郝鑫，連文磊，尚登閱

(南京航空航天大學，能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

預旋系統(tǒng)作為航空發(fā)動機氣流冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，極大地影響了渦輪葉片冷卻氣流的冷卻效果。如何優(yōu)化預旋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，進一步對冷卻氣流進行優(yōu)化利用，更加有效地滿足渦輪葉片的冷卻要求是渦輪葉片冷卻技術后續(xù)發(fā)展的一個重要研究方向。

KILIC M[1]利用Navier-Stokes方程對盤腔內(nèi)結(jié)構(gòu)下的流動和傳熱特性進行了數(shù)值模擬。SNOWSILL G D[2]分析了轉(zhuǎn)靜交界界面的處理方式對數(shù)值計算結(jié)果的影響，證明Frozen Rotor處理方法耗時更少，并可以取得很好的結(jié)果。肖競雄等[3]研究了徑向進氣裝置進氣孔數(shù)量、尺寸的變化,總壓恢復系數(shù)與畸變指數(shù)的變化規(guī)律。王鎖芳等針對隨著盤腔進氣徑向位置[4]、預旋噴嘴的徑向角度[5]對氣流旋流比、徑向預旋系統(tǒng)溫降系數(shù)及總壓損失系數(shù)變化影響規(guī)律進行了研究。

以上及其他相關研究大多集中在盤腔傳熱的基礎研究上，對渦輪盤腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)對流動的影響涉及得較少。本文將針對渦輪盤腔內(nèi)部對冷卻氣流溫降增壓效果的影響展開研究，并分析影響溫降增壓效果的主要因素、相應的評價標準以及各影響因素的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

本文根據(jù)實際航空發(fā)動機渦輪盤腔的實際設計尺寸，進行了渦輪盤腔的幾何模型構(gòu)建如圖1所示，并根據(jù)渦輪引氣系統(tǒng)實際內(nèi)部流場，對模型進行了適當?shù)暮喕?，?gòu)建了如圖2所示的渦輪盤腔內(nèi)部的流體域計算模型。由于該模型具有周期性，選取了模型的1/7作為計算域。

圖1 渦輪盤腔的幾何模型

圖2 渦輪盤腔內(nèi)部流體域

1.2 數(shù)值計算方法

本文研究的內(nèi)容是穩(wěn)態(tài)流動，各物理量可以取穩(wěn)態(tài)下的時均值。計算模型的邊界條件由實際航空發(fā)動機的實際工況來確定，預旋噴嘴的進口設置為壓力進口邊界，給定進口總壓、總溫和出口壓力，出口設置為流量出口。轉(zhuǎn)靜交界面采用Frozen Rotor法處理，采用RNG 湍流模型作為計算模型，并選用CFX軟件進行計算。壁面的y plus在30～300之間；入口處的湍流強度為5%，渦流黏度比為10，密度、動量、湍動能、湍動能耗散率以及能量的離散格式均為1階迎風，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。收斂標準為各項殘差均<10-4，出口相對總溫的殘差變化趨于穩(wěn)定。在相關文獻中也利用試驗結(jié)果對該模型進行了驗證[6]，證明了計算方法的可行性(圖3)[7]。

圖3 溫降計算值與試驗值的對比

1.3 參數(shù)定義

由于渦輪葉片冷卻氣流主要服務于高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片的冷卻工作，旋轉(zhuǎn)系下的相對總溫對其實際工作效果更具有參考意義[8]，故選定無量綱溫降θ為溫降效果的參考量，同時氣流壓比也影響著冷卻氣流的冷卻效果。上述性能參數(shù)的定義如下：

1)無量綱溫降

無量綱溫降θ是有關進口總溫和旋轉(zhuǎn)坐標系下出口相對總溫的無量綱參量，定義如下：

(1)

(2)

2)壓比

在絕熱的旋轉(zhuǎn)盤腔中，靜壓增加，相對總壓保持不變，總壓變化等于動壓變化和靜壓的變化。

π=Pout/Pnozzle

(3)

3)旋流比

為研究關鍵性能參數(shù)的影響變化規(guī)律，現(xiàn)選取旋流比為設計過程中的無量綱設計參量，旋流比的定義如下：

(4)

式中：Vφ為周向速度，m/s；ω為軸向角速度，rad/s。將上式代入相對總溫的定義式(2)，則有

(5)

對預旋系統(tǒng)來說其靜溫是固定不變的，所以當旋流比β接近于1的時候，相對總溫最低。

2 研究結(jié)果

針對渦輪盤腔內(nèi)葉片設計參數(shù)對冷卻氣流的影響規(guī)律，本節(jié)針對葉型設計、葉片長度以及葉片構(gòu)型等主要參數(shù)展開分析，同時選擇旋流比為設計過程中的主要無量綱參考量。

2.1 葉型設計對溫降增壓效果的影響

根據(jù)葉片的流動規(guī)律和實際加工制造的可行性，初步選定葉片進口位置為距渦輪盤腔中心半徑100mm處，出口安裝位置為半徑130mm處。并基于直葉片、彎曲葉片和彎扭葉片設計了3種基本葉型，各葉型下的盤腔內(nèi)部氣流流場如圖4、圖5所示。

