燃机预旋喷嘴流动特性的数值研究

为了降低燃机透平叶片的温度,进一步提高透平叶片的使用寿命和燃机的功率,对燃机预旋喷嘴的流动特性进行了数值研究,研究了预旋喷嘴的长径比对喷嘴流量系数、出气角度和流场均匀性的影响。通过研究发现随着预旋喷嘴长径比的增加,预旋喷嘴的出气角度先减小后增加,最后趋近于预旋角度;出气角度的均匀性和出气速度的均匀性都有很大的提高;预旋喷嘴流量系数随着长径比的增加先减小后增加。     

涡轮冷却空气增压装置的数值研究

为研究预旋喷嘴与旋转涡轮盘之间的匹配关系,对涡轮冷却空气增压装置进行研究,分析了冷气预旋对冷却性能的影响。得出以下结论:采用预旋喷嘴后,能够有效降低冷气的出口静温,改善冷气的冷却能力;随着冷气预旋角度的增大,预旋域的冷气出口温度不断降低,预旋角度超出65°后,冷气温度略微升高,但仍低于未预旋方案的冷气出口温度;预旋会使得旋转域的流阻损失增大,但能够降低静止域二次流,从而减小静止域流阻损失,减小的静止域流阻损失是降低预旋冷气出口温度的因素之一。     

涡轮盘腔内部流动和换热机理研究

首先分析了旋转雷诺数Reφ、预旋比βp以及湍流参数!T对带有预旋的转静系盘腔内流动及换热特性的影响,重点考察了Reφ、βp和!T对轮盘中心处预旋比β∞、阻力系数ξ的影响,并详细分析了盘腔内部流动结构,发现惯性力和离心力占不同主导地位是诱发不同的流动结构的主要原因;另外得到了旋转壁面局部Nusselt数沿径向的分布规律及影响因素;最后研究了无量纲质量流量cw对无量纲温度θ的影响,发现θ与cw基本满足对数关系。     

燃气轮机轮盘预旋冲击冷却特性研究

为提高冷却空气对涡轮轮盘的冷却效果,以某型燃气轮机低压涡轮为研究对象,提出了一种带有预旋冲击的轮盘冷却结构。当冷却空气流过该结构时,冷却空气的流动方向发生改变,提高了轮盘的换热效果,降低轮盘温度进而提高了轮盘强度储备。使用CFX有限元计算软件,对该冷却结构和轮盘进行了气-热-固耦合计算,结果表明:带有预旋冲击的冷却结构比非预旋冲击的冷却结构具有更高效的冷却效率;轮盘在预旋冲击冷却作用下,轮盘换热表面温度降低显著;当冷却空气进口温度降低60 K时,轮盘换热表面温度降低37 K;冷却空气进口压力增加0.39 MPa时,轮盘换热表面温度降低10 K。     

船用燃气轮机预旋系统增压设计及仿真

为了提高船用燃气轮机进口燃气压力和温度,涡轮冷却空气应当具备更大的压力来满足叶片表面气膜冷却的需求。本文优化现有的预旋系统,通过在供气孔入口布置增压叶轮,减少气流经预旋喷嘴射入盘腔和经盘腔进入供气孔的突扩损失。运用数值计算的方法对预旋系统模型进行研究,所采用的计算模型和冷吹实验与1.0设计工况数据对比具有较好的精度。研究表明：增压预旋系统和常用预旋系统具有相似的流场结构,但预旋腔内形成的涡更小,有效抑制了气流在腔内的总压损失;在增压叶轮和结构改进的作用下,冷气相对总压提高2.90%,绝对总压提高4.59%,同时增压所产生的温升变化较小,提高了冷却空气的冷却能力。     

