試述某大型壓氣機試驗器雙涵道排氣蝸殼設計

劉習川 孟曉宇

摘 要 在壓氣機性能試驗中，壓氣機試驗件出口直接與排氣蝸殼相連。排氣蝸殼除了承受高溫高壓的氣流之外，對壓氣機試驗件的氣動性能影響必須盡可能小。根據某壓氣機試驗件的試驗要求，對排氣蝸殼進行設計計算。

關鍵詞 試驗;雙涵道排氣蝸殼;設計;計算

Design of the Bypass Exhaust Volute for a big Compressor Test Rig

Li Xichuan Meng Xiaoyu

AECC HUNAN AVIATION POWERPLANT RESEARCH INSTITUTE，Zhuzhou，China 412002

Abstract In the process of compressor test， the compressor rig is directly connected with the exhaust volute. So， the exhaust volute has to withstand the high temperature and the high pressure of the exhaust， and the effects caused by the exhaust volute on compressor test results should be as small as possible. According to the test requirements of a compressor rig， the exhaust volute was design and calculated.

Key Words Test; Bypass exhaust volute; Design; Calculate

壓氣機是渦輪發動機的重要部件，技術含量高、設計難度大、研制周期長，是發動機研制中的關鍵環節[1]。目前，計算仿真還難以準確預估其氣動性能及機械動力特性，仍需采用試驗的方法進行驗證和評估[2～4]。

1 排氣蝸殼的氣動設計

為使壓氣機出口流場均勻，排氣蝸殼流道按等流速設計[5、6]。蝸殼截面示意圖如下：

為減少排氣蝸殼的流動損失，盡量減少流道氣流速度，根據壓氣機試驗件的性能參數要求，同時考慮到雙涵排氣蝸殼的外形尺寸不能太大，在流動損失增加有限的情況下，按經驗取流速不大于80m/s，按試驗件參數指標取堵點壓比和堵點效率，計算排氣蝸殼出口面積，根據試驗件結構尺寸取排氣蝸殼入口環徑向寬度和入口環直徑，得到排氣蝸殼流道截面參數。

2 排氣蝸殼的結構設計

雙涵排氣蝸殼耐溫耐壓不高，采用焊接制作，其中機匣為整體鑄造件，材料采用0Cr17Ni7Al焊接，外涵收集器流道壁厚18mm，內涵收集器流道壁厚20mm。雙涵排氣蝸殼及排氣轉接段結構簡圖如圖2：

3 雙涵排氣蝸殼的溫度場計算

3.1 邊界條件

排氣蝸殼邊內壁面與試驗件出口氣流接觸，外壁面與大氣接觸，內、外壁面均給第三類換熱邊界條件，換熱系數由如下平板換熱經驗公式[7]得到：

式中：

—雷諾數，取進出口平均值，

—普朗特數。

3.2 溫度場計算結果

圖3—圖5給出了雙涵蝸殼內、外涵表面溫度分布云圖，由圖可知，蝸殼壁面的溫度場，靠近壓氣機出口的區域溫度略高，外圍溫度略低，整個溫度場的分布較為均勻、合理，該排氣蝸殼設計方案可以滿足壓氣機試驗的要求。

4 雙涵排氣蝸殼的強度計算

4.1 邊界條件及載荷

約束排氣蝸殼支耳端面上全部節點的XYZ方向位移;內、外涵流道面壓力施加工作壓力;殼體上加載溫度載荷。

4.2 強度計算結果

雙涵蝸殼當量應力分布見圖6和圖7。蝸殼殼體和排氣出口拉桿的最大當量應力分別為393MPa和275MPa。

4.3 強度校核

對排氣蝸殼的強度設計要求如下：

屈服安全系數：

;

極限安全系數：

。

式中：K-鑄件系數，取1.1。

由于存在應力集中，最大當量應力取圖6～圖7中應力最大處的局部平均值。強度評定結果見表1，滿足使用要求。

5 結束語

本文根據壓氣機試驗要求，合理設計排氣蝸殼結構和流道型面，運用三維建模軟件建立排氣蝸殼集合模型，采用有限元方法對排氣蝸殼進行了溫度場和強度計算，其結構設計、材料選用符合使用要求，為某壓氣機試驗器的建設奠定基礎。在現有的計算條件和狀態下，其設計方法和技術路線有一定借鑒意義。

參考文獻

[1] 崔健，幸曉龍.多級軸流壓氣機試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2005，18（4）：1-6.

[2] 陳懋章，劉寶杰.大涵道比渦扇發動機風扇/壓氣機氣動設計技術分析[J].航空動力學報，2008，29（3）：513-526.

[3] Wisler D C，Halstead D E，Beacher B F. Improving Compressor and Turbine Performance through Cost-Effective Low-Speed Testing[R]. ISABE 99-7073，1999.

[4] 顧楊，尹紅順，任銘林，等.加溫加壓壓氣機試車臺在發動機研制中的作用[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008，21（1）：18-21.

[5] 姜森祿，李良明，劉豐，等.中小型航空渦輪發動機試驗技術培訓手冊第2卷第二冊[M].北京：航空航天工業部第六O八研究所，1991：28-29.

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[7] 楊世銘.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1998：90.

作者簡介

劉習川（1984-），男;學歷：碩士研究生，工程師，研究方向：航空發動機壓氣機試驗。

孟曉宇（1982-），男;學歷：碩士研究生，工程師，現就職單位：中國航發湖南動力機械研究所，研究方向：航空發動機壓氣機試驗。