渦軸發動機整機S2參數化流道造型及數值仿真

胡燕華，周七二，蔡顯新

（1．南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016;2．中航工業航空動力機械研究所，湖南株洲 412002）

渦軸發動機整機S2參數化流道造型及數值仿真

胡燕華1，2，周七二2，蔡顯新2

（1．南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京210016;2．中航工業航空動力機械研究所，湖南株洲 412002）

建立了一種渦軸發動機整機S2參數化流道造型方法，采用某S2數值仿真軟件完成了某渦軸發動機的整機計算。計算表明S2參數化流道造型方法簡單、有效，仿真軟件對渦軸發動機進行整機穩態計算的精度基本滿足計算要求，為渦軸發動機整機多學科設計優化奠定了基礎。

渦軸發動機;整機;參數化流道造型;數值仿真

航空發動機數值仿真技術是將現代相關學科最新研究成果、多年積累的實踐經驗及現代計算機技術、信息技術等融合貫通，綜合應用于發動機研制的一種手段，是現代先進發動機研制技術的一個重要發展方向，是計算流體力學（CFD）、計算結構力學（CSD）、計算機仿真技術和現代信息技術等最新成果在航空發動機上的綜合應用。航空發動機的數值仿真模型根據精度不同，分為零維、一維、準三維和三維。隨著計算機通信技術的迅猛發展和計算機計算能力的突飛猛進，大規模的發動機部件復雜流場、溫度場、強度分析和優化設計成為可能，實現了發動機部件的三維數值仿真。但是，單獨的發動機部件數值仿真與優化設計存在著邊界條件不真實、各部件之間匹配聯系不緊密的弱點，而這將極大的限制數值仿真技術的應用效果。［1］因此，將發動機部件數值仿真技術的成果進一步發展，結合數值傳遞技術、多學科優化技術與必要的實驗修正，實現統一平臺上發動機整機的數值仿真就成為技術上可行的航空發動機仿真與優化設計的發展方向。本文應用的某數值仿真軟件可以對部件、整機進行數值模擬，考核部件、整機的性能指標，以及各部件在整機環境中的匹配關系，將發動機總體分析能力從零維、一維提高到準三維的水平。

在建立了一種渦軸發動機整機S2參數化流道造型的基礎上，利用S2軟件進行了某渦軸發動機總體計算工作，包括發動機整機的網格劃分、計算、損失模型初步給定和結果分析等。

1 S2參數化流道造型

渦軸發動機整機S2參數化流道造型由直線、圓弧、樣條曲線首尾相連組成。［2］其中直線由前后端點的X（軸向坐標）、R（徑向坐標）控制;圓弧由前后端點加中心點的X、R坐標控制;樣條曲線由分布點的X、R坐標控制。再在控制點中插值生成新的流道，滿足優化要求。［3］

壓氣機部分的流道劃分和流道參數控制如圖1所示。

圖1 壓氣機流道劃分示意圖

2 渦軸發動機計算

本文利用該軟件進行了某渦軸發動機總體性能計算。發動機整機模型的計算網格如圖2所示，圖3至圖6分別為計算得到的馬赫數、壓力、溫度等值線圖及速度矢量圖。

圖2 計算網格圖

圖3 馬赫數等值線圖

圖4 壓力等值線圖

圖5 溫度等值線圖

圖6 速度矢量圖

發動機各個部件、總體的計算結果及計算結果與實驗值的比較見表1。

表1 發動機各個部件、總體的計算結果

3 計算結果分析

從計算結果看，壓氣機S2計算的結果與試驗值相比較，流量偏高，效率和壓比偏低;這主要是由于該發動機軸流部分的轉子后靜子葉片帶端彎，并為串列葉柵結構，為了能夠計算對計算模型進行了處理，導致計算軸流部分的計算結果比試驗值偏低。

在本次計算中，燃燒室由于結構比較復雜，在建模過程中對模型進行了簡化處理。從計算的圖形中看溫度、壓力分布參數分布比較合理。

渦輪S2計算的結果與試驗值相比較，效率和流量偏高，膨脹比偏高。

由于以上原因使得總體S2計算的功率比試驗值偏低。

通過該渦軸發動機的整機S2仿真計算驗證，各個部件的計算值與試驗值比較接近（3%以內），能夠初步滿足設計中的應用。程序本身自帶的損失模型用在整機的計算中還存在較大的誤差，需要通過經驗數據修正損失模型，得到相對準確的各部件的性能參數。

4 結論

航空發動機整機S2數值仿真模型計算結果與試驗數據對比分析結果表明該模型的計算結果的變化規律正確，能夠初步用于航空發動機的總體性能機部件匹配性能計算，但計算精度有待于進一步提高。

發動機整機的S2數值仿真和多學科優化是從“傳統設計”向“預測設計”轉換的重要途徑，對提升現階段航空發動機設計技術手段意義重大。［4］本文是關于發動機整機S2數值仿真的起步研究工作，為深入研究航空發動機的數值仿真技術和整機多學科設計優化方法奠定了初步基礎，但仍存在一些問題，如計算結果收斂性不好，需要大量的經驗數據修正損失模型等。

針對現階段存在的主要問題，需要在下一個階段開展以下方面的工作：S2計算軟件的修改和完善;研究損失系數的給定，進一步提高計算精度;將S2仿真軟件與發動機整機多學科優化平臺融合。［5］

［1］CIAM．S2 Euler code for gas flow calculation through gas turbine engine flow passage User’s guide［R］．2006．

［2］王劍．S2仿真程序壓氣機部件初步計算報告［R］．中國航空動力機械研究所科研報告，2006．

［3］彭劍勇．S2仿真程序燃燒室部件初步計算報告［R］．中國航空動力機械研究所科研報告，2006．

［4］許如琦．S2仿真程序渦輪部件初步計算報告［R］．中國航空動力機械研究所科研報告，2006．

［5］衛剛．發動機整機仿真在工程設計中的應用［R］．中國航空學會第一屆航空發動機數值仿真與數字優化設計學術交流會，2008．

［編校：張芙蓉］

S2 Parametric Channel Modeling and Numerical Simulation for a W hole Turbine－shaft Engine

HU Yanhua1，2ZHOU Qi＇er2，CAIXianxin2
（1．Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing Jiangsu 210016; 2．AVIC Aero－engine Powerplant Research Institute，Zhuzhou Hunan 412002）

The paper establishes a S2 parametric channelmodelingmethod for a whole turbineshaft engine by using a certain S2 numerical simulation software to complete the calculation of a whole turbine－shaft engine．Calculations show that the S2 parametric channelmodelingmethod is simple and effective，and the accuracy after simulation software＇s calculating turboshaftengine＇steady state can basicallymeet the calculating requirement．Thus thismay lay a good foundation formultidisciplinary design optimization of a whole turbine－shaft engine．

turboshaft engine;machine;parametric modeling flow;simulation

V235．12

A

1671－9654（2011）01－033－04

2010－12－06

胡燕華（1981－），女，湖南株洲人，工程師，工學碩士，研究方向為發動機結構強度。