船用燃气轮机低压盘腔系统流动特性研究

为了充分理解与掌握实际工程中盘腔多腔室流动特性,以实际船用燃气轮机低压盘腔系统为研究对象,基于ANSYS CFX软件,采用SST k-ω湍流模型开展数值模拟,对比分析了船用燃气轮机低压盘腔系统在不同工况下的流动特性。研究表明：在各支路流量分配中,随着雷诺数增加,接受孔流量先波动后持续增大,平衡孔流量逐渐减小;在气体预旋比分布中,对于腔体C3,C4,C5,随着雷诺数增加,气体预旋比逐渐减小;对于涡系结构,C4和C5盘腔涡系结构基本保持稳定;预旋喷嘴出口和接受孔进口之间的总压差随着雷诺数增加呈现指数增长趋势,总温差随着雷诺数增加先增大后减小。     

预旋对迷宫密封内流动传热特性影响的研究

采用三维周期性模型对发散型光滑面迷宫密封内传热及流动特性进行了研究,得出了两种流量下有无进口预旋时密封的间隙热系数随周向马赫数的变化关系,并与实验值、经验公式、二维轴对称模型得到的结果进行了比较,结果表明:该模型能较好地模拟有进口预旋时迷宫密封内的传热特性.在相同的流量和进口预旋比条件下,间隙热系数随转速的增加而增大;在相同流量和转速下,施加进口预旋能明显降低密封内总温升、减小间隙热系数,但不会影响子午面上的速度场;在相同转速和预旋比条件下,随着流量的增大,间隙热系数减小,子午面上速度增大,但流场结构不会发生变化.     

喷水预冷特性对蒸发冷却性能影响的数值模拟

为改善间接空冷塔在夏季高温环境下的冷却性能,提高火电厂整体效率,基于计算流体力学建立了空冷单元喷水预冷系统的数学模型,分析了喷水预冷特性对空冷塔某一扇区的影响,分别计算了环境特性和喷嘴特征等因素对冷却效率、有效冷却区域的温降和面积的影响。结果表明：随着流动距离的增加,冷却效率逐渐提高;环境风速和空气相对湿度降低以及风温、张角、喷嘴质量流量和喷嘴间距增大均会使冷却效率提高;液滴随空气流动逐渐蒸发,有效冷却区域的面积沿流动方向逐渐增大;有效温降沿着流动方向先因液滴的蒸发而增加,而后因冷却空气与周围空气的传热传质而减小。     

间冷循环燃气轮机低压工作线及影响因素分析

为详细掌握间冷循环燃气轮机的工作特性及实际运行过程中低压工作线的变动,考虑空气系统引 气、压气机出口漏气对流量连续的影响,引人压气机与涡轮及相邻涡轮间的流量比例系数,理论推导间冷循 环燃气轮机低压工作线方程,得到影响低压工作线的典型因素。开展间冷循环燃气轮机低压工作线在典型 影响因素下的变动机理分析,不同于高压工作线变动分析采用等换算转速条件,低压工作线变动分析采用等 高压转子增压比条件更为合理。依据间冷循环燃气轮机长期运行后典型影响因素的变化,获得间冷循环燃 气轮机低压工作线的具体变动结果,即高压压气机效率降低、高压涡轮效率降低、高压涡轮导向器面积增加、 间冷器性能衰减及二次水温度升高等会导致低压工作线升高,低压压气机效率降低、低压涡轮效率降低、低 压涡轮导向器面积增加、低压出口漏气量增加及大气温度增加等会导致低压工作线降低。     

蒸汽和空气预旋进气共转盘腔壁面换热研究

为了研究不同冷却介质对燃气轮机预旋共转盘腔换热特性的影响,采用数值计算方法分析了空气和蒸汽2种介质下预旋系统共转盘腔表面的换热过程,对比了2种冷却介质在不同旋转雷诺数、无量纲质量流量和进口总温条件下的换热效果。结果表明:相同无量纲质量流量下预旋进气的转盘冷却效果优于无预旋;不同无量纲质量流量下,蒸汽对共转盘腔表面的换热效果均优于空气;旋转雷诺数在5.5×106~7.2×106内,相同旋转雷诺数下的蒸汽冷却下的转盘平均Nu比空气冷却提高约22%,低旋转雷诺数时2种冷却介质的冷却效果略优于高旋转雷诺数时;不同进口总温下,蒸汽冷却效果仍然优于空气,但随着进口总温的升高其优势逐渐减弱,转盘表面传热平均Nu随预旋进口总温的升高而减小。     

