幾十年來(lái)，提高燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率的一個(gè)有效方法就是提高燃?xì)鉁u輪前燃?xì)膺M(jìn)口溫度。目前，渦輪進(jìn)口溫度平均每年提高20~30℃的速度增加，地面發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪前燃?xì)膺M(jìn)口溫度可達(dá)到1400~1600℃，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前燃?xì)鉁囟纫迅哌_(dá)2000℃，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了燃?xì)廨啓C(jī)金屬材料所能承受的溫度范圍。研究者主要從兩個(gè)方面克服由此帶來(lái)的困難，一方面是不斷創(chuàng)造耐溫更高的材料，另一方面則采取有效熱防護(hù)措施來(lái)保證這些部件可靠工作。事實(shí)上，渦輪前溫度增加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)耐熱金屬材料的發(fā)展速度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，渦輪前溫度每年平均提高22K，材料耐溫每年平均僅能提高8K，剩下的14K都要由熱端防護(hù)措施來(lái)解決。

 

用于渦輪部件冷卻和保護(hù)、密封以及腔室增壓的燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部二次空氣系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和運(yùn)行安全性具有重要影響。二次空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括冷卻空氣流體動(dòng)力特性的準(zhǔn)確計(jì)算、冷卻空氣流路的合理布置、葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等一系列內(nèi)容。而二次空氣系統(tǒng)的冷卻空氣流量分配和壓力分布的準(zhǔn)確性直接影響到燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的冷卻空氣消耗量和冷卻效果、以及密封與腔室增壓效果，進(jìn)而影響到燃?xì)廨啓C(jī)的效率和運(yùn)行安全性。

 

Flownex能夠快速搭建二次空氣系統(tǒng)，包括漩渦、封嚴(yán)篦齒、環(huán)形間隙、旋轉(zhuǎn)通道、轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子盤(pán)腔、轉(zhuǎn)子-靜子盤(pán)腔等，計(jì)算得到冷卻空氣流量的分配和壓力分布、盤(pán)腔的溫度分布等，進(jìn)而對(duì)燃機(jī)二次空氣系統(tǒng)流路的布置進(jìn)行優(yōu)化。

專(zhuān)業(yè)元件庫(kù)

 

Flownex提供的二次空氣系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)元件庫(kù)包括強(qiáng)制漩渦、自由漩渦、封嚴(yán)篦齒、旋轉(zhuǎn)環(huán)形間隙、旋轉(zhuǎn)通道、旋轉(zhuǎn)孔口、轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子盤(pán)腔、轉(zhuǎn)子-靜子盤(pán)腔等；換熱元件包括導(dǎo)熱(徑向和軸向)、對(duì)流、氣膜冷卻、流體輻射換熱、沖擊對(duì)流換熱以及表面輻射換熱等。利用這些元件可以快速搭建從壓氣機(jī)引氣到冷卻渦輪的二次空氣系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

換熱元件庫(kù)

旋轉(zhuǎn)元件庫(kù)

 

• n  漩渦：強(qiáng)制漩渦用于模擬像剛體一樣旋轉(zhuǎn)的流體域，流體具有相同的角速度ωFlownex能夠計(jì)算能量的傳遞過(guò)程以及與外界能量的交換。自由漩渦用于模擬氣流進(jìn)入一個(gè)漩渦的流動(dòng)，流體過(guò)程中不同半徑位置上環(huán)量守恒。計(jì)算時(shí)需要給定上下游的旋轉(zhuǎn)半徑和速度，上下游氣流的數(shù)量沒(méi)有任何限制。

 

• n  封嚴(yán)篦齒：用于模擬各類(lèi)封嚴(yán)篦齒，可以是液壓的或者可壓縮氣體。Flownex可以模擬軸向布置或者徑向布置的封嚴(yán)篦齒；可以模擬直通型篦齒以及交錯(cuò)型篦齒；流動(dòng)可以是雙向的，同時(shí)可以模擬阻塞問(wèn)題。

 

• n  旋轉(zhuǎn)環(huán)形間隙：該元件用于模擬流體通過(guò)環(huán)形通道的流動(dòng)，環(huán)形通道的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)是旋轉(zhuǎn)的，其中計(jì)算模型應(yīng)滿(mǎn)足通道縫隙/平均半徑<0.1，該模型的典型應(yīng)用為軸承中的間隙流動(dòng)過(guò)程。

 

• 旋轉(zhuǎn)通道：該元件可用于模擬氣流通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的管件的流動(dòng)過(guò)程該元件。主要可以應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)盤(pán)或者渦輪葉片中冷卻通道內(nèi)的流動(dòng)，其中管路可以為任意的截面形狀管路，也可以放置在三維空間中，計(jì)算過(guò)程中考慮了體積力，摩擦力以及換熱過(guò)程。

 

