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毫米级微型涡轮发动机性能仿真模型

刘传凯 李艳茹

刘传凯, 李艳茹. 毫米级微型涡轮发动机性能仿真模型[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(7): 1430-1437. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0566
引用本文: 刘传凯, 李艳茹. 毫米级微型涡轮发动机性能仿真模型[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(7): 1430-1437. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0566
LIU Chuankai, LI Yanru. Performance simulation model of millimeter-scale micro turbine engine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(7): 1430-1437. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0566(in Chinese)
Citation: LIU Chuankai, LI Yanru. Performance simulation model of millimeter-scale micro turbine engine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(7): 1430-1437. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0566(in Chinese)

毫米级微型涡轮发动机性能仿真模型

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0566
基金项目: 

国防基础科研项目 B2120132006

详细信息
    作者简介:

    刘传凯  男, 博士, 讲师, 硕士生导师。主要研究方向:航空发动机总体技术

    李艳茹  女, 硕士研究生。主要研究方向:毫米级微型发动机

    通讯作者:

    刘传凯.E-mail:liuchuankai@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V228.3

Performance simulation model of millimeter-scale micro turbine engine

Funds: 

National Defense Basic Research Program B2120132006

More Information
  • 摘要:

    为满足毫米级微型涡轮发动机性能设计需求,提出了一种毫米级微型涡轮发动机性能仿真模型。该模型采用考虑低雷诺数效应和传热效应的微型涡轮发动机叶轮特性,并将热平衡方程纳入该发动机性能仿真模型的共同工作方程组。通过与静子结构热网络方程组的耦合求解,实现了微型涡轮发动机特性和部件传热的动态模拟。以典型毫米级微型涡轮发动机为对象建立了仿真算例,研究了启动过程中发动机内部参数的变化规律。结果表明:毫米级微型涡轮发动机转动惯量对其加速性能影响微小,非稳态传热效应是影响其过渡态特性的主要因素。发动机转子和静子部件达到热响应时间存在显著差异,导致发动机启动过程的工作线呈现多拐点的现象。

     

  • 图 1  微型涡轮发动机的典型结构示意图

    Figure 1.  Schematic of typical structure of micro turbine engine

    图 2  转子换热路径示意图

    Figure 2.  Schematic of heat transfer routes of rotor

    图 3  考虑转子热平衡的微型涡轮发动机性能仿真模型示意图

    Figure 3.  Schematic of micro turbine engine performance simulation model considering thermal balance of rotor

    图 4  静子换热路径示意图

    Figure 4.  Schematic of heat transfer routes of stator

    图 5  燃烧室结构换热单元划分

    Figure 5.  Heat transfer element division of combustor structure

    图 6  燃烧室结构的热网络模型

    Figure 6.  Heat network model of combustor structure

    图 7  转速及甲烷流量的变化过程

    Figure 7.  Evolution of rotational speed and methane flow

    图 8  换热热流及轴功率的变化过程

    Figure 8.  Evolution of heat flux and shaft power

    图 9  微型涡轮发动机启动过程共同工作线

    Figure 9.  Startup operating line of micro-engine

    图 10  转子换热热流相对值的变化过程

    Figure 10.  Evolution of rotor relative heat flux

  • [1] 梁德旺, 黄国平.厘米级微型涡轮喷气发动机主要研究进展[J].燃气涡轮试验与研究, 2004, 17(2):9-13. https://www.wenkuxiazai.com/doc/543b12e9551810a6f524863d.html

    LIANG D W, HUANG G P.Recent development and key techniques of micro-turbine in centimeter size[J].Gas Turbine Experiment and Research, 2004, 17(2):9-13(in Chinese). https://www.wenkuxiazai.com/doc/543b12e9551810a6f524863d.html
    [2] 谭汉清.国外微型涡喷发动机应用现状及未来发展趋势[J].飞航导弹, 2013(3):76-80. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FHDD201303023.htm

    TAN H Q.Application status and future development trend of micro turbine engine in foreign countries[J].Winged Missiles Journal, 2013(3):76-80(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FHDD201303023.htm
    [3] DESSORNES O.Advances in the development of a microturbine engine[J].Journal of Engineering for Gas Turbines & Power, 2014, 136(7):071201-1-071201-9. https://www.researchgate.net/profile/Olivier_Dessornes/publication/255966002_ADVANCES_IN_THE_DEVELOPMENT_OF_A_MICRO-TURBINE_ENGINE_AT_ONERA/links/00b7d5211c5d85738f000000.pdf
    [4] EPSTEIN A H. Millimeter-scale, MEMS gas turbine engines[C]//ASME Turbo Expo 2003. New York: ASME, 2003: 669-696.
    [5] ISOMURA K, TERAMOTO S, TOGO S I, et al. Effects of Reynolds number and tip clearances on the performance of a centrifugal compressor at micro scale[C]//ASME Turbo Expo 2006. New York: ASME, 2006: 1087-1094.
    [6] VERSTRAETE D, BOWKETT C.Impact of heat transfer on the performance of micro gas turbines[J].Applied Energy, 2015, 138(C):445-449. http://www.irgrid.ac.cn/password-login;jsessionid=82259990CEF081FF094813BF69517C27
    [7] 骆广琦, 桑增产, 王如根, 等.航空燃气涡轮发动机数值仿真[M].北京:国防工业出版社, 2007:49-77.

    LUO G Q, SANG Z C, WANG R G, et al.Numerical methods for aviation gas turbine engines simulation[M].Beijing:National Defense Industry Press, 2007:49-77(in Chinese).
    [8] SIRAKOV B T. Characterization and design of non-adiabatic micro-compressor impeller and preliminary design of self-sustained micro engine system[D]. Boston: Massachusetts Institute of Technology, 2005: 24-37.
    [9] 杨世铭, 陶文栓.传热学[M].北京:高等教育出版社, 2006:197-296.

    YANG S M, TAO W S.Heat transfer[M].Beijing:Higher Education Press, 2006:197-296(in Chinese).
    [10] ROHSENOW W M. 传热学手册(上册)[M]. 李荫亭, 译. 北京: 科学出版社, 1985: 409-618.

    ROHSENOW W M. Heat transfer handbook[M]. LI Y T, translated. Beijin: Science Press, 1985: 409-618(in Chinese).
    [11] 范作民, 傅巽权.热力过程计算与燃气表[M].北京:国防工业出版社, 1987:245-464.

    FAN Z M, FU X Q.Thermodynamic process calculation and gas meter[M].Beijing:National Defense Industry Press, 1987:245-464(in Chinese).
    [12] FU X, WAN Z, HUANG G, et al. Study on micro-turbine engine's characteristics during windmill starting process[C]//ASME Turbo Expo 2012. New York: ASME, 2012: 903-910.
    [13] 廉筱纯.航空发动机原理[M].西安:西北工业大学出版社, 2005:300-345.

    LIAN X C.Principle of aero engine[M].Xi'an:Northwestern Polytechnical University Press, 2005:300-345(in Chinese).
    [14] 张津, 洪杰, 陈光.现代航空发动机技术与发展[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006:71-77.

    ZHANG J, HONG J, CHEN G.Contemporary aero engine technology and development[M].Beijing:Beihang University Press, 2006:71-77(in Chinese).
    [15] SAVOULIDES N. Development of a MEMS turbocharger and gas turbine engine[D]. Boston: Massachusetts Institute of Technology, 2004: 201-250.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-08
  • 录用日期:  2018-01-26
  • 刊出日期:  2018-07-20

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