文摘

摘要飞机环境控制系统由动力涡轮机驱动的进一步分析。通过流血的变化状态的数值模拟在不同飞行条件下和在不同喷嘴流场的变化,仿真结果验证了实验结果,以及具体的动力涡轮机的输出扭矩变化规律,得到了力量,流血流。定量分析,调整可调喷嘴环可以保持输出功率稳定,扩大飞行包线,提高环境控制系统的稳定性。

1。介绍

飞机环境控制系统的主要目的是提供舒适的环境条件为空降人员和电子设备。通过控制压力、湿度和温度在机舱内,环境控制系统使系统环境中人体的舒适范围,并确保电子设备总是在允许的温度范围内工作。根据研究,传统的环境控制系统需要大量的nonpropulsion能源从发动机和引擎产生的高温、高压气体压缩机是用来驱动环境控制系统。目前,为了更有效地利用能源和经济,进一步系统优化的环境控制系统已成为一个研究热点1,2]。目前,研究人员提出的方法有多种,但主要集中在以下两个方向:(1)继续推动环境控制系统由发动机压气机引气。提高组件的性能或使用动力涡轮机来取代传统的夹杂空气的方法,以减少能源浪费3]。(2)通过构建multielectric或全电动飞机,使用尽可能多的电力来驱动设备在飞机上。根据热负荷和压力要求的木屋,环境控制系统调整电机控制压缩机的压力比获得合适的送风温度和压力。环境与纯电动汽车驱动控制系统工作更加稳定和乘客的舒适是显著改善。同时,全电动环境控制系统不需要将空气从发动机压缩机,所以它不会影响发动机的性能4]。

飞行的节能设计,整个系统优化是非常重要的,因为单独的子系统优化不能得到最优解,所以在2008年,美国推出了综合飞机能源技术项目5]。在发明项目,f - 35的概念自适应电源和热管理系统(APTMS)提出。APTMS改善使用废气排放量从动力涡轮和压缩机引擎。这些引擎压缩机的气体直接排放后扩大和工作动力涡轮机。环境控制系统由动力涡轮机首次证实在f - 15战斗机(6,7]。最初的f - 15环境控制系统是一个露天循环制冷系统,由从发动机引气压缩机驱动的。f - 15和f - 35之间的主要区别是环境控制系统处理的气体离开动力涡轮机(8]。气体放电动力涡轮机的f - 15需要进入机房制冷;因为舱内压力系统的要求,动力涡轮机的膨胀率会相对较小。f - 35直接释放气体的动力涡轮机外部大气和获得的最大膨胀比和权力。当发动机压缩机排气参数相同,f - 35的动力涡轮机将输出更多的工作。

可调喷嘴环涡轮机目前主要用于可变几何涡轮增压器的汽车。变量几何增压器可以不断调整的有效流通截面积涡轮进气引擎操作条件,改变涡轮进气气流参数,然后改变增压压力,从而达到良好的匹配增压器和发动机同时提高发动机瞬态响应性,减少瞬态排放。与可变几何涡轮增压器的工作特性和传统的增压器,前者更高效和经济的整个流量范围。变量的操作条件下提高涡轮的适应性是一个流行的涡轮技术的发展方向。然而,目前很少有研究对权力使用可变喷嘴涡轮更换用于飞机环境控制系统(5]。本文进一步研究了动态性能的动力涡轮机在飞机环境控制系统使用可变喷嘴环和可变喷嘴环的变化规律时,引气压力和温度的变化。

2。系统分析

环境控制系统(图1)动力涡轮所在是一个改进的三轮高压除水系统(图2)[9]。环境控制系统直接介绍了发动机排气气体动力涡轮机,这是直接排入大气环境气体膨胀后的工作,和动力涡轮机直接输出轴功涡轮压缩机总成(10]。新鲜气体压缩机和泵直接从周围的大气的提供给机舱。

在传统的环境控制系统中,从发动机空气排出后,所需的绝对压力调节器控制压力,和未来的天然气经过预冷器的温度控制在一定的范围内(11]。这个过程浪费大量的能量。环境控制系统由直接从发动机动力涡轮排出空气,从而消除需要预冷器和绝对压力调节器,它不仅实现了充分利用能源,也减少了系统的重量(12]。

发动机的排气压力和温度会改变飞行状态。流血状态改变时,动力涡轮的性能可以通过调整控制的可变喷嘴环,确保动力涡轮机的输出功率和扭矩保持不变,以隔离发动机工作状态的变化的影响在环境控制系统。更重要的是,在低空或地面操作中,由于低排气压力时,系统可以正常运行在一个更大的飞行包线通过调整喷嘴来获取更大的起动转矩。

本文计算转矩、质量流量和功率动力涡轮机的飞行曲线引擎操作参数的基础上,某种类型的飞行。飞行状态改变时,扭矩,质量流率、和功率变化和调整喷嘴打开计算。计算中使用的飞行剖面如图3。

