帶進(jìn)氣角度接受孔徑向預(yù)旋流動特性數(shù)值研究

韋光禮，王鎖芳，陸海，羅鐵彬

(1. 國營長虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541002； 2. 南京航空航天大學(xué) a. 能源與動力學(xué)院；b. 航空發(fā)動機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

在滿足發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作的前提下，針對渦輪部件的冷卻，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流路，以降低冷氣壓力損失和溫度，這長期以來都是空氣系統(tǒng)研究中的一個核心問題。渦輪葉片根部的冷卻介質(zhì)主要來自于預(yù)旋系統(tǒng)的冷氣。冷氣經(jīng)過在噴嘴中加速膨脹，提升氣流周向速度，同時降低氣流在轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系下氣流相對總溫，進(jìn)而增強(qiáng)渦輪葉片等部件冷卻效果。現(xiàn)有研究表明接受孔進(jìn)氣角度的結(jié)構(gòu)形式對冷氣品質(zhì)提升有關(guān)鍵性的作用。

SCRICCA J A等[1]和GRANOVSKIY A等[2]認(rèn)為合理設(shè)計(jì)噴嘴最佳的安裝位置能夠提升冷氣品質(zhì)，提高溫降。 LEWIS P等[3]獲得了不同噴嘴安裝向位置對預(yù)旋溫降與流阻變化規(guī)律。DITTMANN M等[4]研究了帶倒圓角接受孔的流量系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其能夠降低流阻提升量系數(shù)。BRICAUD C等[5]對多個接受孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得流量系數(shù)與孔徑之間關(guān)系式。YAN Y Y等[6]針對直導(dǎo)式預(yù)旋摻混氣流開展數(shù)值與試驗(yàn)驗(yàn)證方法，結(jié)果表明：氣流的摻混作用，增加了系統(tǒng)流阻。朱曉華等[7-8]獲得了流量系數(shù)主要受到氣流流量和相對速度方向與接受孔中心線之間角度影響的結(jié)論。張建超等[9]發(fā)現(xiàn)進(jìn)口壓力一定時，長徑比和接受孔面積的增加能夠提升預(yù)旋系統(tǒng)的溫降系數(shù)。陳帆等[10]發(fā)現(xiàn)接受孔周向角度對預(yù)旋溫降系數(shù)有較大影響。蔡旭等[11]通過試驗(yàn)得到靜止壁面靜壓與系統(tǒng)流量和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系準(zhǔn)則。IDRIS A等[12]獲得轉(zhuǎn)動條件下流量系數(shù)和氣動參數(shù)以及接受孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬合關(guān)系式。張凱等[13]研究了帶狹縫型接受。鄭笑天等[14]對不同接受孔形狀開展研究。

基于文獻(xiàn)分析，國內(nèi)外學(xué)者僅針對軸向式預(yù)旋系統(tǒng)接受孔開展研究，而對于面向小型航空發(fā)動機(jī)徑向式預(yù)旋系統(tǒng)研究較少。接受孔在預(yù)旋系統(tǒng)中具有較大的節(jié)流效應(yīng)，目前研究的預(yù)旋接受孔結(jié)構(gòu)垂直于盤腔，而小型航空發(fā)動機(jī)徑向預(yù)旋系統(tǒng)半徑小，轉(zhuǎn)速大，導(dǎo)致氣流以一定角度進(jìn)入接受孔與撞擊壁面，產(chǎn)生較大氣動損失，對預(yù)旋系統(tǒng)的溫降與流動阻力產(chǎn)生影響。因此有必要研究一種新型接受孔結(jié)構(gòu)能夠?qū)饬髌鸬綄?dǎo)流作用，減少氣流的氣動損失，使帶徑向進(jìn)氣角度接受孔能夠滿足現(xiàn)有研究的需求。

