFD方法模拟计算了探头保护套底部开设气膜孔对热防护的强化效果。研究了气膜孔数及气膜孔直径对探头热防护性能的影响规律,分析了保护套壁面温度分布及气膜覆盖特性,并探究了热防护性能产生差异原因。结果表明,随着气膜孔数或气膜孔直径的增加,探头保护套底部的气膜覆盖程度逐渐增大,保护套最高温度从探头底部转移到了探头侧面,且呈现出先降低后升高的变化特性；探头保护套热防护的最佳气膜孔数为5个,最佳气膜孔直径为1.5mm,比无气膜热防护最高温度降低187K；探头保护套内部侧面近壁区冷却空气的对流换热是影响探头保护套侧壁面温度的主要因素。

8 轴流压气机准二维快速气动设计方法研究

袁兆嵘 , 张敏 , 杜娟 , 徐晓斌

2024, 39(11).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 7.41 M](8)

摘要:
为快速得到轴流压气机气动设计方案，缩短设计周期，发展了一套基于多流线法的准二维快速气动设计方法，开发完成相应的设计程序。该方法使用由简化径向平衡方程推导的多流线法，在一维平均中径法设计的基础上，引入多条流线，求解得到不同径向位置上流场气动参数，无需进行流线反复迭代，并嵌入物性计算软件提高计算精度。通过与叶片造型衔接，得到压气机几何模型后进行三维数值模拟，获取初始设计方案的流场细节。为验证程序和方法的准确性，参照某跨音风扇算例的设计参数，设计并验证了一个单转子压气机的性能，结果表明，设计得到的单转子子午流道几何和性能基本满足轴流压气机初始设计方案要求，多流线方法可以在轴流压气机初始设计阶段更快速、稳定地提供气动设计方案。

9 高速涡轮发动机射流预冷湿压缩性能及流动换热研究

徐嘉沛 , 李育隆 , 杨正南 , 李星剑

2024, 39(11).

[摘要](7) [HTML](0) [PDF 13.67 M](3)

摘要:
在高马赫数飞行时,进气总温过高会导致压气机性能严重恶化,射流预冷湿压缩可降低进口空气总温,降低压气机功耗,提高循环效率。本文以跨声速压气机级NASA Stage35为研究对象,建立基于欧拉-拉格朗日法的压气机气液两相三维流场计算方法,从压气机内部流场变化、轴向位置温度分布、压气机性能角度出发,研究高速涡轮机压气机内射流预冷湿压缩性能及流动换热特性。研究表明：在流动换热方面,射流预冷湿压缩可使叶片前缘及叶片尾缘后的高温区域温度明显降低,激波下游的低速区减小。液滴直径的减小,喷液量的增加,飞行马赫数的提高,均可提升压气机的降温效果,温度最大可降98 K~54 K。在性能方面,射流预冷湿压缩能明显提高进口流量,降低压气机比压缩功,提升压气机效率；液滴直径越小,喷液量越大,压气机的效率越大,效率较干压缩最大提高6%~10%；且随着马赫数的增加,液滴直径对压气机性能的影响变小。

10 外部横流下不同气膜孔型流量系数敏感性研究

刘峰 , 徐庆宗 , 刘昊阳 , 杜强

2024, 39(11).

[摘要](6) [HTML](0) [PDF 11.25 M](3)

摘要:
本文采用实验方法研究了外部横流马赫数对圆柱孔、扇形孔、后倾扇形孔、收敛缝型孔流量系数特性影响。所研究的外部横流马赫数范围为0~0.65,气膜孔压比范围为0~2。实验结果表明,无外部横流时,流量系数由大到小依次为,扇形孔,后倾扇形孔,圆柱孔,收敛缝孔。外部横流对气膜孔流量系数影响显著,外部横流降低了气膜孔的流量系数,且气膜孔压比越小,外部横流马赫数的影响越大。与前人工作相比,本文给出了高马赫数外部横流下新型气膜孔的实验数据,最后根据实验数据建立了不同气膜孔型流量系数预测模型,完善了收敛缝孔的流量系数预测模型,在所研究的参数范围内模型预测最大偏差不超过5%。

11 回流燃烧室壁温数值计算方法研究

翟维阔 , 靳雅婷 , 蔡志斌 , 金斯琴 , 李井华 , 颜应文

2024, 39(11).

[摘要](7) [HTML](0) [PDF 19.48 M](12)

摘要:
回流燃烧室燃烧流场复杂，本文基于开源流体力学计算平台OpenFOAM，考虑燃烧室内场与火焰筒壁面的换热，开发了两相喷雾燃烧-流热固耦合求解器，对某型回流燃烧室壁温进行了数值研究。计算结果表明，采用基于OpenFOAM开发的流-热-固耦合壁温计算方法能够较为准确地反映燃烧室的流场、温度场及火焰筒壁温分布情况。回流燃烧室火焰筒壁面高温区域主要集中在火焰筒内环主燃孔周边、掺混孔中部、外环主燃孔、掺混孔周边、大弯管出口段及挡溅盘边缘，最高温可达到1000K；随油气比增大，火焰筒壁面温度分布特征不变，壁温显著增加。

