涡轴发动机进气温度畸变模拟方法及演化特性研究

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航空发动机的气动稳定性是评估发动机性能的重要指标,温度畸变的产生将使得发动机稳定工作裕度降低,相比于压力畸变,温度畸变的研究相对滞后,而针对涡轴发动机温度畸变及其评定方法的研究则更少。因此,本文针对涡轴发动机的进气温度畸变现象,开展了涡轴发动机温度畸变的特点分析,研究了适用于涡轴发动机的温度畸变模拟方法,设计了带粒子分离器的温度畸变模拟缩比试验装置,初步阐述了温度畸变在粒子分离器内的演化特性。在此基础上,同步开展了涡轴发动机进气温度畸变的三维数值仿真,初步探索了温度畸变在粒子分离器和压气机部件内演化特性,为涡轴发动机的设计及优化提供有益的理论支持和方法基础。本文主要工作内容如下:(1)基于现有公开文献分析,涡轴发动机最高瞬态温升率为479k/s,低功率状态下最大平均温升为41℃,高功率状态下最大平均温升约为10-15℃。丙烷燃烧方式尽管温升率只能达到1000K/s-2000K/s,考虑到涡轴发动机最大温升率要求仅为479K/s,且丙烷燃烧结构和控制系统简单、存储运输简单易控,因此丙烷/天然气燃烧式温度畸变模拟方法相比于氢气燃烧更适合于涡轴发动机。(2)结合涡轴发动机进气温度畸变特点及设计需求,完成了温度畸变模拟器的初步设计及试验研究。其中大尺寸旋流杯温度畸变模拟器可实现最高来流速度Ma 0.23状态下的可靠点火及稳定燃烧,而由于丙烷和空气在缩比尺寸旋流杯燃烧腔内掺混和驻留时间的减小,缩比尺寸旋流杯式模拟器无法实现Ma 0.2状态下的稳定点火。稳定腔式缩比温度畸变模拟器可以实现丙烷和空气在燃烧腔内的充分掺混,可实现Ma 0.2条件下的可靠点火及稳定燃烧。(3)基于温度畸变在粒子分离器内演化特性的试验及数值仿真结果可知,相比于粒子分离器进口截面,其出口截面温度峰值降低,温度周向分布更为均匀;来流温度畸变越剧烈,粒子分离器进出口流动参数差异越明显,其进出口温度畸变差异来自于S型流道结构。(4)压气机进口温度畸变的空间分布不均,将使得流经动叶的热斑向压力面迁移,压力面的热负荷急剧增加,进而加剧了压力面和吸力面上的温度差异,总温周向不均匀现象最为明显;同时,相对于无畸变来流,温度畸变使得动叶压力面和吸力面压力差异变小,削弱了压气机在相同工况下的增压能力,喘振裕度下降。受制于粒子分离器进出口温度畸变的扩散特征,温度畸变经粒子分离器后对压气机特性的影响程度被有效削弱,开展涡轴发动机温度畸变研究需结合粒子分离器特性进行综合评估。
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