1 計(jì)算模型及計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

基于小型航空發(fā)動機(jī)開展徑向預(yù)旋系統(tǒng)研究，具體模型如圖1(a)所示。徑向預(yù)旋系統(tǒng)主要由靜止域和旋轉(zhuǎn)域組成，其中靜止域包括集氣腔、葉柵噴嘴，旋轉(zhuǎn)域包括預(yù)旋腔、徑向接受孔、旋轉(zhuǎn)盤腔和供氣孔。本文系統(tǒng)模型中，預(yù)旋噴嘴和接受孔沿周向分布，其中16個預(yù)旋噴嘴和24個接受孔，考慮到徑向預(yù)旋系統(tǒng)周期性，對模型的1/8開展三維穩(wěn)態(tài)仿真。圖1(b)中給出了系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的示意圖，表1給出詳細(xì)尺寸參數(shù)。葉柵噴嘴預(yù)旋角為20°，接受孔徑向角度α變化范圍為0°～60°之間，Rb=83 mm為旋轉(zhuǎn)盤腔最大徑向位置。

圖1 計(jì)算模型

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 計(jì)算方法

文獻(xiàn)[13]中徑向預(yù)旋系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和本文的三維結(jié)構(gòu)相似。利用文獻(xiàn)[13]的試驗(yàn)工況設(shè)置數(shù)值仿真邊界條件，比較湍流模型對系統(tǒng)溫降的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 湍流模型驗(yàn)證

比較兩種湍流模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢，RNGk-ε總體變化趨勢和試驗(yàn)結(jié)果較為接近。因此本文選RNGk-ε模型作為湍流計(jì)算模型。

基于Workbench-Mesh網(wǎng)格劃分在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜型面進(jìn)行網(wǎng)格加密，在5×105～10×105之間網(wǎng)格數(shù)開展數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)>7×105，不同網(wǎng)格量計(jì)算結(jié)果的總壓損失系數(shù)偏差在0.6%左右，因此選擇計(jì)算模型為8×105網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖3給出了預(yù)旋腔為網(wǎng)格邊界層示意圖。

圖3 網(wǎng)格示意圖

1.3 邊界條件

本文運(yùn)用商業(yè)軟件ANSYS CFX17.2對模型進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)求解，模型設(shè)置旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件，氣流設(shè)置為可壓縮，物性參數(shù)隨溫度的變化而變化，預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)口給定氣流總溫和總壓，其中總壓為1440kPa，總溫為800K；系統(tǒng)出口給定平均靜壓，靜壓值900kPa。旋轉(zhuǎn)域給定旋轉(zhuǎn)角速度變化范圍(1570rad/s～4188rad/s)。本文數(shù)據(jù)處理方式為Massflow Ave。

2 參數(shù)定義

2.1 旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)

定義旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)為Reω

(1)

式中：ω為旋轉(zhuǎn)盤腔的角速度，rad/s；b為旋轉(zhuǎn)盤腔最大半徑，m；ρ為氣流的密度，kg/m3。

2.2 旋流比

定義氣流旋流比Sr

(2)

式中：Vφ為氣流周向速度，m/s；R為氣流所在盤腔徑向位置，m。

2.3 溫降系數(shù)

定義溫降系數(shù)為ψ

(3)

參考文獻(xiàn)[13]，預(yù)旋系統(tǒng)在絕熱條件下，

(4)

2.4 總壓損失系數(shù)

定義總壓損失系數(shù)為ζ

(5)

2.5 流量系數(shù)

定義流量系數(shù)為CD

(6)

2.6 熵增

氣體的熵增為

(7)

