高温降涡轮高位预旋供气系统设计

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30672

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

高温降涡轮高位预旋供气系统设计

杨显赵¹^,², 刘高文¹^,²(), 郭令颖¹^,², 马佳乐¹^,², 林阿强¹^,²

^1.西北工业大学动力与能源学院，西安 710129
^2.西北工业大学陕西省航空动力系统热科学重点实验室，西安 710072

收稿日期:2024-05-13 修回日期:2024-06-03 接受日期:2024-07-29 出版日期:2024-08-21 发布日期:2024-08-20
通讯作者: 刘高文 E-mail:gwliu@nwpu.edu.cn
基金资助:
航空发动机及燃气轮机基础科学中心项目(P2022-A-II-007-001);中国博士后科学基金(2023M742834);航空科学基金(2024M070053001)

Design of turbine high radius pre-swirl system with high temperature drop

Xianzhao YANG¹^,², Gaowen LIU¹^,²(), Lingying GUO¹^,², Jiale MA¹^,², Aqiang LIN¹^,²

^1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China
^2.Shanxi Key Laboratory of Thermal Science in Aero-engine System，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2024-05-13 Revised:2024-06-03 Accepted:2024-07-29 Online:2024-08-21 Published:2024-08-20
Contact: Gaowen LIU E-mail:gwliu@nwpu.edu.cn
Supported by:
Science Center for Gas Turbine Project(P2022-A-II-007-001);China Postdoctoral Science Foundation(2023M742834);Aviation Science of China(2024M070053001)

摘要/Abstract

摘要：

预旋供气系统性能优劣直接制约先进涡轮动叶冷气供给品质。本文应用功热转换理论开展涡轮高位预旋供气系统的正向设计研究，根据已知的边界条件计算出系统各特征截面的气动参数，确定各元件通流面积及其结构参数，通过一维计算结果构建三维物理模型，经转静子匹配迭代获得高性能预旋系统结构。重点开展高温降涡轮预旋供气系统的特性分析及性能评估。结果表明，在满足涡轮动叶供气流量和供气压力要求的前提下，一维设计计算和数值模拟结果的引气流量、系统温降和温降效率的相对偏差均低于1.5%，并且与对应实验结果的系统温降相对偏差小于1.5%。在设计点预旋喷嘴、接受孔和供气孔的流量系数分别为0.937、0.716和0.744；系统温降和温降效率分别达到61.53 K和80%，系统比功耗为-55.74 kW/（kg·s^-1）。在保证涡轮动叶供气流量和供气压力的条件下，4个巡航工况点的系统温降达到了39.73~62.88 K，比功耗可达到-55.74~-16.48 kW/（kg·s^-1）。

关键词: 航空发动机, 预旋供气系统, 一维设计, 高温降, 低功耗, 性能评估

Abstract:

The performance of the pre-swirl system directly restricts the cooling air quality of the turbine blades in the transition state. In this paper， the forward design of the turbine pre-swirl system is carried out by applying the theory of power-heat conversion. The aerodynamic parameters of each characteristic cross section of the system are calculated according to known boundary conditions， and the flux area of each element and its structural parameters are determined. The three-dimensional physical model is constructed through the results of the one-dimensional calculations， and the structure of high-performance pre-swirl system is obtained through rotor-stator matching iteration. The characterization and performance evaluation of the pre-swirl system with high temperature drop are conducted. The results show that the relative deviations of the bleed air mass flow rate， system temperature drop and temperature drop efficiency of the one-dimensional design calculations and numerical simulation results are less than 1.5%， and the relative deviations of the system temperature drop from the corresponding experimental results are less than 1.5%， provided that the turbine blades supply air mass flow rate and supply air pressure requirements are met. The discharge coefficients of the pre-swirl nozzle， receiver hole and supply hole at the design point are 0.937， 0.716 and 0.744， respectively. The system temperature drop and temperature drop efficiency reach 61.53 K and 80%， respectively， and the specific power consumption of the system is -55.74 kW/（kg·s^-1）. Under the condition of ensuring the turbine blades supply air mass flow rate and the supply air pressure， the system temperature drop at the four cruise operating points reaches 39.73–62.88 K， and the specific power consumption reaches -55.74–-16.48 kW/（kg·s^-1）.

