高壓渦輪主動(dòng)間隙控制(Active Clearance Control,ACC)技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)改善性能、降低耗油率、提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的重要技術(shù)措施之一。實(shí)際工程應(yīng)用中,高壓渦輪ACC技術(shù)主要通過渦輪機(jī)匣的熱變形控制來實(shí)現(xiàn),低阻緊湊的供氣流路和簡(jiǎn)潔高效的機(jī)匣傳熱設(shè)計(jì)則是ACC系統(tǒng)最基礎(chǔ)的兩個(gè)技術(shù)。論文首先依據(jù)ACC系統(tǒng)供氣流路特征,抽象和�；龅湫土鲃�(dòng)元件,理論推導(dǎo)了各流動(dòng)元件的解析模型,然后結(jié)合三維數(shù)值仿真和已有的工程數(shù)據(jù)積累,建立了工程適用的快速分析模型,并借助Flowmaster軟件平臺(tái)定制開發(fā)了ACC系統(tǒng)供氣流路的一維分析模塊。隨后系統(tǒng)分析了ACC系統(tǒng)供氣流路壓力分布和冷氣分配、機(jī)匣溫度分布和變形控制規(guī)律,揭示了ACC系統(tǒng)供氣流路供氣總管和沖擊冷卻管的流動(dòng)機(jī)理。針對(duì)雙級(jí)高壓渦輪,建立了滿足良好可控?zé)嶙冃涡枨蟮墓饬髀芳皺C(jī)匣設(shè)計(jì)方案。計(jì)算分析結(jié)果表明,當(dāng)ACC系統(tǒng)工作時(shí),冷卻空氣通過冷卻管上射流孔,沖擊冷卻機(jī)匣凸緣和法蘭邊等區(qū)域,有效控制了這些區(qū)域的溫度。通過機(jī)匣溫度分布的合理調(diào)節(jié),第一級(jí)和第二級(jí)渦輪外環(huán)的徑向位移收縮量明顯,徑向位移變化得到了很好控制。在上述機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,本文研究并提出了準(zhǔn)部件級(jí)的高壓渦輪ACC系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證方案,構(gòu)建了滿足高溫、高壓試驗(yàn)條件的試驗(yàn)系統(tǒng),完成了真實(shí)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)部件級(jí)高壓渦輪ACC系統(tǒng)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)與制造,突破了復(fù)雜渦輪機(jī)匣結(jié)構(gòu)在高溫高壓試驗(yàn)條件下的高精度渦輪外環(huán)動(dòng)態(tài)徑向位移和渦輪機(jī)匣組件全結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)溫度測(cè)試技術(shù)。在準(zhǔn)部件級(jí)的真實(shí)結(jié)構(gòu)全尺寸雙級(jí)高壓渦輪ACC系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)中,詳細(xì)研究了ACC系統(tǒng)供氣流路流動(dòng)特性、渦輪機(jī)匣溫度分布及熱響應(yīng)特性、ACC系統(tǒng)工作時(shí)的渦輪外環(huán)徑向位移響應(yīng)特性。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):在冷氣雷諾數(shù)一定時(shí),ACC系統(tǒng)供氣流路中的供氣總管壓力分布均勻,沖擊冷卻管從進(jìn)氣端至封閉末端的沿程壓力均呈升高趨勢(shì),但隨沖擊冷卻管開孔面積比(冷卻管進(jìn)口面積與全部沖擊孔出流面積比)的增大,管內(nèi)壓力趨于一致,4排沖擊冷卻管中的最大壓力升幅(兩端的壓力相對(duì)變化幅度)為1.7%。ACC系統(tǒng)工作時(shí),第一級(jí)渦輪外環(huán)周向平均徑向位移收縮量和單點(diǎn)徑向位移收縮量的最大相對(duì)偏差為18.3%,而第二級(jí)渦輪外環(huán)周向平均徑向位移收縮量和單點(diǎn)徑向位移收縮量的最大相對(duì)偏差為8.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明,ACC供氣流路能有效調(diào)節(jié)渦輪機(jī)匣特征位置的溫度,渦輪外機(jī)匣溫度隨ACC系統(tǒng)冷氣雷諾數(shù)的增大而快速降低。機(jī)匣各冷卻部位平均絕對(duì)溫降介于100~167K,平均相對(duì)溫降(絕對(duì)溫降與ACC系統(tǒng)不工作時(shí)溫度的百分比)達(dá)到16%~37%。當(dāng)ACC系統(tǒng)控制閥門全打開時(shí),第一級(jí)渦輪外環(huán)和第二級(jí)渦輪外環(huán)的徑向位移收縮量分別達(dá)到了0.59mm和0.74mm,達(dá)到了預(yù)期效果。此外,在ACC系統(tǒng)控制閥門打開、關(guān)閉及狀態(tài)變化的過渡態(tài)中,渦輪機(jī)匣溫度及兩級(jí)渦輪外環(huán)徑向位移收縮量均具有滿意的響應(yīng)速率。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V233
【部分圖文】：

