空气涡轮起动机优化设计和匹配特性_陈靖华.pdf
《空气涡轮起动机优化设计和匹配特性_陈靖华.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《空气涡轮起动机优化设计和匹配特性_陈靖华.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 55 卷第 2 期2023 年 4 月Vol.55 No.2Apr.2023南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics空气涡轮起动机优化设计和匹配特性陈靖华1,2,徐伟祖3,李传鹏4(1.航空机电系统综合航空科技重点实验室,南京 211106;2.中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心,南京 211106;3.南京普国科技有限公司,南京 210000;4.南京航空航天大学能源与动力学院,南京 210016)摘要:为改善某型空气涡轮起动机的性能,并使其与辅助动力装置的引气特
2、性匹配,采用数值仿真和试验相结合的方法,开展了某型空气涡轮起动机气动性能和流场细节的研究,并完成了导向器和涡轮级叶型优化设计,改型后涡轮流量增大了 23.2%,效率提升了 3.4%,功率增加了 18.0%。数值仿真和试验结果的对比表明,流量整体差别较小,波动范围在3%以内,均值为 0.17%;功率差别最大为 2.38%,最小为 0.1%,符合性较好。数值仿真结果表明,空气涡轮起动机改型后与辅助动力装置的引气特性线存在共同工作点,实现了两者的匹配工作,改善了辅助动力装置的工作状况。关键词:空气涡轮起动机;数值仿真;试验;匹配性能中图分类号:V225;V228 文献标志码:A 文章编号:10052
3、615(2023)02022607Optimization Design and Matching Performance of Air Turbine StarterCHEN Jinghua1,2,XU Weizu3,LI Chuanpeng4(1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration,Nanjing 211106,China;2.Nanjing Engineering Institute of Aircraft System,Jinchen
4、g Corporation,AVIC,Nanjing 211106,China;3.Nanjing Puguo Technology Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China;4.College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract:In order to improve the performance of an air turbine starter and match it with the
5、bleed characteristics of the auxiliary power unit,the aerodynamic performance and flow field details of the air turbine starter are studied by means of numerical simulation and experiment,and the optimal design of the guide and turbine stage blade is completed.After the modification,the mass flow,th
6、e efficiency and the power increase by 23.2%,3.4%and 18.0%,respectively.The comparison between numerical simulation and test results shows that the overall difference of flow is small,the fluctuation range is within 3%,and the mean value is equal to 0.17%.The maximum power difference is equal to 2.3
7、8%and the minimum is equal to 0.1%.The numerical simulation results show that there are common working points between the modified air turbine starter and the bleed characteristic line of the auxiliary power unit,and the working performance of the auxiliary power unit has been significantly improved
