航空發動機典型徑向預旋噴嘴流量特性試驗研究

鄧維

摘 ?要：本文對航空發動機典型的葉片式徑向預旋噴嘴的流量特性進行了試驗研究，獲得了該噴嘴的總壓損失和換算流量隨壓比的變化關系，并分析得到了不同壓比下噴嘴的流量系數。研究結果表明，噴嘴的總壓損失隨著壓比的增大而增大;在一定范圍內噴嘴的換算流量隨著壓比的增大而不斷增加，當達到臨界狀態后，噴嘴的流量系數趨于穩定。

關鍵詞：徑向;預旋;噴嘴;試驗研究

對于目前的航空發動機渦輪冷卻系統而言，為了提升其冷卻效果，通常采用進氣預旋的方式。國內外許多學者對預旋系統內的流動和換熱做了大量研究。Meierhofer和Franklin[1]最早測量了預旋系統中預旋對接收孔內冷氣溫度的影響;胡偉學[2]、鄭慶[3]等分別采用數值分析和試驗方法分析了不同徑氣角度對預旋特性的影響。但國內外對預旋系統的試驗研究中通常會對實際結構進行很大程度的簡化，雖然這樣做使得研究結果的通用性增強，但這是以犧牲專用性為代價的。本文對一個典型的葉片式預旋系統進行了試驗研究，獲得了壓比對噴嘴進出口總壓損失和流量特性的影響以及不同壓比下噴嘴的流量系數。

1 試驗系統介紹

1.1 試驗裝置

為了對預旋噴嘴的進口氣流條件進行模擬以及對其流通流量和進、出口壓力參數進行監測，本試驗設計了一套試驗裝置，其簡化示意圖如圖1所示。

1.2 試驗件

本試驗所采用的預旋噴嘴為徑向葉片式噴嘴，葉片數量為18個，喉部面積為19.38mm2，整個噴嘴的流通面積為348.84mm2。

1.3 試驗狀態

在典型的發動機空氣系統中，預旋噴嘴的進口高壓冷氣一般在400℃以上，而溫度因素對預旋噴嘴的流通能力和總壓損失影響相對較小，因此為了降低試驗難度，試驗選在常溫狀態下進行。為了更好的將試驗結果與真實發動機狀態下噴嘴的流量特性進行對比，需要將流量換算成標準狀態下的流量即換算流量，其定義如式（1）。

2 試驗結果及分析

評價一個預旋噴嘴設計好壞的依據一般包括其進出口流體的溫降、進出口總壓損失以及流通能力等。本試驗中難以測得準確的出口流體相對總溫，因以無法獲得噴嘴進出口溫降結果。圖2為壓比對噴嘴進出口總壓損失的影響，從圖中可以看出：隨著壓比增大，氣流的速度增大，增加了氣體的摩擦及氣動損失，因此噴嘴的總壓損失不斷增加，且基本上呈線性增大的趨勢。

圖3為壓比對換算流量的影響，從圖中可以看出：在一定范圍內，隨著壓比增大，換算流量不斷增大;在小壓比時換算流量增速較快，隨著壓比增大換算流量的增速不斷變慢，當壓比接近臨界狀態時，噴嘴喉部速度已經接近聲速，此時已達到噴嘴的最大流通能量，再增加進口壓力流量也不再變化。

3 流量系數計算分析

本文采用的理論流量計算公式如式（2）所示。

圖4給出了本試驗采用噴嘴結構的流量系數隨著壓比變化的趨勢。從圖中可以看出：當壓比小于1.3時，流量系數基本保持在0.63左右，此時增大壓比流量系數增加不明顯;但當壓比大于1.3時，流量系數隨著壓比增加而不斷增大直至接近臨界狀態，此時，流量系數基本不再隨著壓比增大，而是穩定在0.85左右。

4 結論

本文對典型的葉片式徑向預旋噴嘴的流量特性進行了試驗研究，得到如下結論：

1）隨著壓比增大，預旋噴嘴的總壓損失不斷增加，且近似呈線性增大的趨勢。

2）在一定范圍內，隨著壓比增大，換算流量不斷增大;在小壓比時換算流量增速較快，隨著壓比增大換算流量的增速不斷變慢，當壓比增大到接近臨界狀態時，換算流量基本不變。

3）當壓比較小時，流量系數基本保持在一個比較低的水平;但當壓比逐漸增大時，流量系數隨著壓比增加而不斷增大直至接近臨界狀態，此時，流量系數基本不再隨著壓比增大，而是基本保持不變。

參考文獻

[1] ?Meierhofer B.，and Franklin C.J.An investigation of a preswirled cooling airflow to a turbine disc by measuring the air temperature in the rotating channels[A]. ASME Paper，81-GT-132，1981

[2] ?胡偉學，王鎖芳，毛莎莎.預旋噴嘴徑向角度對預旋特性影響的數值研究[J].航空動力學報，2019，34（1）：84-91.

[3] ?鄭慶，馮青，陳堯，張博.收縮形預旋噴嘴流場的實驗研究[J].機械與電子，2014（3）：14-17.