12 燕尾孔出口宽度对复合角射流气膜冷却特性影响

杨鑫 , 李广超 , 张魏 , 赵长宇

2024, 39(11).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 11.89 M](2)

摘要:
为了优化设计复合角射流的异形孔几何参数，数值模拟研究了涡轮叶片吸力面不同出口宽度的燕尾孔气膜效率。数值模拟结果和实验数据吻合的较好，平均误差小于20%。出口宽度增加使燕尾孔出口展向速度不均匀度增加，无法形成较好的展向扩散，导致气膜效率减小。随着吹风比的增加，燕尾孔气膜效率随出口宽度增大而降低的趋势更加明显。吹风比Br=1.0时，出口宽度1.5倍圆柱段直径的燕尾孔气膜效率相比于出口宽度2.0倍圆柱段直径的燕尾孔提高13%，出口宽度从2.0倍圆柱段直径增加到2.5倍，气膜效率变化小于1%；吹风比Br=1.5时，出口宽度为1.5倍圆柱段直径的燕尾孔气膜效率相比于出口宽度2.0倍和2.5倍圆柱段直径的燕尾孔气膜效率分别提高40%和51%；吹风比Br=2.0时，出口宽度1.5倍圆柱段直径的燕尾孔气膜效率相比于出口宽度为2.0倍和2.5倍圆柱段直径的燕尾孔分别提高38%和62%。

13 燃料分级比对中心分级燃烧室燃烧性能影响

曾旭 , 邵彦博 , 赵宁波 , 颜应文 , 刘云鹏

2024, 39(11).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 8.44 M](13)

摘要:
以中心分级单头部模型燃烧室为研究对象，对其燃烧性能开展试验和数值仿真研究。试验利用TDLAS系统和烟气分析仪获取了燃烧室空间温度及出口污染物浓度，并与数值计算结果进行对比验证。利用验证过的数值计算方法，研究了相同当量比条件下不同燃料分级比对燃烧室燃烧性能的影响规律，研究结果表明：不同燃料分级比对燃烧室总压损失影响很小。燃烧室出口温度分布系数OTDF随着预燃级燃料占比的增加而降低，随着主燃级燃料占比的增加而增加。不同燃料分级比下出口NOx浓度相差较大，最低为47ppm；但出口CO浓度差异较小，最低为8ppm。随着燃烧区域温度的升高，空间NOx浓度迅速增加。

14 基于Hammerstein-Wiener的燃气轮机非线性建模方法研究

栾俊奇 , 李淑英 , 曹云鹏 , 古成中

2024, 39(11).

[摘要](13) [HTML](0) [PDF 5.41 M](15)

摘要:
燃气轮建模是对其实施控制、性能优化、状态监测等工作的基础。本研究提出了一种基于Hammerstein-Wiener的燃气轮机非线性建模方法，利用传递函数建立了燃气轮机的动态线性模型，分别利用分段线性函数和小波变换网络作为非线性输入环节和输出环节的函数,用来描述燃气轮机的非线性特性，并构建了损失函数。将模型的信息向量与参数向量解耦，基于燃气轮机实际运行数据，利用Gauss-Newton法实现对参数向量的辨识，从而获取到燃气轮机的非线性模型，并与其他模型进行对比，结果表明所建立的非线性模型具有更高的精度。利用测试数据对模型的外延性进行验证，结果显示RMSE最大为0.0109， MAPE最大为 3.3054%， FIT最小为0.9987，表明该模型能够实现对实际燃气轮机监测数据的准确拟合，为燃气轮机状态监测相关工作提供基准。

15 神经网络模型在轴流压气机正问题计算中的应用

何中海 , 介石 , 吴亚东

2024, 39(11).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 9.81 M](3)

摘要:
轴流压气机的正问题分析过程中,传统经验模型对新叶型预测效果差,且其建立过程依赖风洞实验,更新难度大。为解决这个问题,根据以往积累的叶型仿真计算结果和叶栅、部件级实验中测得的流场参数,采用BP神经网络模型替代了轴流压气机中预测落后角和总压损失系数常用的经验模型,在原有的计算程序的基础上改进得到了新的压气机正问题分析程序,并对轴流压气机的正问题进行了求解分析。为提高神经网络模型的预测精度,利用一定范围内的流场参数作为数据集,训练出了从基本参数到落后角和总压损失系数的BP神经网络,并将预测相对误差控制在6%和2%之内。针对两台轴流压气机算例进行了计算校验,将该模型替代传统经验模型之后,用模型预测结果对比实验和替代之前的计算结果,发现该方法有效提高了正问题分析精度。

16 一种针对透平叶片中弦区的新型无气膜孔管网冷却结构数值研究

蔡扬 , 李维鹏 , 陈明敏 , 沈逸文 , 范小军 , 王蛟

2024, 39(11).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 14.30 M](9)

