TTC制冷涡轮数值模拟与试验分析.pdf

收稿日期:;修回日期:作者简介:肖云峰(),男,硕士,副教授,研究方向为叶轮机械数值化、高速动压气浮叶轮机械整机技术的研究,通信联系人,E m a i l:x i a o y u n f e n g b i p t e d u c n.第 卷第期 年月北京石油化工学院学报J o u r n a l o fB e i j i n gI n s t i t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g yV o l N o M a r 文章编号:()T T C制冷涡轮数值模拟与试验分析肖云峰,王云燕,张昊,陈在斌,马思瑜(北京石油化工学院机械工程学院,北京 ;北京工业大学环境与能源工程学院,北京 )摘要:制冷涡轮作为动力涡轮驱动的逆升压空气循环制冷系统(T T C)的核心部件,其气动性能对整机的制冷效果有重要影响.采用数值模拟结合试验方法对匹配后的制冷涡轮进行气动特性研究发现,流体的膨胀过程主要发生在喷嘴通道和叶轮通道进口段.制冷涡轮在设计工况下能很好地满足工作要求,整个流道内流动良好.同时,通过试验对数值模拟的可靠性进行验证,在不同入口条件下通入空气开展试验,通过测量试验模型进出口温度和压力,将其作为数值模拟的边界条件进行数值模拟,并对拟合试验和数值模拟的进出口温降进行分析,结果发现试验值和模拟值的发展趋势一致.关键词:T T C涡轮冷却器;气动特性;喷嘴;进口段;试验;温降中图分类号:T B 文献标志码:AD O I:/j c n k i i s s n 开放科学(资源服务)标识码:N u m e r i c a l S i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t a lA n a l y s i so fT T CR e f r i g e r a t i o nT u r b i n eX I AOY u n f e n g,WANGY u n y a n,Z HANG H a o,CHE NZ a i b i n,MAS i y u(C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,B e i j i n gI n s t i t u t eo fP e t r o c h e m i c a lT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a;C o l l e g eo fE n v i r o n m e n t a la n dE n e r g yE n g i n e e r i n g,B e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:A s t h ec o r ec o m p o n e n to fp o w e r e dt u r b i n e d r i v e nr e v e r s eb o o s t a i r c i r c u l a t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m(T T C),i t s a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eh a s a n i m p o r t a n t i n f l u e n c eo n t h e c o o l i n ge f f e c to f t h ew h o l em a c h i n e T h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h em a t c h e dr e f r i g e r a t i o nt u r b i n ew e r es t u d i e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t ha ne x p e r i m e n t a lm e t h o d I tw a ss h o w nt h a t t h ee x p a n s i o np r o c e s so f t h ef l u i dm a i n l yo c c u r r e di nt h en o z z l ep a s s a g ea n dt h e i n l e ts e c t i o no f t h ei m p e l l e rp a s s a g e T h e r e f r i g e r a t i o n t u r b i n e c a nw e l lm e e t t h ew o r k i n g r e q u i r e m e n t su n d e r t h ed e s i g nc o n d i t i o n,a n d t h e f l o wi n t h ew h o l e f l o wp a