航空發動機渦輪盤腔空氣系統瞬態仿真研究

鄭加偉+宣揚

【摘 要】空氣冷卻系統貫穿于整個航空發動機，在熱端部件的隔熱與冷卻、葉尖間隙控制、腔室封嚴、等方面起著極為重要的作用，直接決定著航空發動機能否安全可靠地工作。渦輪盤腔是空氣系統的重要組件，對渦輪盤的冷卻性能有顯著的影響。本文應用Flowmaster對某型燃氣輪機渦輪盤腔進行了仿真，對該渦輪盤腔設計進行分析。

【關鍵詞】航空發動機；空氣系統；仿真

【Abstract】Air system flows through the whole aero engine and plays a very important role in the cooling of the heated components， controlling of the blade tip clearance， sealing of the cavities and so on. The air system is directly related to the safety and efficiency of the engine. The turbine cavity is an important component of the air system. It have a great efficiency for the cooling of the tuibin.This paper simulates the turbine cavity of one aero engine， and give a analysis of the tubin design

【Key words】Aero-engine； Air system； Simulation

0 引言

發動機的二次空氣系統主要用去冷卻封嚴發動機部件[1]，其主要結構包括孔口、篦齒封嚴、以及特定的腔室結構等。本文的計算方法基于Miller[2]博士的理論，應用商業軟件Flowmaster對瞬態條件下的發動機空氣系統部件渦輪盤前腔進行了仿真計算。

1 計算模型

如圖1所示，選取某型燃氣輪機渦輪盤前腔建立計算模型，對盤腔的瞬態特性進行分析。在Flowmaster中搭建盤腔的"準二維"計算網絡。

計算模型如圖2（左）所示。流路系統中包含一個進口（渦輪盤前腔氣流進口）和一個出口（渦輪前腔出口），流動方向為沿徑向向外。將盤腔出口簡化為阻力損失元件。出口間隙的系數由Flowmaster數據庫以及經驗公式提供。

以渦輪盤旋轉軸為Y軸零坐標。為充分考慮盤腔幾何外形對于氣體流動的影響，將盤腔劃分為8個小的腔室，每個腔室盡可能調整為矩形。盤腔內的節點及元件分布如2（右）所示。

計算過程中應用到的元件的尺寸參數及計算參數如下。

封嚴篦齒：直齒，流通面積0.0006m2，篦齒封嚴間隙0.6mm，封嚴齒距5mm，齒數7，封嚴齒寬0.5mm。

出口間隙：流通面積0.0001m2。

2 邊界條件及發動機轉速

發動機轉速如圖3所示，模擬發動機運行啟動至運行穩定的過程。其中，0時刻為計算開始時間，并非發動機的實際啟動時刻。進出口條件如圖4所示。盤腔邊界為絕熱。

3 計算結果

計算的時間步長取為0.1s，計算總時間為120s。其他控制收斂的參數根據計算經驗進行相應調整。

圖5給出發動機穩定工作時（110s）盤腔內的總溫分布。由圖中數據可知，盤腔內節點的溫度沿徑向向外升高，并且越是靠近盤腔外側，節點溫度升高的越明顯。引起溫度升高的主要原因是右側高速旋轉的渦輪盤對氣流的加速作用。

盤腔出口體積流量如圖6所示，隨發動機進口壓力的提升，流經盤腔的空氣流量逐漸增加。盤腔內其典型節點的總壓分布如圖7所示。從計算結果中可以看出，冷卻氣流流過篦齒封嚴，壓力降低。節點11到節點7之間流動，壓力降低，總溫升高。由于右側旋轉盤對氣流的加速作用，節點7到4之間，冷卻氣流的總溫和總壓同時升高。同時，由于盤腔的加速作用有限，各點的壓力相差不是很大。

Flowmaster將盤腔簡化為“準二維”模型，通過將盤腔離散為多個小的部件來完成盤腔的仿真計算。經由一維計算，可以求得盤腔內不同徑向位置的壓力、溫度、渦流強度等數據。該方案能夠較好將盤腔融入一維網絡系統，并且能夠考慮盤腔幾何外形以及盤腔內離心效應的影響。相對于三維數值仿真，該方案極大的減少了計算量。對于搭建完整的空氣系統仿真方案，具有一定的指導意義。

【參考文獻】

[1]Cross H. Analysis of Flow in Networks of Conduits or Conductors[R].URBANA： University of Illinois Bulletin No.286，1936.

[2][46]D.S.MILLER.Internal flow systems-2nd ed.[M].Cranfield：BHR Group Limited，1996.

[責任編輯：朱麗娜]