Key words: aero-engine, pre-swirl air supply system, one-dimensional design, high temperature-drop, low power consumption, performance evaluation

中图分类号:

V231

杨显赵, 刘高文, 郭令颖, 马佳乐, 林阿强. 高温降涡轮高位预旋供气系统设计[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130672.

Xianzhao YANG, Gaowen LIU, Lingying GUO, Jiale MA, Aqiang LIN. Design of turbine high radius pre-swirl system with high temperature drop[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(2): 130672.

图/表 21

图 1

图 2

表 1

预旋供气系统设计需求参数

参数类型	需求参数及符号
压力	系统进口总压p $0 *$ 、系统出口静压p₄
温度	系统进口总温T $0 *$
流量	引气流量m_in、供气流量m_out
转速	转速 $ω$
供气半径	供气半径r₃

表 1

表 2

预旋供气系统设计待求参数

参数类型	需求参数及符号
压力	接受孔出口静压p₃、喷嘴出口静压p₁
相对总温	供气孔出口T $r e l, 4 $ 、接受孔出口T $r e l, 3 $ 、喷嘴出口T $r e l, 1 *$
静温	接受孔出口T₃、喷嘴出口T₁
气流速度	喷嘴出口周向速度V_φ，1、接受孔出口周向速度V_φ，3、接受孔入口周向速度V_φ，2、喷嘴出口轴向速度V_a，1

表 2

图 3

表 3

表 4

图 4

表 5

CFD计算结果和一维计算结果对比

对比结果	引气流量/（kg·s^-1）	系统温降/K	$η t$
一维计算结果	1.353	61.53	0.790
CFD计算结果	1.351	60.86	0.781
相对偏差/%	0.15	1.09	1.10