s s a g e i sg o o d A t t h e s a m e t i m e,a t e s t i s c a r r i e do u t t ov a l i d a t e t h e r e l i a b i l i t yo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n so f e n t r yp a s s i n t ot h ea i r T h e i m p o r t a n de x p o r t t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo f t h e t e s tm o d e l a r em e a s u r e d,w h i c ha r ea l s oa d o p t e da st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n B ya n a l y z i n gt h et e m p e r a t u r ed r o po f i m p o r ta n de x p o r t i nb o t ht h ef i t t i n gt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n,i t i sf o u n do u tt h a t t h ed e v e l o p m e n t t r e n do f t e s tv a l u e i s i nl i n ew i t ht h a to f a n a l o gv a l u e K e yw o r d s:T T Ct u r b i n ec o o l e r;a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s;n o z z l e;i m p o r ts e c t i o n;t e s t;t e m p e r a t u r ed r o p现代军用飞机常采用外挂式电子吊舱来提高作战能力,电子吊舱在电子对抗、侦察、制导、雷达等方面的应用越来越广泛 .吊舱内部存在的各种电子设备的热负荷都较大,在满负载运行时设备还会有废热产生,为了让电子设备在干燥、清洁和温度适宜的环境中稳定运行,同时还要保证吊舱的通用性和灵活性,吊舱中需要装备环境控制系统(e n v i r o n m e n tc o n t r o ls y s t e m,E C S).随着机载功能需求的不断增加,配备的电子设备更加复杂,导致其热负荷的增加,所以环控系统就必须有更强大的性能,对环控系统的制冷量提出了更高的要求.动力涡轮驱动的逆升压空气循环制冷系统和其他制冷系统相比可以提供额外轴功率,使系统获得更高的制冷量和膨胀比,同时有效地改善系统在小马赫数飞行时制冷量不足的情况,系统原理相对简单、体积较小、易于实现、可靠性好,已成为目前电子吊舱环控系统的主要制冷方式.文津等提出了闭式环控系统的参数计算关系式并进行了优化计算.熊贤鹏等指出动力涡轮驱动的逆升压空气循环制冷系统是适用于吊舱制冷的有效方式之一,并提出了系统的优化设计.Z h a n g等设计了逆升压空气循环制冷系统中径向进气涡轮膨胀机原型,研究亚临界制冷系统中的膨胀功率回收.王超等提出了一种改进的T T C逆升压空气循环制冷系统,测试试验证实制冷效果更好.胡亮等建立T T C逆升压式制冷系统数学模型,并进行了试验验证.学者们对T T C涡轮冷却器整机的设计和匹配进行了大量研究,但是对于核心部件的性能研究较少,而制冷涡轮作为T T C涡轮冷却器的制冷核心,其工作效率对T T C涡轮冷却器至关重要.因此,笔者以空气为工质,研究制冷涡轮的气动性能,并且通过试验验证了数值模拟的可靠性.涡轮一维设计计算在吊舱环境控制系统的制冷循环中,由于制冷涡轮、动力涡轮、压缩叶轮同轴,且无其他功率输入,因此有:nEnPnC()PCM(PEPP)()式中:nE为制冷涡轮转速;nP为动力涡轮的转速;nC为压缩叶轮转速;M为制冷系统机械效率;PP为动力涡轮的功率;PE为制冷涡轮的功率;PC为压缩叶轮功率.压缩叶轮入口与制冷涡轮出口直接相接,因此QEQC()pEpC()式中:QE为制冷涡轮流量;pE为制冷涡轮出口压力;pC为压缩叶轮进口压力.根据以上分析结果,当给定系统进出口压力、温度条件后,涡轮冷却器有且只有一种工作状态,通过p y t h o n计算程序迭代计算可以获得系统稳定后的转速、流量、效率等工作参数,经过对个工作轮的耦合设计计算,最终确定同轴三轮转子的转速为 r/m i n.将制冷涡轮的主要参数带入一维设计软件,得到制冷涡轮的三维模型,如图所示.图制冷涡轮的三维模型F i g Dm o d e l o f r e f r i g e r a t i o nt u r b i n e图涡轮计算网格F i g T u r b i n ec o m p u t i n gg r i d 制冷涡轮端流道的数值模拟及分析采用C F D数值模拟预测设计涡轮的性能,由于叶轮机流道及叶片形状具有高度三维性以及内部流动的复杂性,网格质量的正交性以及网格在流场中大梯度区域的密度对数值计算结果影响很大,因此高质量的网格生成技术往往是提高求解效率并正确模拟复杂流动的关键.