帶葉片渦輪盤腔氣流增壓溫降特性數(shù)值模擬研究

郝鑫，連文磊，尚登閱

(南京航空航天大學，能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

預旋系統(tǒng)作為航空發(fā)動機氣流冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，極大地影響了渦輪葉片冷卻氣流的冷卻效果。如何優(yōu)化預旋系統(tǒng)的結構設計，進一步對冷卻氣流進行優(yōu)化利用，更加有效地滿足渦輪葉片的冷卻要求是渦輪葉片冷卻技術后續(xù)發(fā)展的一個重要研究方向。

KILIC M[1]利用Navier-Stokes方程對盤腔內結構下的流動和傳熱特性進行了數(shù)值模擬。SNOWSILL G D[2]分析了轉靜交界界面的處理方式對數(shù)值計算結果的影響，證明Frozen Rotor處理方法耗時更少，并可以取得很好的結果。肖競雄等[3]研究了徑向進氣裝置進氣孔數(shù)量、尺寸的變化,總壓恢復系數(shù)與畸變指數(shù)的變化規(guī)律。王鎖芳等針對隨著盤腔進氣徑向位置[4]、預旋噴嘴的徑向角度[5]對氣流旋流比、徑向預旋系統(tǒng)溫降系數(shù)及總壓損失系數(shù)變化影響規(guī)律進行了研究。

以上及其他相關研究大多集中在盤腔傳熱的基礎研究上，對渦輪盤腔內部結構對流動的影響涉及得較少。本文將針對渦輪盤腔內部對冷卻氣流溫降增壓效果的影響展開研究，并分析影響溫降增壓效果的主要因素、相應的評價標準以及各影響因素的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

本文根據(jù)實際航空發(fā)動機渦輪盤腔的實際設計尺寸，進行了渦輪盤腔的幾何模型構建如圖1所示，并根據(jù)渦輪引氣系統(tǒng)實際內部流場，對模型進行了適當?shù)暮喕瑯嫿巳鐖D2所示的渦輪盤腔內部的流體域計算模型。由于該模型具有周期性，選取了模型的1/7作為計算域。

圖1 渦輪盤腔的幾何模型

圖2 渦輪盤腔內部流體域

1.2 數(shù)值計算方法

本文研究的內容是穩(wěn)態(tài)流動，各物理量可以取穩(wěn)態(tài)下的時均值。計算模型的邊界條件由實際航空發(fā)動機的實際工況來確定，預旋噴嘴的進口設置為壓力進口邊界，給定進口總壓、總溫和出口壓力，出口設置為流量出口。轉靜交界面采用Frozen Rotor法處理，采用RNG 湍流模型作為計算模型，并選用CFX軟件進行計算。壁面的y plus在30～300之間；入口處的湍流強度為5%，渦流黏度比為10，密度、動量、湍動能、湍動能耗散率以及能量的離散格式均為1階迎風，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。收斂標準為各項殘差均<10-4，出口相對總溫的殘差變化趨于穩(wěn)定。在相關文獻中也利用試驗結果對該模型進行了驗證[6]，證明了計算方法的可行性(圖3)[7]。

圖3 溫降計算值與試驗值的對比

1.3 參數(shù)定義

由于渦輪葉片冷卻氣流主要服務于高速旋轉的渦輪葉片的冷卻工作，旋轉系下的相對總溫對其實際工作效果更具有參考意義[8]，故選定無量綱溫降θ為溫降效果的參考量，同時氣流壓比也影響著冷卻氣流的冷卻效果。上述性能參數(shù)的定義如下：

1)無量綱溫降

無量綱溫降θ是有關進口總溫和旋轉坐標系下出口相對總溫的無量綱參量，定義如下：

(1)

(2)

2)壓比

在絕熱的旋轉盤腔中，靜壓增加，相對總壓保持不變，總壓變化等于動壓變化和靜壓的變化。

π=Pout/Pnozzle

(3)

3)旋流比

為研究關鍵性能參數(shù)的影響變化規(guī)律，現(xiàn)選取旋流比為設計過程中的無量綱設計參量，旋流比的定義如下：

(4)

式中：Vφ為周向速度，m/s；ω為軸向角速度，rad/s。將上式代入相對總溫的定義式(2)，則有

(5)

對預旋系統(tǒng)來說其靜溫是固定不變的，所以當旋流比β接近于1的時候，相對總溫最低。

2 研究結果

針對渦輪盤腔內葉片設計參數(shù)對冷卻氣流的影響規(guī)律，本節(jié)針對葉型設計、葉片長度以及葉片構型等主要參數(shù)展開分析，同時選擇旋流比為設計過程中的主要無量綱參考量。