内燃机气道性能的评价方法

详细讨论了内燃机气道流动特性的定义、测量技术和评价方法。分析了Ricardo方法与AVL,FEV方法所定义的涡流比和流量系数间的关系,对叶片风速仪和涡流动量计测量所得涡流比进行了比较,并介绍了评判气道综合性能优劣的方法。     

高强化柴油机涡流比与喷油压力匹配的多维燃烧模拟研究

采用CFD模拟软件FIRE对高强化柴油机缸内工作过程进行了模拟,分析了涡流比和喷油压力对缸内燃烧过程的影响。在此基础上对涡流比和喷油压力进行了综合优化匹配模拟,为小缸径柴油机燃烧系统的设计提供了理论依据。     

不同冷气/燃气温比下高温涡轮叶片旋流冷却流固耦合特性研究

采用流固耦合方法对燃气轮机高温涡轮叶片旋流冷却结构进行数值模拟分析。探究了不同冷气/燃气温度比条件下旋流冷却的流动与传热特性、叶片前缘区域固体温度、热应力以及热应变分布。研究表明：在进气腔入口雷诺数固定的条件下,随着温度比升高,冷气密度降低,冷气流速逐渐提升,同时湍动能升高,靶面努塞尔数逐渐升高;当温度比较低时冷气的流速较低、单位时间冷气带走的热量较少,当温度比较高时冷气温度较高、单位质量冷气所能吸收的热量有限,靶面处热流密度先升高后降低。受靶面热流密度分布影响,随着温度比升高,叶片前缘固体的温度、热应力以及热应变先降低后升高。     

旋流器安装角对低旋流燃烧流场的影响

分别采用粒子速度影像（PIV）技术和数值模拟方法研究低旋流燃烧器出口下游冷态流场,分析旋流器安装角对低旋流流动结构的影响．结果表明：旋流器安装角与流场中产生回流区时的临界旋流数无关,高旋流与低旋流的分界点约为0．47;安装角较大的旋流器下游流场的发散角和低速区较大;随着轴向距离增大,中心轴线上无量纲轴向速度衰减很快,并且两个旋流器的衰减速率基本相当,左右有两个峰值,安装角较大的旋流器两个峰值衰减速率较大并且峰值之间的距离增大幅度较大;径向速度随着中心射流流速的增大而增大,安装角较大旋流器的径向速度较小;旋流器安装角为40°时后方的流场具有较高的湍动能,火焰传播速度更高．     

可变进气道发动机性能试验及分析研究

针对1台单缸电控4气门发动机进行了可变进气的改进设计,使发动机进气道的流量系数、涡流比、滚流比等流动特性,随着不同的运行工况而变化,从而达到优化发动机中低负荷性能的目的。对可变进气发动机进行的台架性能及排放试验结果表明:随着节气门开度从25%上升到75%,发动机功率提高了4.37%~2.56%,扭矩提高了4.21%~2.56%,燃油消耗率降低了4.89%~2.66%。在中低负荷时,可变进气可以优化发动机的动力和经济性能,但随着负荷的增大,改善的幅度减小。同时,可变进气可使HC、CO排放降低4%~9%,而NOx排放有所上升。     

缸内涡流比对冷起动燃烧火焰的影响探究

针对汽油发动机冷起动存在的燃烧不稳定、燃烧效率低的问题,基于单缸可视化发动机在冷起动工况下调节进气涡流,通过分析缸内燃烧火焰特性来探究增强进气涡流对发动机循环波动及输出功率的影响。试验所用发动机为单缸四气门(两进两出)缸内直喷汽油机,其中一个进气道加装有涡流控制阀,通过将一个进气道关闭或者开启来改变缸内涡流的强度。利用高速相机从活塞上的光学通道得到发动机缸内的火焰传播图像,并计算火焰传播面积,提取火焰边界,获取火焰中心速度及火焰扩散速度等信息,同时也利用燃烧分析仪对缸内压力、燃烧放热率等特性进行同步测量和记录,通过多角度的对比和分析揭示缸内燃烧状况与发动机宏观性能的相关联系,有效地发掘了在不同涡流强度下缸内火焰的传播特征。研究结果从缸内燃烧火焰的角度解释了提高涡流比能够很好地提高冷起动的燃烧稳定性,促进发动机缸内燃烧。研究表明,早期火核分布越集中,波动越小,后期循环波动就越小。试验结果还表明,由缸压计算的瞬时放热率与火焰面积存在很好的线性关系。     