因此采用N UM E C A对制冷涡轮进行数值模拟,利用I G G/A u t o G r i d 模块划分网格,采用向导模式与专家模式相结合的方法.为了更加真实地反映涡轮内部的流动情况,提高数值模拟的准确性,数值模拟考虑叶顶间隙,叶顶间隙为 mm.近固壁面处进行网格加密,保证近壁面第层网格y值在左右.涡轮整体三维网格如图所示.通过开展网格无关性分析确保计算结果的第期肖云峰等T T C制冷涡轮数值模拟与试验分析可靠性,网格总数为 ,网格正交性角度为 ,网格最大长宽比为 ,网格最大延展比为 ,网格质量较好.采用商用软件F I N E/T u r b o对叶轮组的三维粘性定常流场进行模拟,由于空气在涡轮中的流动属于低雷诺数湍流流动,综合考虑计算时间及计算精度,因此湍流模拟均采用S p a l a r t A l l m a r a s模型,此模型是一个专业应用于航空领域模拟分析的单方程模型,主要是固壁束缚流动,在叶轮机械中的应用也愈加广泛.与B a l d w i n L o m a x代数湍流模型相比,S p a l a r t A l l m a r a s湍流模型的主要优点是其湍流漩涡粘性区是连续的,同k模型比较,该模型的主要优点是鲁棒性非常好 ,而且所需C P U和内存空间小.设计工况边界条件的设置如表所示.涡轮不同叶高处B B截面的马赫数分布状况如图所示.从图中可以看出,从喷嘴叶栅的流动情况来看,压力面和吸力面在不同叶高处的变化情况基本相似,没有太大的差别.空气进入叶片后,速度不断得到提升,在叶栅进口驻点处,气流速度为零,相对马赫数为零,由于叶片外在型线的不同,在叶片内弧、压力面前缘一侧存在高压低速区,气流在压力面上从驻点处持续加速.从动叶栅中可以看出,叶高处比 叶高处通道内相对马赫数整体减小,吸力面一侧相对马赫数较低的区域沿流动方向往通道内移动,并且马赫数提高.叶高处通道内相对马赫数进一步增大,吸力面一侧的相对马赫数较低的区域范围变大,并且向出口方向移动.表边界条件T a b l eB o u n d a r yc o n d i t i o n s边界条件数值进口总压/P a 进口总温/K 出口静压/P a 图不同叶高处B B截面相对马赫数F i g R e l a t i v eM a c hn u m b e ro fB Bc r o s ss e c t i o n sa td i f f e r e n tb l a d eh e i g h t s不同叶高处总压分布图如图所示.从图中可以看出,工质流过动静叶片时总压的变化情况基本相似,在动叶吸力面前缘处有一小部分压力增高的区域,这是由于气流在喷嘴后部三角区域产生斜切膨胀所致;从叶片进口到出口,气流的总压在逐渐下降,气体的压力能逐渐转化为动能;对比不同叶高总压的等值线分布图发现,不同叶高的进口总压相差不大,这是因为气流在进口处较为均匀;随着叶高的增大,叶片的弯度逐渐加大,由此造成了不同叶高处的流动差异,从叶根到叶顶,叶片出口处的总压逐渐增大,流动损失逐渐减小.图不同叶高处总压分布F i g T o t a l p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na td i f f e r e n tb l a d eh e i g h t s北京石油化工学院学报 年第 卷试验验证试验性能平台方案如图所示.根据试验性能平台方案,将研制好的逆升压涡轮冷却器和换热器按照设计方案与加工好的管路连接.试验中选用的温度传感器的测量范围为 ,精度误差是 ;压力变送器的测量范围为 M P a,精确度是 ;涡街流量计的测量范围为 k g/h,精度范 围 是 ;速 度 传 感 器 测 量 范 围 为 r/m i n(H z),测量精度为x,转速分辨率为 计数位.将上述测量仪器安装在预留位置,压力罐气源提供供气,经过加热器后,将电磁流量计安装在进气管道,将气源通至逆升压涡轮冷却器,最终搭建逆升压空气循环制冷系统性能试验平台.图试验性能平台方案F i g E x p e r i m e n t a l p e r f o r m a n c ep l a t f o r ms c h e m e按照系统设计工况点进行测试,首先检查系统各管路测量仪器安装是否正确,然后进行启停试验.对整个系统进行测试,确保管道无泄漏,降低气体含湿量,排除气体含湿量因素对于整个系统测试的影响,按性能测试试验进行.调整空压机进行进气,引气一段时间后打开加热器进行加热,按测试条件调整参数,当进气道出口的流量、温度和压力传感器的数值达到测试条件后(即设计工况点),待涡轮冷却器运转稳定时记录数据.飞机吊舱在飞行过程中不仅要经过爬升、下降等飞行高度发生改变的过程,还要经过加速减速等马赫数发生改变的过程.高度和马赫数的改变会带来系统进气口压力温度以及流量的相应变化,在变工况点测试中改变入口的压力温度及进口流量,选取非工况设计点的试验测试,测得制冷涡轮温降随入口压力变化如图所示.