3所示。计算模型

喷嘴环的叶片通常使用气动叶片建模,线性叶片,叶片。其中,气动叶片的最大流量范围和气动效率最高,但生产过程是复杂和叶片宽度很小,这是不利于安装转轴(13]。本文使用NACA0065对称翼型叶片涡轮喷嘴环的力量。的基本参数模型动力涡轮机表所示1,涡轮的三维模型和喷嘴环图所示4和5。

动力涡轮机使用气体膨胀输出转矩和功率驱动轴上的负载一起工作。当涡轮开始停滞,气体所产生的扭矩影响和轴承的摩擦力矩(必须满足以下关系14]: 在哪里扭矩的动力涡轮机和吗是系统的阻力矩的涡轮机。

动力涡轮的转动方程 在哪里总惯性矩和吗收到的是总外部扭矩动力涡轮机,包括气体产生转矩和外部载荷和摩擦转矩。

4所示。仿真参数

4.1。仿真模型和啮合

本文使用ANSYS ICEM软件模型和网状三维动力涡轮机。如图6,该模型分为三个部分:一个蜗壳,扩散器,和一个叶片,接口是作为一个接口连接的三个模型。

流利的,的动态数值模拟动力涡轮机使用滑动网格方法进行。为了获得更好的模拟结果,一阶稳态法进行了分析计算,然后转化为二阶动态收敛后计算。

动力涡轮机模型网格的数量很大,而且收敛速度缓慢当使用并行计算流利。为了有效地获得动力涡轮的性能与不同的可变喷嘴环开口,动力涡轮机必须的几何模型简化。常见的方法是忽略的影响涡轮进气蜗壳和使用单流式模型网格。本文使用1/4周期的优化计算模型动力涡轮机的流道模型计算。选择1/4喷嘴环模型和叶轮模型,为计算和网格的数量大约是700000。1/4的相应数量的喷嘴环叶片流道模型4和叶轮叶片的数量是4,如图7。图8网格文件在跑步后喷嘴环网格和叶轮网格缝合在一起。当设置边界条件用流利的,主要区别1/4-channel动力涡轮机模型和完整的机器模型,前者需要一个封闭的几何模型通过添加周期性边界的流动区域的左和右边界通道。喷嘴环的边界属性改为进口的压力,和其余的定义边界条件符合整机的流利的数值模拟。

4.2。湍流模型

SA模型完成后,自动定义和湍流尺度模型,并没有具体的流程需要调整关闭常数。效果更好的预测后,混合层流边界层流动,倒退与小分离流和机翼流。一般来说,SA模型更适合工程应用,特别是在机翼和叶轮应用程序。摘要SA模型用于计算:

湍流粘性系数是由以下公式计算:

是分子运动的粘度系数和生成的词是什么

在哪里涡度。

这个函数被定义为

这个函数被定义为 在哪里d是固体的最短的距离墙。

这个函数被定义为

常量值在模型方程

4.3。参数设置

设置喷嘴环安装角12°和喷嘴环叶片的数量到16岁。喷嘴环叶片开度的变化“+”意味着关闭喷嘴环和流量减少;喷嘴环叶片开度变化“−”意味着喷嘴环是开放和流量增加。有7计算喷嘴开环状态:+ 10°+ 6°+ 8°+ 3°,0°,−3°,−6°,其中0°是设计状态,如图9。

流利的进气压力设置为3条,3.5条,4条,4.5条,5酒吧和出口压力设置为1条。收到的起动转矩计算叶轮udf。

4.4。网格独立验证

表2可以绘制;当网格的数量是300万,涡轮效率的计算值与计算值的非常不同的网格数量400万年和500万年。网格的数量超过400万后,网格的数量的增加对动力涡轮效率的影响不大。认为400万年的网格已经达到网格独立性。

使用相同的数据,执行一个数值模拟1/4-channel动力涡轮机模型和比较计算结果与数值模拟结果的整个机器如表所示3。可以看出,计算结果之间的差异之间的流量和效率两个非常小。在数值模拟中,计算结果大约1/4流道可以用作动力涡轮机的数值模拟结果。

4.5。实验程序

图10是一种传统的三轮环境控制系统,包括一个涡轮压缩机,电动压缩机,和一个散热器。压力传感器和温度传感器测量温度和压力的进口和出口涡轮和压缩机和计算效率的各种组件。如数据所示10- - - - - -13高温、高压气体通过模拟发动机引气模拟电动压缩机,进口和出口温度和压力的测量动力涡轮机使用压力传感器和热电偶,分别计算动力涡轮机的效率。实验值与模拟值来验证仿真结果的合理性(15,16]。绝对压力传感器的准确性为2%,热电偶的准确性±0.5°C,涡轮进气压力通常超过200 kPa,温度是30°C - 200°C,出口是直接连接到大气中,压力是100 kPa,温度下降通常是40°C以上。实验仪器的准确性就足以满足实验的要求。

5。结果与讨论

5.1。实验结果

从表可以看出4模拟值比实验值略高约5%,这可能是由于仿真模型不考虑效率减少热传导造成的空气引入管和外壳本身。模拟值和实验值基本一致,所以气动力应该基本上与实际情况一致。

