柴軍生， 屠杰， 馬佳樂(lè)， 林阿強(qiáng),4， 劉高文,4

(1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015； 2.中國(guó)人民解放軍第五七一九工廠，四川 成都 611936； 3.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710129； 4.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省航空動(dòng)力系統(tǒng)熱科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

隨著高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度的逐漸提高，強(qiáng)化高溫渦輪轉(zhuǎn)子葉片的冷卻是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的重要方式[1-3]。預(yù)旋供氣系統(tǒng)為渦輪轉(zhuǎn)子葉片提供足夠流量、壓力的冷卻空氣源。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的預(yù)旋供氣系統(tǒng)在保障渦輪轉(zhuǎn)子葉片正常工作的同時(shí)，還可有效延長(zhǎng)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的工作壽命[4-5]。通過(guò)降低來(lái)流的相對(duì)總溫，達(dá)到冷卻葉片效果，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪空氣系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。關(guān)于預(yù)旋供氣系統(tǒng)的研究可追溯到1980年[6]。為適應(yīng)發(fā)展高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，歐洲開(kāi)展了渦輪冷卻計(jì)劃[7]，包括預(yù)旋供氣系統(tǒng)的研究。預(yù)旋供氣系統(tǒng)的流動(dòng)換熱特性對(duì)動(dòng)葉供氣的影響逐漸受到關(guān)注[8-10]，系統(tǒng)內(nèi)存在大尺度非定常流動(dòng)模態(tài)，對(duì)封嚴(yán)特性和渦輪效率及氣動(dòng)穩(wěn)定性有著不可忽視的影響[11]。預(yù)旋供氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式可分為直接式和蓋板式[12]。Chew等[13]在發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)測(cè)量了預(yù)旋噴嘴的流量系數(shù)，指出流量系數(shù)是表征噴嘴性能的重要參數(shù)。Gary等[14-15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了直接式預(yù)旋供氣系統(tǒng)的預(yù)旋腔中氣動(dòng)參數(shù)對(duì)換熱的影響。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)旋腔內(nèi)的換熱主要受噴嘴的射流沖擊控制，預(yù)旋腔里的努塞爾數(shù)受流體的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和湍流度的影響。通過(guò)對(duì)預(yù)旋供氣系統(tǒng)流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)分析[16-18]發(fā)現(xiàn)，預(yù)旋噴嘴、預(yù)旋腔和接受孔的不同幾何特征對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)溫降特性具有顯著敏感性。當(dāng)氣流的旋轉(zhuǎn)比大于1時(shí)，預(yù)旋腔內(nèi)的氣流旋轉(zhuǎn)規(guī)律滿足自由渦規(guī)律[19]；并且接受孔與預(yù)旋噴嘴位于同一半徑位置時(shí)流動(dòng)壓力損失最小[20]。吳衡等[21-22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究了轉(zhuǎn)速、壓比等參數(shù)對(duì)預(yù)旋供氣系統(tǒng)溫降、壓力等參數(shù)的影響，并引入臨界流量作為參考值的無(wú)量綱流量分析預(yù)旋供氣系統(tǒng)溫降和壓力特性。劉育心等[23-24]通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)等手段研究了一種預(yù)旋噴嘴和接受孔，可以改善預(yù)旋供氣系統(tǒng)的特性。由此可見(jiàn)，預(yù)旋供氣系統(tǒng)特性的影響因素很多，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。學(xué)者針對(duì)高轉(zhuǎn)速下預(yù)旋供氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。在與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)有著高相似性的前提下，對(duì)整個(gè)預(yù)旋供氣系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究顯得越發(fā)必要，最終在實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下測(cè)量出預(yù)旋供氣系統(tǒng)特性參數(shù)。

本文在西北工業(yè)大學(xué)旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)室[25]開(kāi)展高轉(zhuǎn)速預(yù)旋供氣系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究，在保證實(shí)驗(yàn)工況與發(fā)動(dòng)機(jī)工況相似的情況下，改變轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)和系統(tǒng)流量比，研究渦輪預(yù)旋供氣系統(tǒng)溫度和壓力特性變化，為渦輪預(yù)旋供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)量