从图中可以看出,在红线与曲线的交点为设计工况点,随着进气压力的不断增大,制冷涡轮的进图制冷涡轮温降随入口压力变化情况F i g V a r i a t i o no f t e m p e r a t u r ed r o po fr e f r i g e r a t i o nt u r b i n ew i t hi n l e tp r e s s u r e出口温差即温降不断增大,基本呈线性变化关系,进气压力增大同时附带进气流量的增大,提升涡轮的效率,涡轮做功能力变强,使得涡轮的温降随着入口流量和压力的增大而增加.结论对制冷涡轮端进口压力为 k P a的工第期肖云峰等T T C制冷涡轮数值模拟与试验分析况进行了数值模拟以及试验验证,通过试验数据和仿真数据比较和分析发现,温降仿真值和试验值的相对误差不超过,这个误差能够满足工程实际需要,可以得出理论分析与试验结果吻合良好,验证了匹配后的制冷涡轮模型的可靠性.()制冷涡轮端流体的膨胀过程主要发生在喷嘴通道和叶轮通道进口段,其中最大马赫数 在喷嘴出口处.()通过开展试验验证,对试验和数值模拟获得的进出口温降进行曲线的拟合,发现其发展趋势是相同的,在同转速的条件下,制冷涡轮的进出口温降随着进气压力的升高而呈线性增大.参考文献张忠政,郭良珠,李军,等电子吊舱环控系统研究进展综述J低温与超导,():余建祖,高红霞,谢永奇电子设备热设计及分析技术M北京:北京航空航天大学出版社,S a n c h e zF,L i s c o u e t H a n k eS T h e r m a l r i s kp r e d i c t i o nm e t h o d o l o g yf o rc o n c e p t u a ld e s i g no fa i r c r a f te q u i p m e n tb a y sJA e r o s p a c eS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,:文津,袁修干,张兴娟,等动力涡轮驱动部分闭式环控系统性能研究J北京航空航天大学学报,():熊贤鹏,林丽,刘卫华,等电子设备吊舱环境控制系统的研究J测控技术,():Z h a n gZ,L iM,M aY,e t a l E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nat u r b oe x p a n d e rs u b s t i t u t e df o rt h r o t t l ev a l v ei nt h es u b c r i t i c a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e mJE n e r g y,:王超,包胜,王璐璐,等 T T C双涡轮并行制冷吊舱环控系统 性 能 研 究 J电 子 机 械 工 程,():胡亮,王琦 T T C三轮逆升压式环控系统的数值模拟C全国环境控制学术交流会中国航空学会,绳春晨,杨榆,谢洪涛,等逆升压式吊舱涡轮冷却器变工况 特 性 研 究 J真 空 与 低 温,():薛 彬 彬,刘 艳,杨 金 广,等基 于 流 线 曲 率 法 的 轴 流O R C膨胀机反设计J风机技术,():诸永定,王威,王军,告示叶轮机叶片参数化设计与网格生成方法J风机技术,():肖云峰,周秀博,张志莲,等 kW冲压空气涡轮叶片的气动设计与数值模拟J风机技术,():曹晓平,范杜平不同进气结构对双吸离心风机影响的数值研究J风机技术,():药晓江,尚捷,卢华涛,等随钻测井用涡轮发电机叶轮组设计优化和试验研究J风机技术,():周志军,林震,周俊虎,等不同湍流模型在管道流动阻力计算 中 的 应 用 和 比 较 J热 力 发 电,():朱荣凯,冀光,邹积国,等单级轴流氦气压气机空气模拟气动性能数值分析J热 能 动力 工程,():,郑健,周长省,鞠玉涛,等 S p a l a r t A l l m a r a s湍流模型在弧形翼超音速流场数值模拟中的应用J重庆工学院学报(自然科学版),():(上接第 页)随着G B 规范的升版,风载荷的计算有了一定的变化,建议塔器设计人员在进行校核风载荷时,可参考新版G B 建筑结构载荷规范 的计算方法.参考文献彭恒,张荣钢,杜显赫,等高耸塔器的风振模拟及其采用侧向支撑的减振分析J压力容器,():李霁,陈超较高温度下大型立式容器支座的选择J化工设备与管道,():中国能源局 N B/T 塔式容器S北京:中国标准出版社,邓成洲,段成荫新荷载规范下高耸结构风振系数计算探讨J特种结构,():屠海明新旧荷载规范中高耸结构风荷载的计算与对比J特种结构,():朱志 斌自 立式 钢烟 囱设 计 的 探 讨 J化 工 设 计,():刘杰,董罡自立钢烟囱新旧规范风荷载计算比较J工业炉,():中华人民共和国国家标准 G B (年版)建筑结构荷载规范M北京:中国建筑工业出版社,中华人民共和国国家标准 G B 建筑结构荷载规范M北京:中国建筑工业出版社,刘银卯,闫向刚横向风振对石油化工塔型设备设计的影响J化工设计,():北京石油化工学院学报 年第 卷