核心機(jī)試車臺穩(wěn)壓系統(tǒng)的設(shè)計與驗證

吉海云， 李艷軍， 劉元周

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引 言

核心機(jī)在發(fā)動機(jī)研制過程中最為關(guān)鍵，其部件工作轉(zhuǎn)速快，工作溫度、工作壓力最高，技術(shù)含量最高，設(shè)計難度也最大，是性能先進(jìn)發(fā)動機(jī)研制的最核心部件。核心機(jī)的研制和派生發(fā)展一直是航空業(yè)發(fā)達(dá)國家高度重視的內(nèi)容，也成為發(fā)動機(jī)系列化發(fā)展的主要技術(shù)途徑。如美國的GE公司基于前三代核心機(jī)的技術(shù)成功地研制出一系列軍、民用發(fā)動機(jī)，如F101、F110、F404、TF39和CF6。

核心機(jī)試車臺是核心機(jī)研制最重要的試驗設(shè)備，可較為真實地模擬核心機(jī)工作環(huán)境，以便開展不同進(jìn)排氣條件下三大部件的性能協(xié)調(diào)和匹配，測量核心機(jī)氣動、熱及力學(xué)性能，并評價其機(jī)械完整性。核心機(jī)試車臺主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、試車系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成。穩(wěn)壓系統(tǒng)位于連接進(jìn)氣系統(tǒng)與核心機(jī)之間，是關(guān)鍵部件，直接影響到核心機(jī)入口流場的品質(zhì)。主要起到穩(wěn)壓、整流和防護(hù)的作用，確保核心機(jī)入口流場相對均勻。本文利用ANSYS軟件和FLUENT軟件對穩(wěn)壓系統(tǒng)內(nèi)的流場特性和系統(tǒng)強(qiáng)度進(jìn)行驗證，保證穩(wěn)壓系統(tǒng)工作的可靠性[1-2]。

1 穩(wěn)壓系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

穩(wěn)壓系統(tǒng)主要通過降速、破碎漩渦、整直等手段提升核心機(jī)入口的進(jìn)氣流場均勻性，降低紊流度，其結(jié)構(gòu)主要由擴(kuò)壓段、穩(wěn)壓段、整流裝置（整流網(wǎng)和蜂窩器）、收縮段等組成，同時基于穩(wěn)定工作和便于維修考慮還設(shè)有支撐調(diào)節(jié)裝置（滑動支撐和固定支撐）和維修檢查孔等輔助部分，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

1.1 擴(kuò)壓段

擴(kuò)壓段位于穩(wěn)壓段的來流最前方，為保證整流與穩(wěn)壓效果必需將氣流速度降至25 m/s以下[3]，但出于調(diào)節(jié)便利和經(jīng)濟(jì)性的考慮，管道中通常流速較高，為了能在進(jìn)氣管網(wǎng)和穩(wěn)壓段之間在損失最小的情況下實現(xiàn)降速，擴(kuò)壓段設(shè)計的合理性就比較重要。因此，在擴(kuò)壓段的設(shè)計中要重點(diǎn)考慮擴(kuò)散角，在擴(kuò)壓比不變的情況下，擴(kuò)散角太小，雖然提高了擴(kuò)壓效率，但是也增加了擴(kuò)壓段及整個穩(wěn)壓系統(tǒng)的長度，使設(shè)計成本增加。擴(kuò)散角太大，雖然縮短了擴(kuò)壓段長度，但氣流在洞壁上容易發(fā)生分離，造成很大的分離損失，使擴(kuò)壓效率降低，并且會影響流場品質(zhì)[4-5]。

1.2 穩(wěn)壓段

穩(wěn)壓段通常是一個等截面的管道，上游與擴(kuò)壓段相連，下游與收縮段相接，其橫截面面積的大小取決于整個系統(tǒng)的收縮比要求。穩(wěn)壓段對氣流的影響是由其長度決定的，如果穩(wěn)壓段內(nèi)沒有整流部件，穩(wěn)壓段的長度就必須足夠，使得氣流在流動過程中有充足的時間調(diào)整運(yùn)動的方向、速度分布并衰減紊流度。一般情況下，穩(wěn)壓段內(nèi)部布置整流部件，其長度既要保證安裝整流部件，還需要有一段長度，經(jīng)過整流部件的氣流逐漸穩(wěn)定下來并衰減殘存的小漩渦。因此在穩(wěn)壓段的設(shè)計過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮內(nèi)徑和長度，以及是否需要安裝整流部件。

1.3 整流裝置

整流裝置一般由蜂窩器和整流網(wǎng)等組成，其作用是使氣流均勻或降低氣流的紊流度，保證核心機(jī)入口的流場品質(zhì)。

1）蜂窩器。一般情況下，蜂窩器安裝于整流網(wǎng)前，能夠?qū)е睔饬鳎箽饬髌叫杏诜€(wěn)壓段的軸線，將氣流中的大尺度的漩渦分割成小尺度漩渦，而小尺度的漩渦更容易衰減，因而氣流紊流度下降。同時，蜂窩壁對氣流的摩擦還能夠改善氣流的速度分布。

