臺灣博碩士論文加值系統

本論文使用計算流體力學套裝軟體CFD-ACE+，針對具緣封之轉子-定子盤系統的攝入現象進行二維數值模擬。本研究之主要研究參數為轉盤轉速(Reθ)及疊加流強度(Cw)，其模擬結果首先與公開文獻中之實驗結果進行比較，透過轉盤壁面之靜壓力及輪室內流體之切線速度剖面與實驗值之比較，從而得到良好的驗證。經本研究發現轉盤系統輪室內具有特定之流場結構，而轉盤轉速及疊加流強度對於該結構之影響迴異。此外，本研究亦成功地模擬出轉盤系統之攝入現象，並提出三種判定標準，經研究發現該攝入現象會影響輪室內之流場結構，而當輪室內之流場特性因Reθ及Cw之效應而發生結構上明顯的改變後，轉盤系統之攝入現象始可能發生。

In this study, the rim seal ingestion of rim-shrouded rotor-stator disk systems has been simulated by using commercial computational fluid dynamics software (CFD-ACE+). The parameter studies including rotational speed of rotating disk (Reθ) and superimposed airflow rate (Cw) have been proceeded. The numerical results are agreed very well with existing experimental data in terms of static pressure distribution on rotating disk and the axial distribution of tangential velocity profiles in the wheel space. We find that there exist specific flow structures in cavities between rotor and stator disks. The influences of Reθ and Cw on those flow structures are opposite. In this study, we simulated successfully gas ingestion through a rim seal and proposed three kinds of ingress criteria. We found that gas ingestion could change the flow structures in the wheel space. When the flow structures changed essentially by the influences of Reθ and Cw, there may comes the gas ingestion.

誌謝 I
中文摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
圖目錄 VII
符號說明 XIV
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究目的 8
第2章 數學模式與數值方法 10
2.1 數學模式 10
2.2 數值方法 13
2.2.1 SIMPLEC數值法 13
2.2.2 邊界條件 16
第3章 結果與討論 18
3.1 具軸向開口緣封之轉盤系統 18
3.1.1 程式驗證 18
3.1.2 平均流場 19
3.1.2 紊流場 21
3.2 具徑向開口緣封之流場特性 23
3.2.1 平均流場 23
3.2.2 紊流場 25
3.3 轉盤系統之攝入現象 27
4.1 結論 31
4.2 建議 32
參考文獻 33

表目錄
表1　考慮外部流時具徑向開口緣封轉盤系統之流場參數設定 37


圖目錄
圖1 渦輪引擎主氣流流道示意圖 (Rolls-Royce, 1996) 38
圖2　渦輪段二次流(冷卻與密封流)示意圖 (Rolls-Royce, 1996) 39
圖3 Phadke and Owen之轉盤系統構型[1] 40
圖4 CFD-ACE+之計算流程圖 41
圖5 轉盤系統之幾何構形與座標系統(a) 具軸向開口緣封模型；(b)具徑向開口緣封模型 42
圖6 數值計算所採用之網格系統 43
圖7 考慮外流效應對具徑向開口緣封轉盤系統之幾何構形與座標系統 44
圖8 考慮外流效應對具徑向開口緣封數值計算所採用之網格系統 45
圖9 Cw=1490時轉子壁面靜壓隨Reθ變化之分佈圖 46
圖10 Cw=2950時轉子壁面靜壓隨Reθ變化之分佈圖 47
圖11 Cw=5940時轉子壁面靜壓隨Reθ變化之分佈圖 48
圖12 Cw=1490, Reθ=0.5×106時於r/r0=0.81處Vθ沿z軸之分佈圖 49
圖13 Cw=1490, Reθ=1.0×106時於r/r0=0.81處Vθ沿z軸之分佈圖 50
圖14 Cw=2950, Reθ=1.0×106時於r/r0=0.81處Vθ沿z軸之分佈圖 51
圖15 Cw=1490時r-z平面之速度向量隨Reθ變化之分佈圖 52
圖16 Cw=2950時r-z平面之速度向量隨Reθ變化之分佈圖 53
圖17 Cw=5940時r-z平面之速度向量隨Reθ變化之分佈圖 54
圖18 Cw=1490時r-z平面之等位線隨Reθ變化之分佈圖 55
圖19 Cw=2950時r-z平面之等位線隨Reθ變化之分佈圖 56
圖20 Cw=5940時r-z平面之等位線 隨Reθ變化之分佈圖 57
