内封严流对预旋供气系统性能影响的实验研究

doi:10.7527/S1000-6893.2023.30038

流体力学与飞行力学

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内封严流对预旋供气系统性能影响的实验研究

张越¹^,², 刘高文¹^,²(), 李鹏飞³, 张晓泽⁴, 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
^3.中航工程集成设备有限公司，北京 102206
^4.航空工业金城南京机电液压工程研究中心，南京 211106

收稿日期:2023-12-28 修回日期:2024-01-22 接受日期:2024-02-29 出版日期:2024-10-25 发布日期:2024-03-13
通讯作者: 刘高文 E-mail:gwliu@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52476091);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)

Experimental study of inner seal flow effect on pre-swirl air supply system performances

Yue ZHANG¹^,², Gaowen LIU¹^,²(), Pengfei LI³, Xiaoze ZHANG⁴, Aqiang LIN¹^,²

^1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China
^2.Shaanxi Key Laboratory of Thermal Science in Aero-Engine System，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^3.AVIC Capdi Integration Equipment Co. ，Ltd. ，Beijing 102206，China
^4.AVIC Jincheng Nanjing Engineering Institute of Aircraft System，Nanjing 211106，China

Received:2023-12-28 Revised:2024-01-22 Accepted:2024-02-29 Online:2024-10-25 Published:2024-03-13
Contact: Gaowen LIU E-mail:gwliu@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52476091);Science Center for Gas Turbine Project(P2022-A-II-007-001);China Postdoctoral Science Foundation(2023M742834)

摘要/Abstract

摘要：

预旋供气系统在航空燃气涡轮发动机中承担着为涡轮转子叶片提供冷气的作用。为获得内封严流对预旋供气系统的影响规律，搭建了高压比高转速的预旋供气系统实验平台。通过测量系统各关键截面的压力、温度等参数，分析了内封严进气和出气流量对预旋供气系统的压力、温度分布及系统功耗、温降效率的影响规律，并针对内封严进气对预旋供气系统可能产生的不利影响，提出了一种用于将内封严流引出的旁通结构。结果表明，内封严出气对预旋供气系统影响较小，在实验工况下，系统温降效率最大变化不超过1.9%；内封严进气会对预旋供气系统产生显著负面影响，在压比为1.6的工况下，内封严进气流量增大时温降效率最大降低了20.4%；内封严旁通结构可以有效阻止内封严流在预旋腔内与主流的掺混，并可降低预旋腔内的压力和温度，在压比1.6、内封严占比15%的工况下，气流做功量提高了37.8%，系统温降效率提高了28.2%。

关键词: 航空发动机, 预旋供气系统, 内封严流, 旁通结构, 实验测量

Abstract:

The pre-swirl air supply system plays a crucial role in providing cooling air for the turbine rotor blades in aviation gas turbine engines. To investigate the influence of the inner seal on the pre-swirl air supply system， a high-pressure ratio and high-speed pre-swirl air supply system experimental platform is established. After measurement of parameters such as pressure and temperature at various critical sections of the system， the impact of inner seal inflow and outflow on the pressure and temperature distribution of the pre-swirl air supply system， as well as the system power consumption， temperature drop efficiency， is analyzed. In response to the potential adverse effects of the inner seal inflow on the pre-swirl air supply system， a bypass structure is proposed to divert the inner seal flow. The results indicate that the impact of the inner seal outflow on the pre-swirl air supply system is relatively small， with the maximum variation of the temperature drop efficiency not exceeding 1.9% under experimental conditions. The inner seal inflow， on the other hand， can have a significant negative impact on the pre-swirl air supply system. Under the condition of a pressure ratio of 1.6， the maximum reduction in temperature drop efficiency reached 20.4% with an increase in the inner seal inflow. The inner seal bypass structure can effectively prevent the mixing of the inner seal flow with the mainstream in the pre-swirl cavity， reducing the pressure and temperature in the pre-swirl cavity. Under the condition of a pressure ratio of 1.6 and the inner seal accounting for 15%， the power output of the airflow increased by 37.8%， and the system temperature drop efficiency increased by 28.2%.

Key words: aviation engine, pre-swirl air supply system, inner seal, bypass structure, experimental measurement

中图分类号:

V233

张越, 刘高文, 李鹏飞, 张晓泽, 林阿强. 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): 130038.

Yue ZHANG, Gaowen LIU, Pengfei LI, Xiaoze ZHANG, Aqiang LIN. Experimental study of inner seal flow effect on pre-swirl air supply system performances[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(20): 130038.

图/表 13

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

表 2

内封严出气实验工况

系统压比π	内封严出气流量占比 $m 3 m 1$ /%	外封严出气流量占比 $m 4 m 1$ /%
1.6	0	22
	5	17
	8	14
	10	12
	12	10
	15	7

表 2

图 5

表 3

内封严进气实验工况

系统压比π	内封严进气流量占比 $m 3 m 1$ /%	外封严出气流量占比 $m 4 m 1$ /%
1.3，1.6， 1.9	0	22
	5	27
	8	30
	10	32
	12	34
	15	37

表 3

图 6

图 7

表 4

内封严旁通实验工况

系统压比π	内封严进气流量占比 $m 3 m 1$ /%（旁通出气流量占比 $m 5 m 1$ /%）	外封严出气流量占比 $m 4 m 1$ /%
1.3，1.6， 1.9	0	22
	5	22
	8	22
	10	22
	12	22
	15	22

表 4

图 8

图 9

参考文献 26

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参数	不确定度/%
流量占比m_i /m₁	1.84
无量纲静压π_i	0.14
无量纲相对总温τ_i	0.49
温降效率η_Δ_T	7.01
功耗w	7.12

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