渦軸發(fā)動機軸向進氣組件優(yōu)化設(shè)計及仿真分析

曾強　葛嚴 王勛

摘 要：文章針對某渦軸發(fā)動機進氣組件進行了降輪廓及減重優(yōu)化設(shè)計，并對兩種方案流道在不同流量狀態(tài)下的流場特性進行數(shù)值仿真及結(jié)構(gòu)改進對比分析，對比分析結(jié)果表明優(yōu)化方案進氣組件流道進出口總壓損失系數(shù)與原方案相當(dāng)，流道最大直徑減小約7.4%，結(jié)構(gòu)減重約10%。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動機；進氣組件；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：V231 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0090-02

進氣組件是發(fā)動機的一個重要部件，其主要作用是為壓氣機提供一定速度的穩(wěn)定、均勻氣流[2]，并為燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子前軸承提供支撐。某渦軸發(fā)動機由附件傳動裝置、進氣組件、三級軸流加一級離心組合式壓氣機、環(huán)形回流燃燒室、兩級軸流式燃氣渦輪、兩級軸流式自由渦輪和排氣裝置等組成[1]。文章在原進氣組件方案的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，保持原有氣動性能和功能不變，降低進氣組件輪廓尺寸，減輕重量。

1 原方案仿真與試驗分析

1.1 進氣組件原方案簡介

如圖1所示，進氣組件流道采用5個均布支板進行支撐；進氣組件上方設(shè)置附件傳動裝置安裝座，中央傳動軸從進氣組件支板穿過為附件傳動齒輪提供功率輸入；進氣組件下方設(shè)置發(fā)動機輔助安裝節(jié)；中央設(shè)置燃氣發(fā)生器前軸承腔和相關(guān)滑油潤滑功能，中央前端設(shè)置軸承腔密封組件和導(dǎo)流錐；此外，進氣組件還集成發(fā)動機滑油箱、防冰裝置、水洗裝置等功能裝置。

1.2 進氣組件原方案流道仿真

采用FLUENT對進氣組件進行三維流場仿真，采用標準k-ε湍流模型。如圖2所示，由于進氣組件流道為軸對稱形式，故計算1/5扇形區(qū)域模型，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行流道模型網(wǎng)格劃分，對流道壁面及支板處進行附面層加密處理，網(wǎng)格總量為127萬左右。入口給定總壓、總溫邊界，出口給定目標流量邊界，分別計算不同流量情況下進氣組件流道進出口的總壓損失系數(shù)（見圖3）。

1.3 進氣組件原方案氣動試驗

針對原方案進行吹風(fēng)試驗，在進氣組件前端增加導(dǎo)流盆進行導(dǎo)流，進氣組件后端設(shè)置旋轉(zhuǎn)測量裝置進行出口參數(shù)測量。如圖3所示，進氣組件流道進出口總壓損失仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，進氣組件流道仿真計算模型和方法可作為進氣組件氣動性能評估和對比的依據(jù)。

2 優(yōu)化方案氣動性能分析

2.1 優(yōu)化設(shè)計思路

在原方案基礎(chǔ)上，降低流道徑向高度，縮小中央傳動錐齒輪組件尺寸，減小支板軸向長度及最大厚度等方面進行降輪廓設(shè)計，同時保持與壓氣機接口尺寸不變，保證出口截面參數(shù)盡量一致，以減小對壓氣機氣動性能的影響。

2.2 優(yōu)化方案氣動仿真計算

如圖4所示，外流道壁面最大徑向高度降低7.4%，內(nèi)流道流道最大徑向高度降低11.1%，同時支板長度減小33.6%，支板最大厚度減小24%，將支板最大厚度作為中央傳動軸的穿過位置。

采用與原方案相同的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)和湍流模型對優(yōu)化方案流場進行仿真分析。從圖5可以看出，初始優(yōu)化方案支板處由于通道相對變窄，氣流馬赫數(shù)突增，所以需對支板根部流道進行微調(diào)，增加支板最厚處的通道高度，調(diào)整后流場突增情況得到較大改善。從圖6可以看出，由于壓氣機進口截面內(nèi)流道徑向高度降低，出口截面馬赫數(shù)比原方案更低。

計算各個相同流量狀態(tài)下的進出口總壓損失，從圖7可以看出優(yōu)化方案與原方案流道總壓損失相當(dāng)。

從圖8可以看出隨著支板最大厚度減小，側(cè)面流場高馬赫數(shù)區(qū)域減小，支板尾跡影響區(qū)變小，從圖9可以看出，優(yōu)化方案進氣組件出口截面總壓分布與原方案基本一致，這是因為優(yōu)化方案支板輕微后移，出口截面尾跡影響與原方案基本相當(dāng)，氣流經(jīng)由壓氣機進口導(dǎo)葉通道參混后對壓氣機性能的影響較小。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

原進氣組件方案中央的軸承腔無發(fā)動機輸出組件，軸承腔空間利用率較低，在內(nèi)流道壁面降低后，需對軸承腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為緊湊。

由于內(nèi)流道壁面降低與原方案從動錐齒輪單側(cè)支撐雙排球軸承頂部干涉，如圖10所示，將軸承方案改為兩側(cè)支撐獨立球軸承，可避免軸承干涉問題，且降低了單個軸承的徑向載荷。

如圖11所示，原方案燃氣發(fā)生器前軸承鼠籠彈支采用外翻式安裝邊安裝在進氣機匣法蘭面上，彈支從進氣機匣軸承腔前端裝入，零級導(dǎo)葉安裝座從進氣機匣軸承腔后端裝入。由于流道徑向高度降低，進氣機匣軸承腔前端開口變小，原有彈支安裝無法從前端裝入，彈支改為內(nèi)翻式結(jié)構(gòu)，并采用擴口自鎖螺母固定，燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子軸承保持不變。

流道直徑及軸承腔輪廓尺寸減小，間接縮小了導(dǎo)流錐及軸承腔密封組件的結(jié)構(gòu)尺寸，同時縮短了進氣組件軸向長度，通過以上改進措施，進氣組件優(yōu)化方案重量比原方案降低約10%。

3 結(jié)論

本文對某渦軸發(fā)動機軸向進氣組件進行降輪廓及減重優(yōu)化設(shè)計，通過對這兩種設(shè)計方案氣動仿真及結(jié)構(gòu)改進分析，得到以下結(jié)論：（1）相比于原方案，優(yōu)化方案外流道壁面最大徑向高度降低7.4%，內(nèi)流道流道最大徑向高度降低11.1%，同時支板長度減小33.6%，支板最大厚度減小24%，重量降低約10%；（2）優(yōu)化方案流道進出口總壓損失與原方案相當(dāng)，隨著流量增大，總壓損失系數(shù)均逐漸減小；（3）優(yōu)化方案支板尾跡影響區(qū)變小，出口截面馬赫數(shù)比原方案更低，總壓分布與原方案基本一致。

本文所述優(yōu)化設(shè)計思路及分析研究結(jié)果對渦軸發(fā)動機進氣組件方案設(shè)計具有參考意義。

參考文獻

[1] 曾強，謝買祥.某型渦軸發(fā)動機進氣裝置設(shè)計[J].南華動力，2015（4）：22-25.

[2] 尚義主編.航空燃氣渦輪發(fā)動機[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.