表 5

图 5

表 6

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

参考文献 31

1	MEIERHOFER B， FRANKLIN C J. An investigation of a preswirled cooling airflow to a turbine disc by measuring the air temperature in the rotating channels［R］. New York： ASME， 1981.
2	EL-OUN Z B， OWEN J M. Preswirl blade-cooling effectiveness in an adiabatic rotor-stator system［J］. Journal of Turbomachinery， 1989， 111（4）： 522-529.
3	FARZANEH-GORD M， WILSON M， OWEN J M. Numerical and theoretical study of flow and heat transfer in a pre-swirl rotor-stator system［R］.New York： ASME， 2005.
4	KARABAY H， WILSON M， OWEN J M. Predictions of effect of swirl on flow and heat transfer in a rotating cavity［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow， 2001， 22（2）： 143-155.
5	MA J L， LIU G W， LI J Z， et al. Evaluation of low power consumption and temperature drop potential in an aero-engine pre-swirl system for turbine performance improvement［J］. Applied Energy， 2024， 359： 122601.
6	吴衡，冯青，刘高文，等. 熵分析法在盖板式预旋系统分析中的应用［J］. 推进技术， 2016， 37（11）： 2048-2054.
	WU H， FENG Q， LIU G W， et al. Entropy analysis of a cover-plate pre-swirl system［J］. Journal of Propulsion Technology， 2016， 37（11）： 2048-2054 （in Chinese）.
7	林阿强，赵义祯，王俊凇，等. 燃气涡轮发动机预旋系统温降和功耗的作用机制与理论分析［J］. 中国电机工程学报， 2022， 42（11）： 4090-4101.
	LIN A Q， ZHAO Y Z， WANG J S， et al. Mechanism and theoretical analysis of temperature drop and power consumption in a pre-swirl system of gas turbine engine［J］. Proceedings of the CSEE， 2022， 42（11）： 4090-4101 （in Chinese）.
8	林阿强，刘高文，吴衡，等. 燃气涡轮发动机预旋系统压比和熵增的作用机制与理论分析［J］. 航空学报， 2022， 43（01）： 125907.
	LIN A Q， LIU G W， WU H， et al. Mechanism and theoretical analysis of pressure ratio and entropy increase in a pre-swirl system of gas turbine engine［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（1）： 125907 （in Chinese）.
9	唐国庆，薛伟鹏，曾军，等. 低损失融合式预旋喷嘴设计与研究［J］. 推进技术， 2020， 41（9）： 2011-2020.
	TANG G Q， XUE W P， ZENG J， et al. Design and study of low loss integrated pre-swirl nozzle［J］. Journal of Propulsion Technology， 2020， 41（9）： 2011-2020 （in Chinese）.
10	孔晓治，刘高文，刘育心，等. 叶片式预旋喷嘴出口流场实验研究［J］. 推进技术， 2019， 40（10）： 2279-2287.
	KONG X Z， LIU G W， LIU Y X， et al. Test of outlet flow field for cascade vane nozzle［J］. Journal of Propulsion Technology， 2019， 40（10）： 2279-2287 （in Chinese）.
11	刘育心，刘高文，吴衡，等. 叶型孔式预旋喷嘴流动特性数值研究［J］. 推进技术， 2016， 37（2）： 332-338.
	LIU Y X， LIU G W， WU H， et al. Numerical investigation on flow characteristics of a vane shaped hole preswirl nozzle［J］. Journal of Propulsion Technology， 2016， 37（2）： 332-338 （in Chinese）.
12	刘育心，刘高文，孔晓治，等. 叶型预旋喷嘴流动及温降特性实验与计算研究［J］. 推进技术， 2019， 40（4）： 815-824.
	LIU Y X， LIU G W， KONG X Z， et al. Experimental testing and numerical analysis on flow characteristics and cooling performance for two vane pre-swirl nozzles［J］. Journal of Propulsion Technology， 2019， 40（4）： 815-824 （in Chinese）.
13	郑笑天，王锁芳，韦光礼. 接受孔形状对预旋供气系统内气流流动影响研究［J］. 推进技术， 2020， 41（10）： 2222-2227.
	ZHENG X T， WANG S F， WEI G L. Effects of receiver hole shape on air flow in pre-swirl air supply system［J］. Journal of Propulsion Technology， 2020， 41（10）： 2222-2227 （in Chinese）.
14	龚文彬，刘高文，王斐，等. 叶型接受孔对高位预旋供气系统流动温降影响的实验研究［J］. 西安交通大学学报， 2021， 55（7）： 97-105.
	GONG W B， LIU G W， WANG F， et al. Experimental study on the influence of vane-shaped receiver holes on flow and temperature drop of a high-radius pre-swirl air supply system［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2021， 55（7）： 97-105 （in Chinese）.
15	张越，刘高文，李鹏飞，等. 内封严流对预旋供气系统性能影响的实验研究［J］. 航空学报， 2024， 45（20）： 284-295.
	ZHANG Y， LIU G W， LI P F， et al. Experimental study of inner seal flow effect on pre-swirl air supply system performance［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（20）： 284-295 （in Chinese）.