2.1 葉型設計對溫降增壓效果的影響

根據(jù)葉片的流動規(guī)律和實際加工制造的可行性，初步選定葉片進口位置為距渦輪盤腔中心半徑100mm處，出口安裝位置為半徑130mm處。并基于直葉片、彎曲葉片和彎扭葉片設計了3種基本葉型，各葉型下的盤腔內部氣流流場如圖4、圖5所示。

圖4 不同葉型下的盤腔內部的流場(旋轉系下)

圖5 不同葉型典型工況下旋流比分布圖

由流場圖可以看出，相對于空盤，添加葉片的各盤腔出口處的周向相對速度均顯著降低。這是由于導流葉片使得盤腔內部氣流的周向速度上升，與旋轉盤腔的相對速度差逐步減小，從而實現(xiàn)了相對速度的降低，進一步使相對總溫下降。其中彎扭葉片的流動分離區(qū)域最小，所造成的壓力損失相對較小，結合葉片所帶來的增壓效果較好。

對比不同葉型的旋流比分布圖可以發(fā)現(xiàn)，布置導流增壓葉片對整個盤腔內部旋流比分布均會產生影響。空盤內部旋流比分布呈層狀分布，受半徑位置旋流比逐步下降的影響。葉片的存在改變了旋流比變化規(guī)律，明顯提升了高半徑出口位置的旋流比，并使盤腔內部大部分區(qū)域的旋流比接近于1，從而提升靜壓和總溫降，提升了導流系統(tǒng)總體性能。

圖6、圖7為典型工況下3種基礎葉型的渦輪盤腔與空盤的無量綱溫降及壓比變化曲線圖。3種基礎葉型的無量綱溫降、壓比相差不大，但均遠好于空盤，彎扭葉型的溫降效果最為優(yōu)秀，計算結果與流場及旋流比分析的預估結果一致。

圖6 典型工況下各葉型無量綱溫降

圖7 典型工況下各葉型壓比

2.2 葉片長度對溫降增壓效果的影響

為避免因長度變化帶來的葉片葉型變化所造成的影響，對比不同葉片數(shù)時均選取直葉片進行數(shù)值計算，選擇典型工況作為計算工況，盤腔內葉片數(shù)均選為7片，選擇葉片的出口半徑為130mm，葉片的進口半徑分別取為80mm、90mm、100mm、110mm。圖8、圖9為不同葉片長度與不同葉片旋流比對流場及分布的影響。

圖8 不同葉片長度下的盤腔內部流場(旋轉系下)

圖9 不同葉片長度的旋流比分布圖

圖8中葉片長度越短，出口處的流動分離區(qū)影響范圍越大。增加葉片長度主要影響了低半徑處的氣流流動方向，使得氣流提前偏轉，強化了對氣流的增壓效果，同時隨著葉片長度縮短，流動分離尾跡區(qū)逐步增大，造成出口位置的流動不均勻，會產生較大的壓力損失。

從圖9中可以看出隨著葉片的長度的增加，高旋流比分離區(qū)逐步減小，盤腔內部大部分區(qū)域旋流比均更為接近于1。總體來看，盤腔內部旋流比變化較大的區(qū)域主要集中在葉片附近，其他區(qū)域旋流比變化不大，加長葉片主要對底半徑處葉片附近區(qū)域的旋流比產生了影響。

圖10、圖11中的數(shù)值計算結果與流場及旋流比分析結果一致。雖然不同葉片長度長度間的無量綱溫降相差較小，但是隨著葉片長度增加，無量綱總溫降依舊有著升高的趨勢。因此，可以認為葉片在低半徑處可以提高系統(tǒng)的溫降效果，但是總體來說提升力有限，可以認為加長葉片長度能夠在一定范圍內提升溫降增壓效果。

圖10 不同葉片長度無量綱溫降變化

圖11 不同葉片長度壓比變化

3 結語

本文通過對空氣預旋系統(tǒng)渦輪盤腔進行數(shù)值模擬，對其內部結構采用添加葉片的方式進行優(yōu)化設計，并進一步研究了葉型設計、葉片長度、葉片數(shù)對冷卻氣流的溫降增壓效果的影響，得出了以下結論：

1)渦輪盤腔的作用機理是通過導流葉片的導流增壓效果使得盤腔內部氣流的周向速度升高，從而使得盤腔旋轉系下氣流的相對速度下降，達到降低相對總溫的效果，同時可提高氣流的壓比。優(yōu)化效果的主要影響因素是氣流旋流比，全局流場旋流比均接近1時，優(yōu)化效果最為明顯。

2)葉型設計對渦輪盤腔優(yōu)化效果有著顯著影響。在不同工況下，布置葉片均能對溫降增壓效果產生收益，其中彎扭葉型帶來的收益最高。

3)葉片長度對溫降增壓效果影響較大，加長葉片長度能有效增強對冷氣流的導流增壓效果，但隨葉片加長而帶來的收益會逐漸降低。