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