5.2。仿真结果

5.2.1。流场分析

数据14- - - - - -17气体的静压分布在50%的喷嘴环叶片高度当喷嘴环叶片开口+ 3°,0°,−3°,分别和−6°。从图可以看出,在四个中间空缺的情况下,低压区明显出现在的位置的最大曲率的叶片吸力面和叶片的最大负载的位置不会改变。在喷嘴开环的变化从−6°到+ 3°,低压的中心地区的压力值不断减小,这也导致喷嘴环叶片出口压力值不断降低,这是符合计算喷嘴环出口静压数据匹配。

总压强云喷嘴环叶片高度的50%数据所示18- - - - - -21。从图可以看出,总压力损失在喷嘴环出口明显大+ 3°,包括0°,−3°,−6°。在这种情况下,总压力损失不明显,气流的变化喷嘴环叶片出口角导致涡轮效率的损失。

马赫数的喷嘴环叶片高度的50%数据所示22- - - - - -25。喷嘴环流动通道是一个收敛流道。在+ 3°,0°,−3°,吸力面曲率在最大位置的喷嘴环叶片高度(低压区)50%。有一个当地的超音速区域,不出席−6°。存在本地超音速区会影响流动流场的均匀性,对涡轮效率有一定的影响。

当喷嘴环叶片打开+ 3°,0°,−3°,−6°,叶轮叶片效率分布是0.897,0.900,0.894,和0.878,与涡轮效率的变化趋势是一致的。静压云图长叶片的叶轮数据所示26- - - - - -29日。从图可以看出,有一个显著的反向压力梯度区域在叶轮流道的出口。随着喷嘴环叶片旋转从积极开放消极,相反的压力梯度在叶轮出口流动路径变得弱,和压力分布更均匀。的过程中改变喷嘴环的打开,减少叶轮的效率远远大于喷嘴环。主要原因是张角的喷嘴环叶片导致气流进入叶轮进口角显著改变,由于喷嘴环叶片可以旋转,喷嘴环和叶轮叶片之间的差距比固定喷嘴环的涡轮机。散度的出现也是一个重要的原因在叶轮的效率降低。

5.2.2。转矩

如数据所示30.和31日,当动力涡轮机的入口压力低,更大的起动转矩可以通过开放的喷嘴环,从而实现扩张的目的操作系统的信封。增加的喷嘴环扩展系统在同一入口压力流量,从而获得更多的输出转矩。当动力透平机的进气压力过高,可以减少喷嘴环的开放,和系统可以减少流动,因此动力涡轮机的输出转矩不变,运行平稳的环境控制系统是保证。

5.2.3。恒定负载和进口压力变化

如数据所示32- - - - - -34飞机的飞行状态变化时,发动机引气压力会相应地改变。如果打开喷嘴环保持不变,功率和扭矩输出的动力涡轮机也会相应地改变。为了保持环境控制系统的稳定运行,输出功率和扭矩的动力涡轮机可以调整增加或减少的可变喷嘴环。

5.2.4。恒定负载变化和入口温度的变化

如数据所示35- - - - - -37,当动力涡轮入口温度的变化,调节变量的打开喷嘴可以减少输出功率匹配负载,从而减少发动机排气状态变化的影响在环境控制系统。

5.2.5。负载变化和进口常数

如图38当喷嘴开环从+ 0到+ 6,可以增加了25%,21%,18.1%,15%,12.4%,12.9%。当喷嘴开环从−3 + 0,权力可以减少16.5%,15.7%,15%,13%,12.1%,10.9%。

6。结论

权力与可调涡轮喷嘴环结构可以控制发动机引气的数量根据所需能源的环境控制系统。根据飞行剖面,计算进气动力涡轮机的显著低于现有的飞机环境控制系统。此外,环境控制系统可以开始在一个较低的排气压力,它扩展了操作系统的信封。因此,权力与可调涡轮喷嘴环结构具有以下特点。(1)空气循环系统由动力涡轮机驱动的可调喷嘴环结构可以自由调整引气根据负载的数量,减少燃油补偿,实现能源的充分利用。(2)的涡轮喷嘴可以增加或减少,减少的起始压力动力涡轮机和扩大范围的使用环境控制系统。(3)通过动力涡轮机的数值模拟,可以得出结论,通过调整可变喷嘴环叶片,压缩机的动力涡轮机可以提供足够的工作在整个飞行。当排出空气的温度和压力变化,开幕式可以调整环境控制系统顺利运行。这样,发动机引气参数变化的影响在环境控制系统是孤立的。

摘要涡轮喷嘴环叶片和机壳之间的差距和旋转轴的喷嘴环叶片被忽略的计算模拟。这些差距产生重大影响涡轮的性能,涡轮能量损失的一个重要组成部分,也有对扭矩的影响。都应该被考虑。还可以进行可变喷嘴环控制致动器的研究动力涡轮机,以及控制律的可变喷嘴环和如何匹配动力涡轮机和更好更快地环控制系统。本文研究空气循环系统由动力涡轮机驱动可变喷嘴环正处于起步阶段,还有许多问题需要研究。

数据可用性

涡轮的数据用于支持本研究的结果包括在本文中。环境控制系统的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的通讯作者Dalin张。