基于参数化建模方法的双级旋流器流场研究

首先在软件UG和ANSYS Workbench的基础上提出了参数化建模方法。然后采用该方法研究了某双级旋流器(一级采用倾斜孔,二级为径向旋流器)的四个几何参数对其冷态流场特性的影响,主要结论有:(1)一级旋流数随斜切孔周向倾斜角的增大先增大后减小,随斜切孔直径的增大稍有增大,受二级旋流器的叶片安装角和出口外半径的影响很小;(2)二级旋流数随二级旋流器的叶片安装角和出口外半径的增大而大幅增大,受斜切孔的周向倾斜角和直径的影响可以忽略;(3)总旋流数随斜切孔周向倾斜角的增大先增大后减小,随斜切孔直径的增大而减小,随二级旋流器的叶片安装角和出口外半径的增大而大幅增大;(4)一二级旋流器流量之比受斜切孔周向倾斜角的影响很小,随叶片安装角的增大而大幅增大,仅改变斜切孔直径时流量之比和面积之比成正比,仅改变二级旋流器出口外半径时流量之比随面积之比的增大而增大;(5)相同条件下,双级旋流器旋向相反时小于旋向相同时的总旋流数。对于该旋流器的数值模拟研究过程证明,采用参数化建模方法是一种有效的快速设计手段,可以在较短时间内完成大量的改变几何参数的方案比较过程,快速地实现方案筛选,大大加快研究进度。     

燃气轮机空气系统动-静旋转腔压增及风阻温升的一维计算方法研究

针对燃气轮机动-静旋转盘腔流动特性进行研究,采用压力修正方法求解动量方程,加入基于盘面摩擦系数的角动量守恒方程求解旋流系数,提出了基于当地流动参数C_(qr)=0.1的盘腔流态判断方法,采用考虑摩擦力矩做功的能量守恒方程来模拟温升,从而建立了盘腔流动的一维高精度方法。最后通过与三维CFD计算分析对比了文献[14]、文献[12]两种摩擦系数计算模型对流动及温升模拟的影响。研究表明:采用C_(qr)=0.1盘腔流态判定准则的一维计算结果与CFD结果吻合,流态分界位置基本一致;PAP模型计算的压增与CFD吻合较好,差异在5%,文献[12]在低转速条件下最大差异在20%;文献[14]计算的风阻温升与CFD吻合较好,差异在2%,而文献[12]模型差异在15%左右,故采用文献[14]模型可有效提高盘腔模拟的精度。     

基于数值模拟的螺旋进气道结构优化

以实际产品气道为基础,使用UG软件完成气道的三维实体造型与修改,用三维流体动力学软件AVL-FIRE完成稳流试验台中气道-气缸流动的三维数值模拟计算,并对螺旋进气道结构参数进行优化。结果表明：螺旋进气道的性能是气道结构参数之间交互作用的结果,该气道的流通性能很好。在三维流动分析的基础上提出了一系列的改进措施;对比各种改进措施下的模拟计算结果,发现在不减小流量系数的前提下,通过适当地减小气门凸台厚度和增大涡流室高度相结合的方法来增大涡流室容积可以明显提高产生涡流的能力,是一种有效而又合理的改进办法。     

柴油机进气涡流调节形式及阀板尺寸对进气特性的影响

设计了Z1132柴油机带涡流调节阀的双进气道,并在稳流气道试验台上对该组气道进行了试验。分析了新设计的进气道流量系数和涡流比随调节形式及阀板尺寸的变化规律。试验结果证明,转阀具有导向作用,采用转阀对进气涡流进行调节比用挡板具有更大的调节范围。