•  旋轉(zhuǎn)孔口：該元件用于模擬連接盤(pán)腔的孔口或者噴嘴，可以設(shè)置進(jìn)口和出口的角度、進(jìn)口和出口的半徑以及渦流比等參數(shù)；可以考慮三種不同的進(jìn)口：矩形進(jìn)口、圓形進(jìn)口或者倒角進(jìn)口；能夠考慮進(jìn)口半徑、倒角、長(zhǎng)度、可壓縮性以及進(jìn)口角度等。

 

• 盤(pán)腔：轉(zhuǎn)子-轉(zhuǎn)子盤(pán)腔元件可用于模擬兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的盤(pán)或者葉片之間形成的盤(pán)腔的氣流流動(dòng)；轉(zhuǎn)子-靜子盤(pán)腔用于模擬一個(gè)旋轉(zhuǎn)的盤(pán)或者葉片與一個(gè)靜止的盤(pán)或葉片之間形成的盤(pán)腔的氣流流動(dòng)，例如渦輪的冷卻氣流。元件計(jì)算得到盤(pán)腔間氣流的壓力分布；核心區(qū)的渦流比通過(guò)進(jìn)出口氣流動(dòng)量平衡方程計(jì)算得到；可以計(jì)算壓力和溫度的變化；并且允許連接任意數(shù)量的氣流。

同時(shí)，F(xiàn)lownex提供的所有換熱元件，包括導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射以及氣膜冷卻等均可以和任意的旋轉(zhuǎn)元件相連接，計(jì)算其換熱過(guò)程。

 

• 導(dǎo)熱：包含徑向?qū)岷洼S向?qū)嵩Ｐ枰o定幾何參數(shù)及材料特性，其中徑向?qū)嵩ǔ：蛯?duì)流換熱或者輻射換熱元件相連接。

 

• 對(duì)流換熱：可用于計(jì)算火焰筒外壁面與冷氣流的對(duì)流換熱過(guò)程，可以指定對(duì)流換熱系數(shù)，也可以根據(jù)流場(chǎng)中的Re和Pr數(shù)計(jì)算得到換熱系數(shù)。

 

• 輻射換熱：包括體輻射與面輻射，可以用于計(jì)算燃燒高溫流體與火焰筒之間、壁面與壁面之間的輻射換熱過(guò)程。

 

• 氣膜冷卻：該元件通常為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室或者渦輪葉片冷卻計(jì)算時(shí)經(jīng)常采用的元件。可以用于計(jì)算火焰筒內(nèi)壁面的氣膜冷卻換熱過(guò)程。

 

應(yīng)用案例

二次空氣系統(tǒng)氣流示意圖

 

采用Flownex快速建立二次空氣系統(tǒng)流動(dòng)計(jì)算圖，各元件的參數(shù)如下：

 

1)      壓氣機(jī)流動(dòng)邊界條件：總壓200PSI，總溫260℃，旋流系數(shù)0.5965；

2)      壓氣機(jī)流動(dòng)邊界條件：總壓210PSI，總溫263℃，旋流系數(shù)0.5965；

3)      徑向封嚴(yán)篦齒：直徑29.8″，齒數(shù)2，齒寬0.5mm，節(jié)距1.6mm，齒頂間隙0.055mm；

4)      軸向封嚴(yán)篦齒：直徑29.7″，齒數(shù)2，齒寬1.5mm，節(jié)距2mm，齒頂間隙0.05mm；

5)      轉(zhuǎn)子—轉(zhuǎn)子盤(pán)腔：內(nèi)徑12″，外徑14″；

6)      轉(zhuǎn)子—靜子子盤(pán)腔：內(nèi)徑2″，外徑14.85″，轉(zhuǎn)子上半徑為9″位置處有11個(gè)頭部直徑為1″的六角螺栓，靜子上半徑為8″位置處有9個(gè)頭部直徑為1″的六角螺栓；

7)      轉(zhuǎn)子—轉(zhuǎn)子盤(pán)腔：內(nèi)徑5.5″，外徑12″，兩個(gè)轉(zhuǎn)子上半徑為9″位置處各有11個(gè)頭部直徑為1″的六角螺栓；

8)      軸向小孔：數(shù)量23，孔直徑0.3″，長(zhǎng)度3.5″，壁面粗糙度5μm；

9)      軸向封嚴(yán)篦齒：直徑4″，齒數(shù)3，齒寬1.5mm，節(jié)距3mm，齒頂間隙0.1mm；

10)   轉(zhuǎn)子—靜子子盤(pán)腔：內(nèi)徑2″，外徑14.5″，轉(zhuǎn)子上半徑為8″位置處有7個(gè)頭部直徑為1″的六角螺栓，靜子上半徑為8″位置處有9個(gè)頭部直徑為1″的六角螺栓；

