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流体网络方法在航空发动机中的应用(二)

2017/8/17    来源:互联网    作者:吴俊宏      
关键字:流体网络方法  Flownex软件  发动机性能  燃烧室换热  二次空气系统  
本文首先介绍了流体网络方法的基本原理以及Flownex热流体系统仿真软件的特点和典型元件库,包括换热元件和旋转元件。然后应用Flownex软件搭建发动机仿真系统,对发动机整机性能、燃烧室换热过程以及二次空气系统进行仿真分析,同时对涡轮盘腔引流孔进行优化。结果表明,Flownex软件在初步设计阶段或者系统集成的过程中具有独特的优势。

    2 应用案例及分析

    Flownex作为通用的一维热流体系统分析软件,在航空发动机数值仿真方面,能够进行发动机整机性能分析、计算燃烧室燃烧火焰温度,换热以及气膜冷却过程、涡轮二次空气系统计算、喷管流动等,下面为Flownex在航空发动机数值仿真中的典型应用。

    2.1 发动机整机性能仿真

    Flownex中可以快速方便的建立包括风扇/压气机,燃烧室,涡轮以及尾喷管的航空发动机系统仿真图,如图4:采用2个压气机元件和2个涡轮元件分别用于模拟风扇、高压压气机、高压涡轮和低压涡轮;利用机械元件将风扇和低压涡轮、高压压气机和高压涡轮连接起来,确保功率平衡;采用燃烧元件模拟燃烧室燃烧过程;采用喷管计算发动机的推力。

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    图4 发动机系统仿真图

    仿真过程中,根据不同的进气状态以及燃油调节规律,可以快速计算得到发动机的整机性能,包括转子转速,发动机进口流量、压气机增总压比,压气机喘振裕度,涡轮前温度,发动机推力等重要参数,图5为显示了风扇的运行状态点。另外,Flownex还能实现对单个或多个参数的设计和优化计算。

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    图5 风扇运行状态点

    2.2 燃烧室流动和换热过程仿真

    现代航空发动机主机内温度达到1600?1700°C,火焰筒壁面材料的熔点通常低于燃烧火焰温度,火焰筒壁面需要冷却气流确保壁面温度在允许的范围之内。运用Flownex能够快速建立燃烧室完整的换热过程,如图6:进入燃烧室的空气分成两股:一股从火焰筒头部进入后与燃油混合,进行燃烧;另一股气流经火焰筒外围流过,从火焰筒中部或后部大孔进入,与燃气掺混,冷却火焰筒壁面,降低进入涡轮的燃气温度。

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    图6 T56发动机燃烧室仿真图

    仿真过程中,根据火焰筒每段的具体参数,给定相应的换热面积,搭建燃烧室内的流动和换热网络:添加燃烧模型计算燃烧室燃气的温度;添加对流换热元件计算火焰筒外壁面和冷空气的换热过程;分别用轴向导热元件和径向导热元件计算薄壁火焰筒的导热过程;用气膜冷却元件模拟冷却孔形成的气膜冷却换热过程;采用辐射换热元件模拟燃气和火焰筒之间的辐射换热过程。搭建完计算网络后,Flownex可以在很短的时间内计算完成(通常几秒钟便可完成),本算例选取两种不同面积的冷却孔,进一步考察了冷却孔的冷却效果,图7为不同冷却孔面积火焰筒壁面的温度分布。计算结果可以看到:当冷却孔面积为64mm2时,火焰筒内壁面温度最大值为943.9K,当冷却孔面积为64mm2时,火焰筒内壁面温度最大值为743.47K。

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    图7 T56发动机火焰筒壁面温度分布

责任编辑:张纯子
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