高壓渦輪主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)的供氣流路與機(jī)匣傳熱研究P&W）曾對(duì) JT9D 發(fā)動(dòng)機(jī)的 ACC 系統(tǒng)進(jìn)行了包括增加引氣管路的流通面積和機(jī)匣沖擊冷卻管的截面積，將機(jī)匣沖擊冷卻管由圓管改為方形管，調(diào)整沖擊孔的間距、孔徑、沖擊距離和沖擊角度等改進(jìn)設(shè)計(jì)以改善冷卻效果，經(jīng)模擬海拔 10670m，馬赫數(shù) 0.84 的高空模擬試驗(yàn)，巡航耗油率降低了 0.65％[16]，這也充分展現(xiàn)了機(jī)匣冷卻供氣流路設(shè)計(jì)及其熱變形控制，所帶來的收益和突出的工程應(yīng)用價(jià)值。

高壓渦輪主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)的供氣流路與機(jī)匣傳熱研究P&W）曾對(duì) JT9D 發(fā)動(dòng)機(jī)的 ACC 系統(tǒng)進(jìn)行了包括增加引氣管路的流通面積和機(jī)匣沖擊冷卻管的截面積，將機(jī)匣沖擊冷卻管由圓管改為方形管，調(diào)整沖擊孔的間距、孔徑、沖擊距離和沖擊角度等改進(jìn)設(shè)計(jì)以改善冷卻效果，經(jīng)模擬海拔 10670m，馬赫數(shù) 0.84 的高空模擬試驗(yàn)，巡航耗油率降低了 0.65％[16]，這也充分展現(xiàn)了機(jī)匣冷卻供氣流路設(shè)計(jì)及其熱變形控制，所帶來的收益和突出的工程應(yīng)用價(jià)值。

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文出口引出溫度較高的熱空氣對(duì)高壓渦輪外機(jī)匣進(jìn)行射流沖擊強(qiáng)化加熱，以實(shí)現(xiàn)高壓渦裝間隙設(shè)計(jì)為較小尺寸的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)向全功率加速時(shí)高壓渦輪葉片頂部與外環(huán)不碰，而在發(fā)動(dòng)機(jī)的爬升末期和巡航階段，從風(fēng)扇出口或壓氣機(jī)前幾級(jí)引出溫度較低的壓渦輪外機(jī)匣進(jìn)行射流沖擊冷卻，以減小高壓渦輪葉尖工作間隙。前一種工作方式的較為簡(jiǎn)單、可靠性高，目前被廣泛應(yīng)用[14, 47]。
【參考文獻(xiàn)】

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2 常智勇;曲勝;黎旭;;發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J];航空發(fā)動(dòng)機(jī);2014年06期

3 姜遠(yuǎn)剛;毛軍逵;李毅;沈毅;陸海鷹;;間隙主動(dòng)控制系統(tǒng)中冷卻空氣管換熱特性實(shí)驗(yàn)研究[J];推進(jìn)技術(shù);2014年03期

4 張井山;毛軍逵;李毅;沈毅;陸海鷹;;高壓渦輪主動(dòng)間隙控制機(jī)匣內(nèi)部換熱特性試驗(yàn)[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2014年02期

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6 顧偉;喬劍;陳瀟;劉玉芳;;民用航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉尖間隙控制技術(shù)綜述[J];燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù);2013年01期

7 楊曉光;黃佳;;采用改進(jìn)減縮模型的渦輪葉尖間隙快速分析方法[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2012年09期

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9 張劍;;葉尖間隙對(duì)渦輪性能影響的計(jì)算與試驗(yàn)研究[J];燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究;2012年02期

10 曾軍;王鵬飛;;民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉尖間隙主動(dòng)控制技術(shù)分析[J];航空科學(xué)技術(shù);2012年02期

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2 王志豪;高壓渦輪葉尖間隙數(shù)值計(jì)算與分析研究[D];南京航空航天大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2861206