8、.Key words:air turbine starter;numerical simulation;experiment;matching performance航空燃气涡轮发动机起动能力主要取决于空气起动系统的性能匹配和空气涡轮起动机(Air turbine starter,ATS)输出功率两个方面。在空气起动系统中,机载的辅助动力装置(APU)向 ATS提供高温高压气源,驱动 ATS 涡轮带动发动机的高压转子到预定转速,因此 ATS输出功率越高,航空发动机起动越迅速,起动能力越强。空气起动系统设计时需要考虑 APU 与 ATS 的性能匹配,当DOI:10.16356/j.1005261
9、5.2023.02.007收稿日期:20221012;修订日期:20221112通信作者:陈靖华,女,高级工程师,E-mail:。引用格式:陈靖华,徐伟祖,李传鹏.空气涡轮起动机优化设计和匹配特性 J.南京航空航天大学学报,2023,55(2):226232.CHEN Jinghua,XU Weizu,LI Chuanpeng.Optimization design and matching performance of air turbine starter J.Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2023,55
10、(2):226232.第 2 期陈靖华,等:空气涡轮起动机优化设计和匹配特性APU 引气流量过多时,会导致部分引气能量得不到有效利用被迫从防喘阀放出,造成 APU 工作点偏离设计工况,通常位于特性线堵塞边界。当APU 引气流量过少时,ATS 导向器增速能力未得到充分利用,导向器出口气流对涡轮冲击能力降低引起 ATS输出功率下降。因此空气涡轮起动机的性能优化设计需要综合考虑起动功率、效率以及与APU 引气的匹配性这几个方面。目前国外空气涡轮起动机的性能优化多采用数值仿真手段,在学术和工程上均获得了较大的收益。韩国浦项科技大学 Park等1采用 CFX 软件对空气起动涡轮进行了数值仿真研究,试验和
11、仿真趋势一致,研究表明叶根附近的附面层分离是造成空气起动涡轮效率偏低的主要原因。俄罗斯萨马拉国立研究大学 Grigorii等2采用 NUMECA 软件开展了空气起动涡轮研究,数值仿真和试验结果相比,功率误差低于 2.5%,空气流量误差低于 2%,导向器叶片形状优化使得航空发动机起动时间降低 18.5%。GE 印度分公司 Sadham 等3采用 CFX软件,优化弯曲管道、出口管道、螺栓和过渡件的几何形状,效率和功率分别提高了 1.62%和 0.515%。国内关于空气起动系统的性能匹配研究多数采用零维或者一维计算方法416,缺乏计算流体力学(CFD)数值仿真在空气起动系统的性能匹配研究以及设计分析
12、中的应用。刘伟等5基于 APU、引气管路、调压装置、ATS 特性计算模型,实现了一种能够快速获取空气起动系统匹配特性的计算方法。王新月等6采用考虑摩擦和传热联合作用的方法建立了 ATS 引气管路损失模型,分析了空气压缩性和传热对流动损失的影响。曾涛7提出了起动机进口参数检查方法,以便于开展各子系统间的接口设计。某型 ATS通过导向器优化措施提高了输出功率,提高了航空发动机高原起动成功率,基本满足部队作战需要8。该型 ATS 使用地面气源、其他发动机引气或 APU 引气。在高原起动试验过程中,当 ATS 与 APU 联试时发现 APU 防喘阀常开,引气能量未得到充分利用。因此 ATS可以进一步改
13、型,增加引气流量,提高与 APU 的匹配性和输出功率,扩大该型 ATS的应用范围。本文对 ATS 涡轮级进行整体改进优化设计,通过试验对比验证数值仿真的准确性,通过三维CFD 数值仿真方法分析 ATS 与 APU 在不同高度的气动匹配性能,发展了一种 CFD 数值仿真和试验相结合提高空气起动系统性能匹配的改进、改型研发思路,为后续提高 ATS 自主研发能力奠定基础。1 研究对象和方法1.1研究对象本文研究对象如图 1 所示,ATS 主要包括进气管路、控制阀、导向器和涡轮转子。气动流路分 5 个部分,包括进气管路、控制阀扩张段、导向器、涡轮转子和排气段。进气管路存在直角拐弯,对下游部件流场的均匀
14、性会产生较大的影响。阀门工作时处于完全打开的状态,进气流路的最小截面在阀门处。阀门扩张段周向均匀分布 5个支板,起到支撑阀门的作用。涡轮级后的排气段存在排气支架,排气支架将气流分成轴向和径向两个排气方向。1.2网格划分根据空气涡轮起动机流路特点,建模时划分了5 个计算域,分别为进气管路、扩张段、导向器、转子和排气段。扩张段采用了全周计算域。导向器和转子都采用了单通道计算域。起动机排气框架全周有 4个连接结构,为满足周期性,取了周向 90范围作为计算域,如图 2 所示。图 3 为起动机整体网格,图 4 为涡轮级网格。扩张段、导向器和转子采用 TURBGRID 软件进行网格划分,进气管路和排气段采