圖21 Cw=1490時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.21) 58
圖22 Cw=2950時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.21) 59
圖23 Cw=5940時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.21) 60
圖24 Cw=1490時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.39) 61
圖25 Cw=2950時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.39) 62
圖26 Cw=5940時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.39) 63
圖27 Cw=1490時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.58) 64
圖28 Cw=2950時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.58) 65
圖29 Cw=5940時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.58) 66
圖30 Cw=1490時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.74) 67
圖31 Cw=2950時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.74) 68
圖32 Cw=5940時Vr剖面隨Reθ之變化情形(r/r0=0.74) 69
圖33 Cw=1490時Vz等位線隨Reθ變化之分佈圖 70
圖34 Cw=2950時Vz等位線隨Reθ變化之分佈圖 71
圖35 Cw=5940時Vz等位線隨Reθ變化之分佈圖 72
圖36 Cw=1490時Vr等位線隨Reθ變化之分佈圖 73
圖37 Cw=2950時Vr等位線隨Reθ變化之分佈圖 74
圖38 Cw=5940時Vr等位線隨Reθ變化之分佈圖 75
圖39 Cw=1490時Vθ等位線隨Reθ變化之分佈圖 76
圖40 Cw=2950時Vθ等位線隨Reθ變化之分佈圖 77
圖41 Cw=5940時Vθ等位線隨Reθ變化之分佈圖 78
圖42 Cw=1490時K等位線隨Reθ變化之分佈圖 79
圖43 Cw=2950時K等位線隨Reθ變化之分佈圖 80
圖44 Cw=5940時K等位線隨Reθ變化之分佈圖 81
圖45 Cw=1490時l等位線隨Reθ變化之分佈圖 82
圖46 Cw=2950時l等位線隨Reθ變化之分佈圖 83
圖47 Cw=5940時l等位線隨Re變化之分佈圖 84
圖48 Cw=1490時等位線隨Reθ變化之分佈圖 85
圖49 Cw=2950時等位線隨Reθ變化之分佈圖 86
圖50 Cw=5940時等位線隨Reθ變化之分佈圖 87
圖51 Cw=1490時v等位線隨Reθ變化之分佈圖 88
圖52 Cw=2950時v等位線隨Reθ變化之分佈圖 89
圖53 Cw=5940時v等位線隨Reθ變化之分佈圖 90
圖54 Reθ=0時速度向量隨Cw變化之分佈圖 91
圖55 上游轉盤Reθ=1.6×105時速度向量隨Cw變化之分佈圖 92
圖56 下游轉盤Reθ=1.6×105時速度向量隨Cw變化之分佈圖 93
圖57 Reθ=0時等位線隨Cw變化之分佈圖 94
圖58 上游轉盤Reθ=1.6×105時等位線隨Cw變化之分佈圖 95
圖59 下游轉盤Reθ=1.6×105時等位線隨Cw變化之分佈圖 96
圖60 Reθ=0時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.2) 97
圖61 上游轉盤Reθ=1.6×105時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.2) 98
圖62 下游轉盤Reθ=1.6×105時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.2) 99
圖63 Reθ=0時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.45) 100
圖64 上游轉盤Reθ=1.6×105時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.45) 101
圖65 下游轉盤Reθ=1.6×105時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.45) 102
圖66 Reθ=0時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.7) 103
圖67 上游轉盤Reθ=1.6×105時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.7) 104
圖68 下游轉盤Reθ=1.6×105時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.7) 105
圖69 Reθ=0時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.9) 106