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為準(zhǔn)確模擬某型航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在高空高速工作時(shí)性能參數(shù)，基于一維工程算法獲得發(fā)動(dòng)機(jī)高空狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)保證發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)各物理場(chǎng)相似，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下相對(duì)較低的壓力、溫度和轉(zhuǎn)速。因此，本文在西北工業(yè)大學(xué)預(yù)旋供氣系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平臺(tái)轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000 r/min。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓氣機(jī)、儲(chǔ)氣罐、進(jìn)/排氣閥門(mén)、穩(wěn)壓箱、實(shí)驗(yàn)段、驅(qū)動(dòng)、滑油冷卻、數(shù)據(jù)測(cè)量采集等部件系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，由大功率壓氣機(jī)往儲(chǔ)氣罐中打氣，通過(guò)打開(kāi)調(diào)節(jié)閥門(mén)將儲(chǔ)氣罐中的氣流注入實(shí)驗(yàn)間的穩(wěn)壓箱，氣流經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓箱之后會(huì)使得進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的氣流進(jìn)口壓力穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓箱之后的氣流通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)合進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包含為預(yù)旋供氣系統(tǒng)提供動(dòng)力的電機(jī)以及一系列的輔助系統(tǒng)。

圖1 預(yù)旋供氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試示意Fig.1 Test schematic diagram of pre-swirl air supply system

根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)旋供氣系統(tǒng)的實(shí)際模型，保證實(shí)驗(yàn)段基本幾何尺寸相同，簡(jiǎn)化后蓋板式預(yù)旋供氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試段的物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)段主要由預(yù)旋噴嘴、蓋板盤(pán)、渦輪轉(zhuǎn)盤(pán)以及進(jìn)氣腔、預(yù)旋腔、蓋板腔和出氣腔等組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用軸端中心進(jìn)氣的方法，氣流先流入進(jìn)氣腔，然后通過(guò)預(yù)旋噴嘴膨脹加速后產(chǎn)生高品質(zhì)的冷氣，冷氣依次經(jīng)過(guò)預(yù)旋腔、接受孔、蓋板腔和供氣孔，最后流經(jīng)排氣腔排出。本文的預(yù)旋噴嘴設(shè)計(jì)為葉型式流道(噴嘴半徑為2 465 mm)，供氣孔型設(shè)計(jì)為直跑道型。為便于分析，分別用0、1、1′和2分別表示噴嘴進(jìn)口、噴嘴出口、預(yù)旋腔截面和供氣孔出口。

圖2 預(yù)旋供氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Test bench of pre-swirl air supply system

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

本文開(kāi)展預(yù)旋供氣系統(tǒng)壓力和溫度特性的實(shí)驗(yàn)研究，依賴于對(duì)預(yù)旋供氣系統(tǒng)內(nèi)氣流壓力、溫度和流量等參數(shù)的高精度測(cè)量，特別是對(duì)轉(zhuǎn)子上的氣流壓力和相對(duì)總溫的測(cè)量。為此，在高轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)臺(tái)的靜止部件及轉(zhuǎn)動(dòng)部件上各布置壓力和溫度測(cè)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)、出口布置流量測(cè)點(diǎn)。其中，氣流溫度均通過(guò)K型熱電偶測(cè)得，經(jīng)陜西計(jì)量院標(biāo)定后的測(cè)量精度為1 K。靜止部件上的壓力通過(guò)0.05%精度的PSI壓力掃描閥測(cè)得，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的壓力通過(guò)Kulite微型傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量。外封嚴(yán)流量和噴嘴流量均通過(guò)孔板流量計(jì)測(cè)得，經(jīng)陜西計(jì)量院標(biāo)定后的流量測(cè)量精度為1%。供氣流量可通過(guò)將噴嘴流量和外封嚴(yán)流量作差獲得。測(cè)點(diǎn)布置方法及位置可參考文獻(xiàn)[25]。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)定義

(1)

(2)

系統(tǒng)溫比T02表示為預(yù)旋噴嘴進(jìn)口總溫與供氣孔出口相對(duì)總溫之比為：

(3)

(4)

轉(zhuǎn)子壓比π1′2定義為預(yù)旋腔出口靜壓p1′與供氣孔出口靜壓p2之比：

π1′2=p1′/p2

(5)

系統(tǒng)壓比π02是噴嘴入口總壓與供氣孔出口靜壓的比值為：

(6)

通過(guò)無(wú)量綱流量比qλ有利于本文采用控制流量比的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。臨界流量mcr是系統(tǒng)在進(jìn)口總溫、總壓一定條件下所能達(dá)到的最大流量。

qλ=m/mcr

(7)

(8)