圖4 不同葉型下的盤腔內(nèi)部的流場(旋轉(zhuǎn)系下)

圖5 不同葉型典型工況下旋流比分布圖

由流場圖可以看出，相對于空盤，添加葉片的各盤腔出口處的周向相對速度均顯著降低。這是由于導流葉片使得盤腔內(nèi)部氣流的周向速度上升，與旋轉(zhuǎn)盤腔的相對速度差逐步減小，從而實現(xiàn)了相對速度的降低，進一步使相對總溫下降。其中彎扭葉片的流動分離區(qū)域最小，所造成的壓力損失相對較小，結(jié)合葉片所帶來的增壓效果較好。

對比不同葉型的旋流比分布圖可以發(fā)現(xiàn)，布置導流增壓葉片對整個盤腔內(nèi)部旋流比分布均會產(chǎn)生影響?？毡P內(nèi)部旋流比分布呈層狀分布，受半徑位置旋流比逐步下降的影響。葉片的存在改變了旋流比變化規(guī)律，明顯提升了高半徑出口位置的旋流比，并使盤腔內(nèi)部大部分區(qū)域的旋流比接近于1，從而提升靜壓和總溫降，提升了導流系統(tǒng)總體性能。

圖6、圖7為典型工況下3種基礎葉型的渦輪盤腔與空盤的無量綱溫降及壓比變化曲線圖。3種基礎葉型的無量綱溫降、壓比相差不大，但均遠好于空盤，彎扭葉型的溫降效果最為優(yōu)秀，計算結(jié)果與流場及旋流比分析的預估結(jié)果一致。

圖6 典型工況下各葉型無量綱溫降

圖7 典型工況下各葉型壓比

2.2 葉片長度對溫降增壓效果的影響

為避免因長度變化帶來的葉片葉型變化所造成的影響，對比不同葉片數(shù)時均選取直葉片進行數(shù)值計算，選擇典型工況作為計算工況，盤腔內(nèi)葉片數(shù)均選為7片，選擇葉片的出口半徑為130mm，葉片的進口半徑分別取為80mm、90mm、100mm、110mm。圖8、圖9為不同葉片長度與不同葉片旋流比對流場及分布的影響。

圖8 不同葉片長度下的盤腔內(nèi)部流場(旋轉(zhuǎn)系下)

圖9 不同葉片長度的旋流比分布圖

圖8中葉片長度越短，出口處的流動分離區(qū)影響范圍越大。增加葉片長度主要影響了低半徑處的氣流流動方向，使得氣流提前偏轉(zhuǎn)，強化了對氣流的增壓效果，同時隨著葉片長度縮短，流動分離尾跡區(qū)逐步增大，造成出口位置的流動不均勻，會產(chǎn)生較大的壓力損失。

從圖9中可以看出隨著葉片的長度的增加，高旋流比分離區(qū)逐步減小，盤腔內(nèi)部大部分區(qū)域旋流比均更為接近于1?？傮w來看，盤腔內(nèi)部旋流比變化較大的區(qū)域主要集中在葉片附近，其他區(qū)域旋流比變化不大，加長葉片主要對底半徑處葉片附近區(qū)域的旋流比產(chǎn)生了影響。

圖10、圖11中的數(shù)值計算結(jié)果與流場及旋流比分析結(jié)果一致。雖然不同葉片長度長度間的無量綱溫降相差較小，但是隨著葉片長度增加，無量綱總溫降依舊有著升高的趨勢。因此，可以認為葉片在低半徑處可以提高系統(tǒng)的溫降效果，但是總體來說提升力有限，可以認為加長葉片長度能夠在一定范圍內(nèi)提升溫降增壓效果。

圖10 不同葉片長度無量綱溫降變化

圖11 不同葉片長度壓比變化

3 結(jié)語

本文通過對空氣預旋系統(tǒng)渦輪盤腔進行數(shù)值模擬，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用添加葉片的方式進行優(yōu)化設計，并進一步研究了葉型設計、葉片長度、葉片數(shù)對冷卻氣流的溫降增壓效果的影響，得出了以下結(jié)論：

1)渦輪盤腔的作用機理是通過導流葉片的導流增壓效果使得盤腔內(nèi)部氣流的周向速度升高，從而使得盤腔旋轉(zhuǎn)系下氣流的相對速度下降，達到降低相對總溫的效果，同時可提高氣流的壓比。優(yōu)化效果的主要影響因素是氣流旋流比，全局流場旋流比均接近1時，優(yōu)化效果最為明顯。

2)葉型設計對渦輪盤腔優(yōu)化效果有著顯著影響。在不同工況下，布置葉片均能對溫降增壓效果產(chǎn)生收益，其中彎扭葉型帶來的收益最高。

3)葉片長度對溫降增壓效果影響較大，加長葉片長度能有效增強對冷氣流的導流增壓效果，但隨葉片加長而帶來的收益會逐漸降低。