16	刘育心，刘高文，徐权，等. 无量纲叶高对叶型喷嘴流动特性的影响［J］. 推进技术， 2015， 36（3）： 392-398.
	LIU Y X， LIU G W， XU Q， et al. Effects of non-dimensional blade height on flow characteristics of cascade vane preswirl nozzle［J］. Journal of Propulsion Technology， 2015， 36（3）： 392-398 （in Chinese）.
17	LIU Y X， YUE B Z， KONG X Z， et al. Design and performance analysis of a vane shaped rotating receiver hole in high radius pre-swirl systems for gas turbine cooling［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 115： 106807.
18	马佳乐，庞亮玮，隋宏人，等. 涡轮预旋供气系统跑道型接受孔对性能影响的实验评估［J］. 中国电机工程学报， 2023， 43（7）： 2761-2770， 24.
	MA J L， PANG L W， SUI H R， et al. Influence of the runway-shaped receiver holes on the performance experimental evaluation of the turbine pre-swirl air supply system［J］. Proceedings of the CSEE， 2023， 43（7）： 2761-2770， 24 （in Chinese）.
19	白杨，赵义祯，张林，等. 叶型接受孔耦合叶轮结构优化对涡轮预旋供气系统性能改进研究［J］. 中国电机工程学报， 2023， 43（15）： 5943-5954.
	BAI Y， ZHAO Y Z， ZHANG L， et al. Structural optimization of blade-shaped receiver hole coupled with impeller on turbine pre-swirl system for performance improvement［J］. Proceedings of the CSEE， 2023， 43（15）： 5943-5954 （in Chinese）.
20	SNOWSILL G D， YOUNG C. The application of CFD to underpin the design of gas turbine pre-swirl systems［R］. New York： ASME， 2006.
21	LEWIS P， WILSON M， LOCK G， et al. Effect of radial location of nozzles on performance of pre-swirl systems［R］. New York： ASME， 2008.
22	刘育心. 叶型预旋供气系统设计及其流动与温降特性研究［D］. 西安：西北工业大学， 2019.
	LIU Y X. Design of blade pre-swirl gas supply system and study on its flow and temperature drop characteristics［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2019 （in Chinese）.
23	李金泽. 高位过预旋供气系统叶型接受孔设计计算研究［D］. 西安：西北工业大学， 2021.
	LI J Z. Design and calculation investigation on the vane-shaped receiver hole in a high-radius over-pre-swirl system［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2021 （in Chinese）.
24	JAVIYA U， CHEW J， HILLS N， et al. CFD analysis of flow and heat transfer in a direct transfer pre-swirl system［R］. New York： ASME， 2010.
25	何振威. 带盖板的预旋供气系统的流动和温降实验研究［D］. 西安：西北工业大学， 2011.
	HE Z W. Experiment investigations of flow and temperature drop in a pre-swirl system with a “cover-plate”［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2019 （in Chinese）.
26	LIN A Q， LIU G W， WANG X X， et al. Comprehensive evaluations on performance and energy consumption of pre-swirl rotor-stator system in gas turbine engines［J］. Energy Conversion and Management， 2021， 244： 114440.
27	陈帆，王锁芳，张光宇，等. 接受孔角度对预旋系统流动特性影响的数值研究［J］. 推进技术， 2018， 39（7）： 1549-1555.
	CHEN F， WANG S F， ZHANG G Y， et al. Numerical study on effects of receiver holes angles on flow characteristics of pre-swirl system［J］. Journal of Propulsion Technology， 2018， 39（7）： 1549-1555 （in Chinese）.
28	JAVIYA U， CHEW J， HILLS N， et al. Evaluation of CFD and coupled fluid-solid modelling for a direct transfer pre-swirl system［R］. New York： ASME， 2012.
29	JIAN M H， YANG X S， DONG W. Numerical investigation on the flow characteristics in a cover-plate pre-swirl system［R］. New York： ASME， 2021.
30	LEE H， LEE J， KIM S， et al. Pre-swirl system design including inlet duct shape by using CFD analysis［R］. New York： ASME， 2018.
31	KOCK F， HERWIG H. Entropy production calculation for turbulent shear flows and their implementation in cfd codes［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow， 2005， 26（4）： 672-680.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	工况点1（Ma=0.8）	工况点2（Ma=2.35）	工况点3（Ma=3.6）	工况点4（Ma=4.0）
供气半径/mm	110
涡轮动叶数目N	60
进口总压/kPa	807	1 383	633	527
进口总温/K	518.1	897	1 006.85	1 045.16
出口静压/kPa	560	970	452	377
转速/（r·min^-1）	19 812	25 634	25 073	22 750
旋转马赫数	0.503	0.502	0.465	0.415
供气流量/（kg·s^-1）	0.973 0	1.291 6	0.578 6	0.489 8
引气流量/（kg·s^-1）	1.018 47	1.353 30	0.603 00	0.509 30