式中：A1為預(yù)旋噴嘴喉部面積；m為供氣流量。

相似準(zhǔn)則數(shù)轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)Maφ反映渦輪轉(zhuǎn)盤(pán)線速度U與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎担欣陂_(kāi)展控制轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)開(kāi)展不同工況的實(shí)驗(yàn)分析。當(dāng)?shù)販囟萒取實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)所測(cè)室溫。

(9)

式中：Rg是氣體常數(shù)；k是定熵指數(shù)；ω轉(zhuǎn)盤(pán)角速度；r1是供氣孔中心所在半徑位置。

相似準(zhǔn)則數(shù)流動(dòng)馬赫數(shù)Ma反映氣流速度V與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎担?/p>

(10)

1.4 實(shí)驗(yàn)工況條件

為獲得預(yù)旋供氣系統(tǒng)的溫度和壓力特性，在實(shí)驗(yàn)條件下，保證轉(zhuǎn)子半徑等主要尺寸不變，并保證無(wú)量綱流動(dòng)馬赫數(shù)Ma、轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)Maφ相等時(shí)，所得無(wú)量綱結(jié)果(如：流量系數(shù)、溫比和壓比等)與發(fā)動(dòng)機(jī)模型工況相等，便可滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c發(fā)動(dòng)機(jī)模型工況的相似。因此，為了保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸r相似，系統(tǒng)壓比達(dá)到1.781(即，進(jìn)口壓力為178.1 kPa、出口壓力100 kPa)，轉(zhuǎn)速達(dá)到9 207 r/min，供氣流量為0.473 kg/s。在表1給出通過(guò)相似換算后確定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)工況。

本文主要開(kāi)展渦輪盤(pán)轉(zhuǎn)速4 800～9 207 r/min和供氣流量比0.45～0.72條件下，研究預(yù)旋供氣系統(tǒng)溫度和壓力的特性規(guī)律。表2給出實(shí)驗(yàn)運(yùn)行特性工況點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)工況主要滿足供氣流量和封嚴(yán)占比要求，并不能保證供氣壓力同時(shí)滿足設(shè)計(jì)點(diǎn)的要求，表現(xiàn)為在轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速9 207 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)點(diǎn)和工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)略有不同。特性實(shí)驗(yàn)中外封嚴(yán)流量占比是由設(shè)計(jì)點(diǎn)工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定，將供氣壓力與供氣流量均調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)點(diǎn)工況，此時(shí)外封嚴(yán)流量占比即確定為特性實(shí)驗(yàn)工況下的外封嚴(yán)流量占比，即保證供氣流量、進(jìn)氣壓力與設(shè)計(jì)點(diǎn)工況一致。進(jìn)氣溫度保證與設(shè)計(jì)點(diǎn)溫度相差±5 K，對(duì)相似準(zhǔn)則數(shù)的計(jì)算結(jié)果影響較小。

表1 預(yù)旋供氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)工況

表2 預(yù)旋供氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況點(diǎn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 供氣壓力校核的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

供氣壓力校核實(shí)驗(yàn)主要目的是判斷供氣壓力是否滿足設(shè)計(jì)值要求，通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴流量和封嚴(yán)流量以保證供氣流量和封嚴(yán)占比來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中流量參數(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)調(diào)控進(jìn)口流量總閥門(mén)和外封嚴(yán)流量電動(dòng)閥門(mén)來(lái)達(dá)到某一相似點(diǎn)供氣流量和封嚴(yán)占比要求。表3對(duì)比基于發(fā)動(dòng)機(jī)相似計(jì)算點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的2種狀態(tài)參數(shù)。

表3 實(shí)驗(yàn)工況下相似點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表3可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況相似計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)工況下供氣流量為0.587 kg/s，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為0.590 kg/s，二者偏差僅為0.5%。相似點(diǎn)工況點(diǎn)噴嘴流量為0.696 kg/s，而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的噴嘴流量為0.701 kg/s，二者偏差0.7%。相似點(diǎn)工況點(diǎn)封嚴(yán)流占比為15.7%，而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的封嚴(yán)流占比為15.8%，偏差0.6%。在滿足供氣流量和封嚴(yán)流占比前提下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到系統(tǒng)進(jìn)出口壓比值比相似點(diǎn)小2.0%。這種情況意味著該預(yù)旋供氣系統(tǒng)在進(jìn)氣總壓一定時(shí)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的供氣壓力為98 kPa時(shí)，與相似點(diǎn)供氣壓力100 kPa降低了2 kPa。綜合認(rèn)為，本文基于滿足流動(dòng)馬赫數(shù)和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)相等的相似準(zhǔn)則，使實(shí)驗(yàn)工況與發(fā)動(dòng)機(jī)工況二者具有高度的相似性。也就是說(shuō)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以準(zhǔn)確地反映實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況。