圖70 上游轉盤Reθ=1.6×105時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.9) 107
圖71 下游轉盤Reθ=1.6×105時Vr剖面隨Cw之變化情形(r/r0=0.9) 108
圖72 Reθ=0時Vz等位線隨Cw變化之分佈圖 109
圖73 上游轉盤Reθ=1.6×105時Vz等位線隨Cw變化之分佈圖 110
圖74 下游轉盤Reθ=1.6×105時Vz等位線隨Cw變化之分佈圖 111
圖75 Reθ=0時Vr等位線隨Cw變化之分佈圖 112
圖76 上游轉盤Reθ=1.6×105時Vr等位線隨Cw變化之分佈圖 113
圖77 下游轉盤Reθ=1.6×105時Vr等位線隨Cw變化之分佈圖 114
圖78 上游轉盤Reθ=1.6×105時Vθ等位線隨Cw變化之分佈圖 115
圖79 下游轉盤Reθ=1.6×105時Vθ等位線隨Cw變化之分佈圖 116
圖80 Reθ=0時K等位線隨Cw變化之分佈圖 117
圖81 上游轉盤Reθ=1.6×105時K等位線隨Cw變化之分佈圖 118
圖82 下游轉盤Reθ=1.6×105時K等位線隨Cw變化之分佈圖 119
圖83 Reθ=0時l等位線隨Cw變化之分佈圖 120
圖84 上游轉盤Reθ=1.6×105時l等位線隨Cw變化之分佈圖 121
圖85 下游轉盤Reθ=1.6×105時l等位線隨Cw變化之分佈圖 122
圖86 Reθ=0時等位線隨Cw變化之分佈圖 123
圖87 上游轉盤Reθ=1.6×105時等位線隨Cw變化之分佈圖 124
圖88 下游轉盤Reθ=1.6×105時等位線隨Cw變化之分佈圖 125
圖89 Reθ=0時v等位線隨Cw變化之分佈圖 126
圖90 上游轉盤Reθ=1.6×105時v等位線隨Cw變化之分佈圖 127
圖91 下游轉盤Reθ=1.6×105時v等位線隨Cw變化之分佈圖 128
圖92 出口處Vz隨Reθ變化之分佈圖（Cw=0.45×103） 129
圖93 出口處Vz隨Reθ變化之分佈圖（Cw=0.51×103） 130
圖94 出口處Vz隨Reθ變化之分佈圖（Cw=2.35×103） 131
圖95 出口處Vz隨Reθ變化之分佈圖（Cw=3.52×103） 132
圖96 出口處Vz隨Reθ變化之分佈圖（Cw=4.69×103） 133
圖97 出口處Vz隨Reθ變化之分佈圖（Cw=9.38×103） 134
圖98 出口處dp/dz隨Reθ變化分佈圖（Cw=0.45×103） 135
圖99 出口處dp/dz隨Reθ變化分佈圖（Cw=0.51×103） 136
圖100 出口處dp/dz隨Reθ變化分佈圖（Cw=2.35×103） 137
圖101 出口處dp/dz隨Reθ變化之分佈圖（Cw=3.52×103） 138
圖102 出口處dp/dz隨Reθ變化分佈圖（Cw=4.69×103） 139
圖103 出口處dp/dz隨Reθ變化分佈圖（Cw=9.38×103） 140
圖104 輪室內最大濃度差值隨Cw之變化圖 141
圖105 攝入現象發生時之流動參數圖 142
圖106 攝入現象發生時之流動參數圖[13] 143
圖107 無攝入現象時Vz等位線受外流效應影響之情形(Cw=3.52×103，Reθ=1.6×105) 144
圖108無攝入現象時Vr等位線受外流效應影響之情形(Cw=3.52×103，Reθ=1.6×105) 145
圖109無攝入現象時Vθ等位線受外流效應影響之情形(Cw=3.52×103，Reθ=1.6×105) 146
圖110無攝入現象時K等位線受外流效應影響之情形(Cw=3.52×103，Reθ=1.6×105) 147
圖111 有攝入現象時Vz等位線受外流效應影響之情形(Cw=3.52×103，Reθ=6.5×105) 148
圖112有攝入現象時Vr等位線受外流效應影響之情形(Cw=3.52×103，Reθ=6.5×105) 149
圖113有攝入現象時Vθ等位線受外流效應影響之情形(Cw=3.52×103，Reθ=6.5×105) 150
圖114有攝入現象時K等位線受外流效應影響之情形(Cw=3.52×103，Reθ=6.5×105) 151
圖115當CW=3.52×103時，Vz等位線隨Reθ變化之分佈圖 152
圖116當CW=3.52×103時，Vr等位線隨Reθ變化之分佈圖 153
圖117當CW=3.52×103時，Vθ等位線隨Reθ變化之分佈圖 154
圖118當CW=3.52×103時，K等位線隨Reθ變化之分佈圖 155

[1] Steinetz, B. M. and Hendricks, R. C., 1994, “Engine Seal Technology Requirements to Meet NASA’s Advanced Subsonic Technology Program Goals,” NASA TM-106582, AIAA-94-2698.
[2] Hendricks, R. C., Steinetz, B. M., Athavale, M. M., and Przekwas, A. J., 1996, “Seals/Secondary Flows,” 1996 NASA Conference. On Seals and Secondary Air Systems.
[3] Steinetz, B. M. and Hendricks, R. C., 1999, “Seals/Secondary Flows,” 1999 NASA Seal/Secondary Air System Workshop.