2）整流網(wǎng)。整流網(wǎng)通常安裝在蜂窩器之后，其作用是降低紊流度，提高氣流速度分布的均勻性。在整流網(wǎng)的設(shè)計中，影響氣動性能的參數(shù)為整流網(wǎng)的目數(shù)和層數(shù)。網(wǎng)越細(xì)，網(wǎng)的層數(shù)越多，整流效果也就越好，但氣流經(jīng)過整流網(wǎng)的損失也就越大。

1.4 收縮段

收縮段位于穩(wěn)壓段和工藝進(jìn)氣道之間，其作用是加速氣流，使其達(dá)到試驗所需的速度。收縮段的性能主要由收縮比和收縮曲線決定。提高收縮比，對氣流的均勻性和降低紊流度是有好處的。一般情況下，收縮比在4～5之間，使壁面收縮不太劇烈，避免出現(xiàn)流場分離的現(xiàn)象，保證出口流場的均勻性。

1.5 支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)主要由固定支撐和滑動支撐組成，其作用主要是支撐穩(wěn)壓箱，承受氣動載荷和熱膨脹力等外力的作用，保證穩(wěn)壓箱的熱變形由進(jìn)氣管路吸收，避免對核心機(jī)造成破壞。

2 穩(wěn)壓系統(tǒng)的流場分析

按照壓氣機(jī)氣動性能試驗中空氣流經(jīng)穩(wěn)壓段的速度要求，結(jié)合核心機(jī)工作參數(shù)，穩(wěn)壓箱的最大內(nèi)徑為1650 mm。參照某核心機(jī)穩(wěn)壓箱的使用情況，維護(hù)人員內(nèi)部清理雜質(zhì)和安裝拆卸整流裝置難度較大，需要增加穩(wěn)壓段內(nèi)部的操作空間，同時也考慮盡量降低流速以減小流動損失，最終選取穩(wěn)壓箱的內(nèi)徑為2000 mm。

利用UG軟件建立穩(wěn)壓箱的物理簡化模型，如圖2所示。利用FLUENT軟件對穩(wěn)壓段進(jìn)行仿真計算，驗證穩(wěn)壓箱內(nèi)的流場特性是否滿足試驗要求。

2.1 無整流裝置的流場分析

圖2 穩(wěn)壓箱的物理簡化模型

圖3為無整流裝置的穩(wěn)壓箱內(nèi)的速度流線圖，圖4為穩(wěn)壓箱內(nèi)某截面的速度云圖。從兩圖中可知，在無整流裝置的前提下，臨近壁面處氣流的速度和方向與核心區(qū)域相差較大，在穩(wěn)壓段內(nèi)部形成大漩渦，穩(wěn)壓段內(nèi)的氣流分布不均勻。

圖3 無整流裝置的入口流線圖

圖4 某截面的速度云圖

2.2 有整流裝置的流場分析

由于廠房的空間有限，穩(wěn)壓段不能足夠長，為了滿足核心機(jī)入口流場特性的試驗要求，需要在穩(wěn)壓段內(nèi)安裝整流裝置，改善系統(tǒng)的流場特性。

圖5為含有整流裝置的穩(wěn)壓箱內(nèi)的速度流線圖，從圖中可知在擴(kuò)壓段內(nèi)出現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象，但是流經(jīng)含有整流裝置的穩(wěn)壓段后，來流流線均勻并且平直，流場分布得到明顯的改善。圖6為穩(wěn)壓箱內(nèi)某截面的速度云圖，與無整流裝置的流場相比，截面速度分布更均勻。

通過對穩(wěn)壓箱出口截面的總壓和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，出口總壓不均勻度小于3.5%，速度湍流度小于1.5%，氣動性能滿足試驗要求。

圖5 含整流裝置的速度流線圖

3 系統(tǒng)的強(qiáng)度校核

通過對穩(wěn)壓系統(tǒng)進(jìn)行受力分析可知，其主要受氣動力、管路變形力、滑動摩擦力和系統(tǒng)重力的作用，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其工作的安全可靠。利用ANSYS 軟件對穩(wěn)壓系統(tǒng)的各關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

圖7 ～圖8為穩(wěn)壓箱、滑動支撐的應(yīng)力云圖，圖9～圖10為穩(wěn)壓箱、系統(tǒng)支撐的位移云圖。通過強(qiáng)度分析，各部件的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力（已考慮溫度影響），且變形量小，均未超過1 mm，滿足設(shè)計要求。

圖6 某截面的速度云圖

圖7 穩(wěn)壓箱的壓力云圖

圖8 滑動支撐應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語

通過對核心機(jī)試車臺穩(wěn)壓系統(tǒng)的設(shè)計與驗證，初步得出以下結(jié)論：

1）在穩(wěn)壓系統(tǒng)的設(shè)計中，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，按照方案設(shè)計、設(shè)計確認(rèn)和優(yōu)化設(shè)計的正向設(shè)計流程，可以提升結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

2）在安裝空間有限的條件下，需要合理布局整流裝置，改善系統(tǒng)的流場特性，使穩(wěn)壓系統(tǒng)出口的氣動性能滿足試驗要求。

圖9 穩(wěn)壓箱的位移云圖

圖10 滑動支撐位移云圖