结构	参数	数值
预旋喷嘴	喉部总面积A_N₁/mm²	829.93
	前缘半径r₁/mm	1.46
	固体域宽s₁/mm	8.42
	尾缘半径r₂/mm	0.15
	喷嘴叶高h₁/mm	7.31
	喷嘴栅距t₁/mm	14.62
	轴向弦长L₁/mm	11.11
接受孔	出口总面积A_R₁/mm²	3 192.84
	进口结构角β₁_k /（°）	50.56
	前缘半径r_A/mm	0.4
	出口结构角β₂_k /（°）	90
	轴向长度L/mm	10
	安装角β_y /（°）	48
	固体域周向长度L_φ，1/mm	4.61
供气孔	总面积A_S1/mm²	3 192.84
	周向角β₃_k /（°）	90
	叶高h₂/mm	7.70
	固体域周向长度L_φ，2/mm	4.61

文献	预旋系统	结构对比
本文		采用叶孔式喷嘴，动叶前缘式叶形接受孔，去除盖板腔
［27］		采用斜孔式喷嘴，斜孔形接受孔；喷嘴、接受孔和供气孔数目均为24个
［28］		采用斜孔式喷嘴，直孔形接受孔；喷嘴、接受孔和供气孔数目分别为23、36和36
［29］		采用斜孔式喷嘴，直孔形接受孔和环缝供气孔；喷嘴和接受孔数目均为36个
［30］		采用叶片式喷嘴和直孔形接受孔；喷嘴、接受孔和供气孔数目均为60个

[1]	张新睿, 熊智, 华冰, 康骏, 何辉宇. 基于惯性/天文深度融合的跨域飞行器异构多源组合导航方法[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730614-730614.
[2]	尹泽勇, 李概奇, 石建成, 银越千. 先进通用核心机派生发展的理念、方法及实践[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 29713-029713.
[3]	黄维娜, 黎方娟, 祁宏斌. 航空发动机数字工程初步研究与发展思考[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529693-529693.
[4]	齐国宁, 吴宝海, 符江锋. 高速高压燃油齿轮泵典型卸荷槽对比分析[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529666-529666.
[5]	陈立芳, 孙亚冰, 周书华, 高强, 乔保栋, 李栋. 基于真实数据反演的风扇转子本机平衡方法[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 628321-628321.
[6]	马瑞贤, 王鑫, 王开明, 李斌, 廖明夫, 王四季. 航空发动机篦齿⁃橡胶涂层机匣碰摩实验[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 628350-628350.
[7]	胡明辉, 高金吉, 江志农, 王维民, 邹利民, 周涛, 凡云峰, 王越, 冯家欣, 李晨阳. 航空发动机振动监测与故障诊断技术研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 630194-630194.
[8]	肖袁, 冯坤, 胡明辉, 江志农. 航空发动机转子非稳态振动分量提取方法[J]. 航空学报, 2024, 45(3): 228158-228158.
[9]	洪志亮, 李煜, 何文博, 丁水汀. 热载荷下螺栓预紧力对非连续转子界面滑移特性影响[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 230402-230402.
[10]	潘慕绚, 陆思蓉, 程珂, 李小涛. 航空发动机约束控制综述[J]. 航空学报, 2024, 45(23): 30533-030533.
[11]	王者, 王志平, 丁坤英, 张涛, 王远航. 某型航空发动机涡轮导向叶片热障涂层可靠性分析[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 430141-430141.
[12]	梅英杰, 王大伟, 孙传智, 袁腊梅, 王晓明, 刘永猛. 基于增强现实的航空发动机机匣数字孪生测调系统[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 629462-629462.
[13]	王泽生, 王辉, 张鹏飞, 杜立峰, 包宏强, 林东. 数字孪生驱动的航空发动机转子精密堆叠装配[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 629759-629759.
[14]	马明瑞, 陈福振, 严红, 刘凡. 基于多分辨率SPH-FEM耦合方法的鸟撞问题数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 230116-230116.
[15]	符江锋, 仲世杰, 刘显为, 魏鹏飞, 黄瀚霆. 耦合双层参数更新的改进PCE模型在燃油离心泵不确定性分析中的应用[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 130126-130126.

高温降涡轮高位预旋供气系统设计

Design of turbine high radius pre-swirl system with high temperature drop

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 21

参考文献 31

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价