[4] Dinc, S., Turnquist, N. T., and Chupp, R., 1999, “Advanced Seals at GE Research and Development Center,” 1999 NASA Seal/Secondary Air System Workshop, Cleveland, OH, USA, NASA/CP-2000-210472, Vol. 1, pp. 143-159.
[5] Chupp, R., Dinc, S., and Turnquist, N.T., 1999, “GE Industrial Turbine Advanced Seal Development,” 1999 NASA Seal/Secondary Air System Workshop, Cleveland, OH, USA, NASA/CP-2000-210472, Vol. 1, pp. 161-174.
[6] Phadke, U. P. and Owen, J. M., 1988, “Aerodynamic Aspects of the Sealing of Gas-Turbine Rotor-Stator Systems, Part 1: The Behavior of Simple Shrouded Rotating-Disk Systems in a Quiescent Environment,” International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 9, No. 2, pp. 98-105.
[7] Phadke, U. P. and Owen, J. M., 1988, “Aerodynamic Aspects of the Sealing of Gas-Turbine Rotor-Stator Systems, Part 2: The Performance of Simple Seals in a Quasi-Axisymmertic External Flow,” International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 9, No. 2, pp. 106-112.
[8] Phadke, U. P. and Owen, J. M., 1988, “Aerodynamic Aspects of the Sealing of Gas-Turbine Rotor-Stator Systems, Part 3: The Effect of Nonaxisymmetric External Flow on Seal Performance,” International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 9, No. 2, pp. 113-116.
[9] 徐國強, 陶智, 丁水汀和朱谷君, 2000, “高位垂直進氣旋轉盤流動與換熱的實驗研究,” 航空動力學報, Vol. 15, No. 2, pp. 164-168.
[10] 羅翔, 王建寧和徐國強, 2000, “流量變化對中心進氣旋轉盤平均換熱的影響,” 航空動力學報, Vol. 15, No. 3, pp. 278-281.
[11] 徐國強, 詹治國, 丁水汀, 陶智和羅翔, 2000, “中心進氣和高位垂直進氣轉靜系旋轉盤冷卻品質,” 航空動力學報, Vol. 21, No. 5, pp. 42-44.
[12] Raimundo, A. M., Figueiredo, A. R., and Oliveira, L. A., 2002, “Heat transfer Measurement in a Rotor-Stator System With Three-Dimensional Non-Axisymmetric Flow Conditions,” Experiment Thermal and Fluid Science, Vol. 27, pp. 47-58.
[13] 劉東平, 2002, “兩獨立旋轉圓盤間流動及熱傳之理論與實驗研究,” 博士論文, 中正理工學院國防科學研究所兵器系統組.
[14] Soong, C. Y., Wu, C. C., Liu, T. P., and Liu, T. P., 2003, “Flow Structure Between Two Co-Axial Disks Rotating Independently,” Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 27, pp. 295-311.
[15] 王志揚, 2003, “具緣封之轉子-定子轉盤系統之熱傳實驗研究,” 碩士論文, 逢甲大學機械工程學系碩士班.
[16] Kilnani, V. I. and Bhavnani, S. H., 2001, “Sealing of Gas Disk Cavities Cperating in the Presence of Mainstream External Flow,” Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 25, pp. 163-173.
[17] Ng, E. Y. K., Liu, Z. Y., and Soong, C. Y., 2000, “Heat and Flow Evaluation in Rotating Circular Disks Passage with a CFD Approach,” Numerical Heat Transfer, Part A, Vol. 38, pp. 611-626.
[18] Beretta, G. P. and Malfa. E., 2003, “Flow and Heat Transfer in Cavities Between Rotor and Stator Disks,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 46, pp. 2715-2726.
[19] Hills, N. J., Chew, J. W., and Turner, A. B., 2002, “ Computational and Mathematical Modeling of Turbine Rim Seal Ingestion,” ASME Journal of Engineering Gas Turbine Power, Vol. 124, pp. 306-311.
[20] White, F. M., 1991, Viscous Fluid Flow, 2nd Edition, McGraw-Hill, New York.
[21] Tannehill, J. C., Anderson, D. A., and Pletcher. R. H., 1997, Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, 2nd Edition, Taylor & Francis, New York.
[22] Kakac, S. and Yener, Y., 1995, Convective Heat Transfer, 2nd Edition, CRC, Florida.
[23] Fox, R. T. and McDonald, A. T., 1988, Introduction to Fluid Mechanics, 5th Edition, John Wiley & Sons, New York.