2.2 溫比特性分析

圖3給出了流量比qλ和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)Maφ對(duì)預(yù)旋噴嘴溫比T01的影響規(guī)律。從圖3(a)中可得，隨著流量比的增加，噴嘴溫比逐漸增加，這是由于流量比增大導(dǎo)致噴嘴出口氣流周向速度增大，即噴嘴出口旋轉(zhuǎn)比增大，氣流相對(duì)總溫降低，從而使預(yù)旋噴嘴溫比增加。且轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)越大，噴嘴溫比變化越劇烈。轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)為Maφ=0.67時(shí)，隨著流量比qλ由0.45增加到0.72，噴嘴溫比T01由1.007增加到1.113，相對(duì)提高了10.5%；而在轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)Maφ=0.35時(shí)，隨著流量比qλ由0.452增加到0.684，噴嘴溫比T01由1.027增加至1.071，增加了4.3%。從圖3(b)中可得，流量比一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的增大，噴嘴溫比呈二次曲線變化趨勢(shì)。這是由于流量比一定時(shí)，意味著噴嘴出口周向速度基本不變，氣流靜溫不變，影響噴嘴出口相對(duì)總溫的只是相對(duì)動(dòng)溫，而相對(duì)動(dòng)溫只與氣流與轉(zhuǎn)盤(pán)的相對(duì)速度的平方有關(guān)系，即噴嘴溫比與轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)為平方關(guān)系。

圖3 流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)預(yù)旋噴嘴溫比的影響Fig.3 Effect of flow ratio and rotor Mach number on temperature ratio of the pre-swirl nozzle

圖4給出了系統(tǒng)流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子溫比T1′2的影響。圖4(a)顯示，隨著流量比的變化，轉(zhuǎn)子溫比略微降低，在轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)Maφ=0.35時(shí)，轉(zhuǎn)子溫比T1′2由0.998降低至0.992，降低了0.6%。圖4(b)中可以得出，隨轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)變化時(shí)，轉(zhuǎn)子溫比基本維持不變，上下浮動(dòng)范圍不超過(guò)0.01。這是因?yàn)樵诟呶活A(yù)旋供氣系統(tǒng)中，預(yù)旋噴嘴與供氣孔的半徑差很小，離心升溫不明顯。

圖4 流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子溫比的影響Fig.4 Effect of flow ratio and rotor Mach number on the rotor temperature ratio

圖5給出了系統(tǒng)流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)系統(tǒng)溫比T02的影響。從圖5(a)中可以得到，轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)一定時(shí)，系統(tǒng)溫比隨流量比的增大而增加，這是由于流量比增大意味著噴嘴出口氣流旋轉(zhuǎn)比增大，噴嘴處溫降升高，系統(tǒng)溫降增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)溫比增加；流量比qλ=0.712、轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)Maφ=0.7的工況下，系統(tǒng)溫比能夠增加到約1.076，系統(tǒng)溫降約21.2 K。從圖5(b)中可以得到，流量比一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的變化，系統(tǒng)溫比先增加后減小。在流量比為qλ=0.69時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)Maφ由0.35增加至0.67，系統(tǒng)溫比T02由1.054增加至1.072再減小到1.067。可見(jiàn)，系統(tǒng)溫降與轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速具有非線性關(guān)系，則系統(tǒng)溫比與轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)也具有函數(shù)非線性關(guān)系。

圖5 流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)系統(tǒng)溫比的影響Fig.5 Effect of flow ratio and rotor Mach number on the system temperature ratio

2.3 壓比特性分析

圖6給出了系統(tǒng)流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)噴嘴壓比π01的影響規(guī)律。從圖6(a)中可以得到，轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)一定時(shí)，隨著流量比的增大，噴嘴壓比增加，在轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)為Maφ=0.67時(shí)，隨著流量比qλ由0.45增加至0.72，噴嘴壓比π01由1.114增加到1.531，增加了27.2%。這是因?yàn)殡S著噴嘴流量比增加，噴嘴流量增加，進(jìn)口壓力增加從而壓比增大。從圖6(b)中可以得到，流量比一定時(shí)，轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)噴嘴壓比的影響很小，在流量比為qλ=0.72時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)Maφ從0.35增加至0.67，噴嘴壓比π01由1.524增加到1.531。由此可見(jiàn)，噴嘴壓比基本不隨轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的變化而變化。

