低污染民用航空发动机径向间隙计算程序开发

【类型】学位论文

【作者】徐逸钧 

【关键词】 间隙主动控制 高压涡轮 低压涡轮 可控热变形机匣 换热特性 低污染

【摘要】叶尖间隙主动控制技术能提高对航空发动机高压/低压涡轮效率、减少发动机耗油率,有效减少污染物排放,是当今和未来高性能低污染民用航空发动机研制的关键技术之一,而径向间隙预估程序是叶尖间隙主动技术研究和应用中最基础的核心。本文首先分析了影响叶尖径向间隙的可能因素,确定了叶尖径向间隙的基本计算流程。针对高/低压涡轮不同部件的结构特征和工作状态,分别基于一维工程方法和二维有限元方法,确立了各部件温度和变形计算模型,编写了间隙预估代码,实现了稳态和过渡态叶尖径向间隙的计算,并同Ansys计算结果进行了比对,两者误差小于5%。利用建立的间隙计算程序,针对某高压涡轮部件研究了典型飞行循环下,应用主动间隙控制技术对径向间隙变化规律的影响规律。计算中发现,由于轮盘热容大,存在一定的温度响应时间,使得其热变形明显滞后于离心载荷变形。应用主动间隙控制系统后,巡航阶段叶尖径向间隙明显减小,基本能控制在0.75mm以内。随后本文还利用该计算程序,就某低压涡轮验证模型开展了间隙主动控制系统方案初步设计,分别通过调整冷却空气温度、冲击换热效果两种方法,实现了预设的间隙控制目标。在间隙分析和方案设计的基础上,本文还进行了某高压涡轮叶尖间隙主动控制方案的模型验证试验。试验中通过改变集气腔进气流量,研究了不同实验工况下机匣温度分布规律,获得了机匣径向变形量及其在周向和轴向上的分布规律。研究中发现冷却空气管的多孔冲击射流可以有效改变机匣温度,并达到调节机匣变形的最终目的。随着冷却孔平均出口雷诺数的增加,机匣的热响应时间减小,机匣的收缩速率明显增加,但该增加幅度随着雷诺数的增加而逐步减弱。实验结果表明:机匣径向冷却收缩量基本均匀。由于冷却空气管周向流量分配不均匀,使其周向上最大相对偏差为8.75%。同时冷却空气管结构和供气量差异会导致机匣轴向温度分布不均匀,在该实验工况中,机匣径向冷却收缩量在轴向上最大的相对偏差为6.99%。通过实验数据和计算结果比对,进一步验证了本文建立的叶尖径向间隙计算程序的精度和计算可靠性最后论文还概要性地研究了间隙主动控制技术对民用航空发动机污染物排放的影响。分析结果显示,采用叶尖间隙主动控制系统后,耗油率和SO2排放量下降2.10%,NOX的排放量下降1.33%、HC的排放量下降7.37%、CO的排放量下降6.48%。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】南京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】毛军逵

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