11)   環(huán)形間隙：內(nèi)徑13.5″，外徑14.5″，長(zhǎng)度13.9″；

12)   轉(zhuǎn)子—靜子子盤(pán)腔：內(nèi)徑13.5″，外徑15.5″，盤(pán)腔的型面根據(jù)示意圖中給定，靜子上半徑為14.1″位置處有9個(gè)頭部直徑為1″的六角螺栓；

13)   旋轉(zhuǎn)孔口：數(shù)量60，小孔直徑0.25″，孔口長(zhǎng)度0.25″，進(jìn)出口半徑17″，與軸向平行，小孔沒(méi)有倒角；

14)   徑向封嚴(yán)篦齒：直徑36.6″，齒數(shù)1，齒寬2mm，節(jié)距4mm，齒頂間隙0.04mm；

15)   強(qiáng)制旋渦：內(nèi)徑17″，外徑20″，在半徑為19.49″和20″位置分別有氣流出口；

16)   轉(zhuǎn)子—靜子子盤(pán)腔：內(nèi)徑18.3″，外徑19.3″；

17)   小孔出流：半徑19.49″，小孔面積0.32inch2；

18)   徑向封嚴(yán)篦齒：直徑38.6″，齒數(shù)1，齒寬2mm，節(jié)距4mm，齒頂間隙0.04mm；

19)   轉(zhuǎn)子—轉(zhuǎn)子盤(pán)腔：內(nèi)徑19.3″，外徑20″；

20)   小孔出流：半徑20″，小孔面積1.62inch2；

21)   流動(dòng)邊界條件：壓力100PSI。

 

當(dāng)轉(zhuǎn)速為5000rpm時(shí)，計(jì)算得到兩級(jí)壓氣機(jī)引氣量分別為0.335kg/s和0.104kg/s，經(jīng)過(guò)盤(pán)腔5徑向內(nèi)流的氣流溫升為7.7℃，經(jīng)過(guò)盤(pán)腔6的氣流溫升為29.7℃，經(jīng)過(guò)盤(pán)腔7的氣流溫升為9.1℃，經(jīng)過(guò)封嚴(yán)篦齒和盤(pán)腔后，篦齒9進(jìn)口位置兩股引氣氣流混合后的壓力為154PSI，溫度上升為286.5℃。轉(zhuǎn)靜盤(pán)腔11后，環(huán)形間隙12進(jìn)口處壓力為92.6PSI，溫度為293.2℃，經(jīng)過(guò)盤(pán)腔徑向外流后氣流的溫升約為6.7℃，環(huán)形間隙軸向流動(dòng)雷諾數(shù)為22000。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)靜盤(pán)腔12后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)孔口13進(jìn)入葉片冷卻通道的冷卻氣流流量為0.352kg/s，通過(guò)間隙14的流量為0.086kg/s，經(jīng)過(guò)盤(pán)腔12的溫升約為18.5℃。氣流經(jīng)過(guò)葉片內(nèi)部空腔后分成兩股氣流流出，流量分別為0.043 kg/s和0.309 kg/s。經(jīng)過(guò)盤(pán)腔16和盤(pán)腔19 的溫升分別為26.2℃和10.8℃。通過(guò)計(jì)算可以得到各位置氣流的密度、粘性、以及焓值等參數(shù)，同時(shí)還可以得到每個(gè)位置的絕對(duì)總壓和總溫以及相對(duì)總壓和總溫；可以得到氣流在每個(gè)元件內(nèi)的角動(dòng)量和能量的傳遞，氣流的旋流系數(shù)等。

價(jià)值

通常情況下，冷卻氣流量需要根據(jù)計(jì)算或者試驗(yàn)確定，現(xiàn)代中小型發(fā)動(dòng)機(jī)帶冷卻葉片的雙級(jí)渦輪及帶后軸承的單級(jí)渦輪，冷卻氣流量約占發(fā)動(dòng)機(jī)總空氣流量的2%~4%。隨著渦輪前溫度的增加，冷卻氣流量也在不斷增加，例如CF6高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪冷卻空氣總量占內(nèi)涵空氣流量的14.49%，顯然，這樣的冷卻空氣消耗量會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。因此，快速準(zhǔn)確計(jì)算冷卻空氣流體動(dòng)力特性、合理布置冷卻空氣流路以及葉片冷卻結(jié)構(gòu)顯得越來(lái)越重要，設(shè)計(jì)優(yōu)化渦輪冷卻葉片內(nèi)部通道以及渦輪pan腔結(jié)構(gòu)是十分必要的。Flownex的價(jià)值體現(xiàn)在能夠使設(shè)計(jì)者快速建立二次空氣系統(tǒng)仿真模型，準(zhǔn)確計(jì)算冷卻空氣流體動(dòng)力特性和溫度特性，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)者節(jié)省大量的時(shí)間，將主要精力集中在研究合理布置冷卻空氣流路以及葉片冷卻結(jié)構(gòu)等核心問(wèn)題中。