圖6 流量比對(duì)噴嘴壓比的影響Fig.6 Effect of flow ratio on pressure ratio of pre-swirl nozzle

圖7給出了轉(zhuǎn)子壓比(π1′2)隨系統(tǒng)流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的變化情況。從圖7(a)中可以得出，轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)一定時(shí)，隨著流量比的增加，轉(zhuǎn)子壓比呈增加的趨勢(shì)。其中，轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)為Maφ=0.67，在流量比qλ由0.45增加至0.72時(shí)，轉(zhuǎn)子壓比π1′2從1.009增加到1.080，增加了7%。從圖7(b)中可以得出，流量比一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的增大，轉(zhuǎn)子壓比不變。

圖7 流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子壓比的影響Fig.7 Effect of flow ratio and rotor Mach number on the rotor pressure ratio

圖8給出了系統(tǒng)壓比(π02)隨流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的變化情況。從圖8(a)中可以得出，在轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)一定的情況下，隨著流量比增大，系統(tǒng)壓比呈上升趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)為Maφ=0.67時(shí)，隨著流量比qλ從0.45增加至0.72，系統(tǒng)壓比π02從1.197增加至1.687。在轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)為Maφ=0.35時(shí)，隨著流量比qλ從0.45增加至0.72，系統(tǒng)壓比π02從1.13增加至1.55。從圖8(b)中可以得出，流量比一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的增大，系統(tǒng)壓比基本不變。

圖8 流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)系統(tǒng)壓比的影響Fig.8 Effect of flow ratio and rotor Mach number on pressure ratio

2.4 系統(tǒng)溫降特性分析

圖9給出了系統(tǒng)溫降隨流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的變化情況。從圖9(a)中可以得到，在轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)一定的情況下，隨著流量比增大，溫降呈增大趨勢(shì)；在流量比為qλ=0.72時(shí)，最大溫降可達(dá)到23 K。在轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)為Maφ=0.67、流量比為qλ=0.45時(shí)溫降為-3 K，表明該工況下存在系統(tǒng)溫升。這是因?yàn)閲娮斐隹跉饬髦芟虻?，而轉(zhuǎn)子速度高、氣流的旋轉(zhuǎn)比低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)溫升。從圖9(b)中可以得到，流量比一定的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的增大，系統(tǒng)溫降先增大后減小。

圖9 流量比和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)對(duì)系統(tǒng)溫降的影響Fig.9 Effect of flow ratio and rotor Mach number on the system temperature drop

3 結(jié)論

1)基于物理結(jié)構(gòu)模型相同，并保證流動(dòng)馬赫數(shù)和轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)相等的相似準(zhǔn)則數(shù)，預(yù)旋供氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工況與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最大誤差僅為2%，二者具有高度的相似性。

2)在渦輪盤(pán)轉(zhuǎn)速4 800～9 207 r/min和系統(tǒng)流量比0.45～0.72條件下，在滿足供氣流量和供氣壓力下，實(shí)驗(yàn)獲得溫度和壓力特性的變化規(guī)律。隨著系統(tǒng)流量比的增加，系統(tǒng)壓比和溫比隨流量比的增加而增加，噴嘴流量系數(shù)增加，系統(tǒng)溫降增加。流量比的變化對(duì)預(yù)旋噴嘴靜子溫度和壓力的敏感性大于轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)。隨著流量比由0.45增加到0.72時(shí)，噴嘴溫比和噴嘴壓比分別提高了10.5%和27.2%。在流量比為0.72時(shí)，系統(tǒng)溫降最高達(dá)到23 K。隨著轉(zhuǎn)子馬赫數(shù)的增加，系統(tǒng)壓比和溫比基本不變，在給定流量比時(shí)，系統(tǒng)溫降呈現(xiàn)先增加后減小。

3)通過(guò)溫度-壓力特性變化規(guī)律，可得出系統(tǒng)溫比和壓比主要與噴嘴壓比有關(guān)，轉(zhuǎn)子部分的改進(jìn)難度較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，可以優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)來(lái)增加噴嘴壓比，從而有效提高系統(tǒng)溫降。發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)旋供氣系統(tǒng)在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境下，轉(zhuǎn)盤(pán)與氣流存在較大的熱傳遞，并直接影響預(yù)旋冷卻特性。針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)熱傳遞的作用機(jī)制，有必要進(jìn)一步考慮傳熱現(xiàn)象對(duì)預(yù)旋供氣系統(tǒng)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究。