摘要:
针对高温透平叶片中弦区冷却,本文提出一种新型的无气膜孔管网冷却结构。该结构通过布置横向管道连接前缘冲击/气膜孔冷却、中弦区和尾缘劈缝冷却,并通过独立布置的外层竖向管道共同形成了管网冷却结构。该冷却结构可以应用于完整的叶片冷却系统中,具有中弦区无气膜孔、换热性能优越、温度分布均匀性好的有点,具有潜在的发展前景。利用数值模拟的方法,将该结构与典型含气膜孔的双层壁冷却结构进行对比,结果表明：该新型管网冷却结构相较双层壁冷却结构表面平均温度下降9.7K,同时表面温度分布均匀性更好。由于本文对该冷却结构的重点在于叶片中弦区,因此前缘和尾缘冷却性能相较于双层壁冷却有所降低,后续需要进一步对这些区域进行研究。此外,本文进一步研究了冷气雷诺数、温比变化的影响,发现雷诺数的增加可以降低管网冷却结构的叶片表面平均温度以及冷气进口总压,温比的降低导致叶片平均温度升高,同时需要优化内部结构以提升流动性能,降低流动阻力。

17 基于整机变维度仿真的压气机导叶调节规律优化方法

刘良烨 , 伊卫林

2024, 39(11).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 11.94 M](11)

摘要:
针对整机环境下压气机多级导叶调节规律选取问题,开发了面向对象、灵活建模的整机性能0D仿真程序,搭建了多级压气机3D CFD仿真模型,集成建立了整机0D-3D变维度耦合仿真模型并开展了整机变维度耦合仿真方法研究,以E3大涵道比涡扇发动机及其10级高压压气机为对象进行了应用探索。结果表明：与基于经验关系的0D方法相比,变维度耦合仿真方法具有更高精度；基于特性修正方法的变维度仿真结果与初始特性图选取有关,反映真实流动和性能的、由CFD计算得到的特性图可更快、更准的获得收敛结果,仅需3-7次迭代即可让折合流量、效率和导叶开度的相对误差收敛至0.2%以下。

18 导叶尾缘端壁造型对轮缘密封封严的影响

程舒娴 , 杜昆 , 李昆阳

2024, 39(11).

[摘要](3) [HTML](0) [PDF 8.56 M](4)

摘要:
采用数值求解三维URANS方程和SST湍流模型的方法,研究了导叶尾缘下端壁造型对轮缘密封的封严性能及涡轮主流气动性能的影响。对比了导叶尾缘5种不同端壁造型结构的轮缘密封封严效率和涡轮级效率。结果表明,导叶尾缘端壁凹凸幅值较大时会降低涡轮级效率,凹陷端壁降低0.377%,凸起端壁降低0.103%。导叶尾缘端壁造型会影响转静间隙附近的流动形态,进而影响轮缘密封封严效率。凸起端壁使转静间隙附近的主流径向分速度减小,燃气入侵增加,MFR=0.3%时,较无端壁造型封严效率降低0.13；凹陷端壁使转静间隙附近的主流径向分速度增大,燃气入侵减少,MFR=0.3%时,较无端壁造型封严效率提升0.2。

19 旋流叶片安装角对低排放燃烧室性能影响的数值研究

冯忠民 , 孙继昊 , 宋颖 , 赵宁波 , 郑洪涛

2024, 39(11).

[摘要](4) [HTML](0) [PDF 14.27 M](5)

摘要:
为研究旋流器预混级结构对燃烧室性能的影响规律,以环管型模型燃烧室为研究对象,采用数值仿真的方法,分析了第二级预混级叶片安装角对燃烧室冷态流场流动及掺混特性和燃烧特性的影响,结果表明：第二级叶片安装角对回流区尺寸、燃料/空气掺混特性和燃烧特性有明显影响,随着第二级叶片安装角的增加,旋流强度增加,回流区径向宽度增加,总压损失增加,旋流器出口和火焰筒内燃料分布更均匀,燃烧场温度降低、NO_x生成量降低、CO生成量极低且对第二级叶片安装角变化不敏感。

20 燃料分级比对分级燃烧室低工况性能影响研究

程旭 , 徐宏昊 , 赵宁波 , 李雅军

2024, 39(11).

[摘要](7) [HTML](0) [PDF 11.96 M](8)

摘要:
燃料分配策略对低排放燃烧室的燃烧组织具有重要影响,为探究低工况条件下,预燃级燃料分级比对中心分级燃烧室性能的影响规律,保持0.017恒定油气比条件,对5种不同燃料分配模式的单头部中心分级燃烧开展数值模拟研究,分析了不同预燃级燃料分级比对燃烧流场流动特性、温度分布特性、燃料空间分布与火焰结构,以及排放特性的影响,评估了燃烧室综合性能。研究结果表明：在低工况条件下,预燃级燃料分级比变化对燃烧流场结构与速度分布影响并不显著。降低预燃级燃料的分配占比,燃烧室内部高温区面积先减后增,高温区边界与预燃级喷嘴的间距缩短；预燃级火焰锋面沿燃烧室轴向朝旋流器偏移,主燃级火焰锋面位置与张角基本不变。当预燃级燃料分级比由1减至0.2,燃烧室燃烧效率由99.87%降至99.71%,CO排放量由68.12ppm增至190.32ppm,OTDF先减后增且在预燃级燃料分级比为0.6时取得最小值21.75%。

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