劉習(xí)川 孟曉宇

摘 要 在壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中，壓氣機(jī)試驗(yàn)件出口直接與排氣蝸殼相連。排氣蝸殼除了承受高溫高壓的氣流之外，對(duì)壓氣機(jī)試驗(yàn)件的氣動(dòng)性能影響必須盡可能小。根據(jù)某壓氣機(jī)試驗(yàn)件的試驗(yàn)要求，對(duì)排氣蝸殼進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

關(guān)鍵詞 試驗(yàn);雙涵道排氣蝸殼;設(shè)計(jì);計(jì)算

Design of the Bypass Exhaust Volute for a big Compressor Test Rig

Li Xichuan Meng Xiaoyu

AECC HUNAN AVIATION POWERPLANT RESEARCH INSTITUTE，Zhuzhou，China 412002

Abstract In the process of compressor test， the compressor rig is directly connected with the exhaust volute. So， the exhaust volute has to withstand the high temperature and the high pressure of the exhaust， and the effects caused by the exhaust volute on compressor test results should be as small as possible. According to the test requirements of a compressor rig， the exhaust volute was design and calculated.

Key Words Test; Bypass exhaust volute; Design; Calculate

壓氣機(jī)是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，技術(shù)含量高、設(shè)計(jì)難度大、研制周期長(zhǎng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。目前，計(jì)算仿真還難以準(zhǔn)確預(yù)估其氣動(dòng)性能及機(jī)械動(dòng)力特性，仍需采用試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估[2～4]。

1 排氣蝸殼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

為使壓氣機(jī)出口流場(chǎng)均勻，排氣蝸殼流道按等流速設(shè)計(jì)[5、6]。蝸殼截面示意圖如下：

為減少排氣蝸殼的流動(dòng)損失，盡量減少流道氣流速度，根據(jù)壓氣機(jī)試驗(yàn)件的性能參數(shù)要求，同時(shí)考慮到雙涵排氣蝸殼的外形尺寸不能太大，在流動(dòng)損失增加有限的情況下，按經(jīng)驗(yàn)取流速不大于80m/s，按試驗(yàn)件參數(shù)指標(biāo)取堵點(diǎn)壓比和堵點(diǎn)效率，計(jì)算排氣蝸殼出口面積，根據(jù)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)尺寸取排氣蝸殼入口環(huán)徑向?qū)挾群腿肟诃h(huán)直徑，得到排氣蝸殼流道截面參數(shù)。

2 排氣蝸殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙涵排氣蝸殼耐溫耐壓不高，采用焊接制作，其中機(jī)匣為整體鑄造件，材料采用0Cr17Ni7Al焊接，外涵收集器流道壁厚18mm，內(nèi)涵收集器流道壁厚20mm。雙涵排氣蝸殼及排氣轉(zhuǎn)接段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2：

3 雙涵排氣蝸殼的溫度場(chǎng)計(jì)算

3.1 邊界條件

排氣蝸殼邊內(nèi)壁面與試驗(yàn)件出口氣流接觸，外壁面與大氣接觸，內(nèi)、外壁面均給第三類換熱邊界條件，換熱系數(shù)由如下平板換熱經(jīng)驗(yàn)公式[7]得到：

式中：

—雷諾數(shù)，取進(jìn)出口平均值，

—普朗特?cái)?shù)。

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖3—圖5給出了雙涵蝸殼內(nèi)、外涵表面溫度分布云圖，由圖可知，蝸殼壁面的溫度場(chǎng)，靠近壓氣機(jī)出口的區(qū)域溫度略高，外圍溫度略低，整個(gè)溫度場(chǎng)的分布較為均勻、合理，該排氣蝸殼設(shè)計(jì)方案可以滿足壓氣機(jī)試驗(yàn)的要求。

4 雙涵排氣蝸殼的強(qiáng)度計(jì)算

4.1 邊界條件及載荷

約束排氣蝸殼支耳端面上全部節(jié)點(diǎn)的XYZ方向位移;內(nèi)、外涵流道面壓力施加工作壓力;殼體上加載溫度載荷。

4.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

雙涵蝸殼當(dāng)量應(yīng)力分布見(jiàn)圖6和圖7。蝸殼殼體和排氣出口拉桿的最大當(dāng)量應(yīng)力分別為393MPa和275MPa。

4.3 強(qiáng)度校核

對(duì)排氣蝸殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求如下：

屈服安全系數(shù)：

;

極限安全系數(shù)：

。

式中：K-鑄件系數(shù)，取1.1。

由于存在應(yīng)力集中，最大當(dāng)量應(yīng)力取圖6～圖7中應(yīng)力最大處的局部平均值。強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1，滿足使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)壓氣機(jī)試驗(yàn)要求，合理設(shè)計(jì)排氣蝸殼結(jié)構(gòu)和流道型面，運(yùn)用三維建模軟件建立排氣蝸殼集合模型，采用有限元方法對(duì)排氣蝸殼進(jìn)行了溫度場(chǎng)和強(qiáng)度計(jì)算，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用符合使用要求，為某壓氣機(jī)試驗(yàn)器的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。在現(xiàn)有的計(jì)算條件和狀態(tài)下，其設(shè)計(jì)方法和技術(shù)路線有一定借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介

劉習(xí)川（1984-），男;學(xué)歷：碩士研究生，工程師，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)試驗(yàn)。

孟曉宇（1982-），男;學(xué)歷：碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職單位：中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)試驗(yàn)。