15、用 ICEMCFD 软件进行网格划分,采用结构化网格,网格量等于 205万个。图 1 空气涡轮起动机组成图Fig.1 Composition diagram of air turbine starter图 2 空气涡轮起动机数值仿真计算域图Fig.2 Three dimensional model of air turbine starter227第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报网格在固壁的壁面附近区域进行了加密处理,附面层区域网格节点为 1012 个,加密因子在1.21.3之间,靠近壁面第一层网格尺度在 0.0050.01 mm 之间,靠近壁面 Y+值大部分在 15之间,满
16、足湍流模型需求。经过网格无关性验证,网格尺度增加 100%,流量计算结果变化率不大于 1.8%。1.3计算方法采用 CFX 商业软件进行数值模拟。计算控制方程组为三维、定常、雷诺平均 NS方程组,离散化方法采用基于有限元的有限体积法,用高精度格式离散对流项,采用多重网格和变时间步长方法加速收敛。湍流模型选用带自动壁面函数的 SST 模型。扩压段、导向器、转子和排气计算域对接采用速度周向平均的交接面。工质为理想气体,进口总温小于 200,气体经过空气涡轮起动机,温度变化幅度不大,比热容变化较小,因此采用定比热容计算。2 涡轮级优化设计2.1优化方案空气起动系统的性能匹配和 ATS输出功率主要由涡
17、轮级气动性能决定,因此对起动机涡轮级进行改型优化。改型优化的目标是充分利用 APU 被防喘阀放出的引气能量,提高 ATS与 APU 的流量匹配,基本思路是通过增加 ATS 喉道面积提高引气流量,增大 ATS输出功率。改型叶型相比原型差别较大,图 5对比了改进前后中径叶型,可以看出改型后导向器中径叶型的安装角、几何出口角大于原型叶型,喉道面积增大了 27.8%,使得涡轮流量显著增加。改型后涡轮转子中径叶型的安装角、几何出口角、相对出口气流角均小于原型。对比分析了改进后叶根、叶中和叶尖等 3个不同叶高截面的叶型,发现气动参数沿叶高变化较大,如图 6所示。改型后,最大厚度整体上减小,根据强度分析可知
18、,最大厚度沿叶高减小使叶片具有更好的强度性能。2.2设计点对比表 1为原型和改型的设计点性能对比,原型涡轮转速等于 28 120 r/min时,涡轮功率和整机气动效率达到最大,涡轮功率最大为 113.24 kW,整机气动效率最大为 0.692。改型在转速 30 000 r/min时涡轮功率和整机气动效率达到最大,起动机涡轮功 率 最 大 为 134.2 kW,整 机 气 动 效 率 最 大 为0.726,此时对应涡轮级效率为 0.866。图 5 改进前后中径叶型对比图Fig.5 Comparison diagram of pitch diameter blade profile before
19、and after improvement图 6 改进后叶型 3个截面叶型图对比Fig.6 Comparison diagram of three different blade profile after improvement表 1 原型和改进设计点性能对比Table 1 Performance comparison between prototype and improved design point参数转速/(rmin-1)进口总压/kPa进口总温/K环境压力/kPaCFD流量/(kgs-1)CFD功率/kWCFD效率原型28 120451288101.31.627113.20.692
20、改型30 000451288101.32.004134.20.726差别1 8800000.37721.00.034图 3 空气涡轮起动机整体网格图Fig.3 Overall grid diagram of air turbine starter图 4 空气涡轮起动机涡轮级网格图Fig.4 Overall grid diagram of air turbine starter228第 2 期陈靖华,等:空气涡轮起动机优化设计和匹配特性2.3流场对比分析针对表 1 设计点工况对比分析了导向器 50%叶高截面叶型吸力面和压力面的静压分布,如图 7所示,改型后叶盆、叶背的静压相差较大,叶片力增加。喉
21、道面积增加,使得马赫数减小,如图 8所示,原型 50%叶高截面的最大马赫数为 1.9,改型后最大马赫数降低为 1.3,波前马赫数降低可以有效减小激波损失。从导向器尾缘截面马赫数分布可以看出,原型主流区最大和最小马赫数分别为 2.2 和1.4,改型主流区最大和最小马赫数分别降低为 1.3和 0.9,如图 9所示。反映在相对总压分布上,改型总压损失较小,性能良好,如图 10所示。原型导向器和涡轮转子都是直叶片,只能保证沿叶高一个截面上的气动参数在设计状态下。改型后叶片叶型安装角沿径向变化,可以更好地适应速度三角形,确保径向不同截面具备良好的流动状态。从图 11可以看出,改型后,有效增加了涡轮转子的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 空气 涡轮 起动机 优化 设计 匹配 特性 陈靖华
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。