3 計(jì)算結(jié)果分析與結(jié)論

3.1 流動特性

圖4給出的是不同進(jìn)氣接受孔角度在Reω=7.5×105和Reω=2×106時附近截面的流線圖。在低雷諾數(shù)Reω=7.5×105時(圖4(a))，由于接受孔旋轉(zhuǎn)線速度較低，而來流速度較大，當(dāng)速度接受孔角度為0°時，來流對接受孔左側(cè)壁面沖擊，并在接受孔右側(cè)壁面產(chǎn)生一個渦流2，隨著接受孔角度的增加，來流沖擊接受孔左側(cè)壁面強(qiáng)度增強(qiáng)，同時強(qiáng)制改變了氣流的方向，使氣流以一定角度進(jìn)入共轉(zhuǎn)盤腔增強(qiáng)對氣流的導(dǎo)向作用；接受孔角度為30°時，接受孔右側(cè)渦流2強(qiáng)度降低，說明在這個轉(zhuǎn)速條件下能夠使氣流更加順暢進(jìn)入共轉(zhuǎn)盤腔，但同時在接受孔共轉(zhuǎn)盤腔左側(cè)會產(chǎn)生回流渦1，且隨角度的增加，回流渦1越大。這是由于接受孔角度的變化帶來的導(dǎo)流效應(yīng)，更多的氣流流進(jìn)共轉(zhuǎn)盤腔，而接受孔出口左側(cè)的共轉(zhuǎn)盤腔氣流速度較低，由于高速氣流帶來的卷吸作用使得此處的氣流形成回流渦。

在高雷諾數(shù)Reω=2×106(圖4(b))，隨著轉(zhuǎn)速的增加，接受孔旋轉(zhuǎn)線速度增加，在接受孔角度較小時，氣流在接受孔內(nèi)渦流較小，隨著接受孔角度增加，接受孔右側(cè)渦流沿徑向遷移，接受孔角度50°時，渦流強(qiáng)度降低，氣流對左側(cè)壁面的沖擊，對來流有導(dǎo)向作用。

圖4 接受孔附近流線

圖5定量表明了隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加，共轉(zhuǎn)盤腔的泵效應(yīng)導(dǎo)致流量增大，流量系數(shù)相應(yīng)增加，在一定旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)條件下，接受孔流量系數(shù)隨著接受孔進(jìn)氣角度(0°～30°)范圍內(nèi)增大，接受孔流量系數(shù)逐漸增大。由于接受孔結(jié)構(gòu)對于氣流具有一定導(dǎo)向作用，有效流通面積增大。預(yù)旋系統(tǒng)流量增大導(dǎo)致流量系數(shù)增大。當(dāng)接受孔角度>30°時，氣流來流與接受孔壁面沖擊較大，在一定程度上抑制了氣流流動，導(dǎo)致接受孔流量系數(shù)逐漸降低。

圖5 流量系數(shù)隨接受孔角度變化

圖6和圖7是雷諾數(shù)為Reω=1.25×106時，不同接受孔進(jìn)氣角度下接受孔截面附近的靜壓云圖與接受孔進(jìn)口截面靜溫云圖。從圖上氣動參數(shù)的分布可知，30°接受孔附近截面靜壓<0°與60°，當(dāng)接受孔進(jìn)氣角度為60°時，靜壓最大，接受孔進(jìn)口截面靜溫分布在進(jìn)氣角度為60°時達(dá)到最大，30°時達(dá)最小。綜合以上云圖分析可知當(dāng)接受孔進(jìn)氣角度為30°時，接受孔中截面附近靜壓與接受孔進(jìn)口截面靜溫分布均低于其他接受孔角度，這是因?yàn)楫?dāng)接受孔角度為30°時，接受孔結(jié)構(gòu)對氣流導(dǎo)流效果達(dá)到最優(yōu)，使得預(yù)旋系統(tǒng)流量增大，預(yù)旋噴嘴不變的情況下，流量增大，導(dǎo)致噴嘴流道氣流速度增大，噴嘴出口截面靜溫與靜壓均降低，而接受孔附近靜溫靜壓的分布受到上游噴嘴出口截面影響，導(dǎo)致此處靜溫靜壓相應(yīng)降低。

圖7 接受孔進(jìn)口截面靜溫分布

3.2 溫降特性

在相同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)條件下，溫降隨著接受孔進(jìn)氣角度先逐漸增大后逐漸降低，當(dāng)進(jìn)氣角度為30°附近時達(dá)到最大(圖8)。這是由于當(dāng)進(jìn)氣角度較小時對氣流具有導(dǎo)向作用，氣流能夠順暢通過接受孔進(jìn)入共轉(zhuǎn)盤腔。隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加，溫降先增大，雷諾數(shù)>Reω=1.25×106時，由于轉(zhuǎn)速增加，氣流與壁面摩擦增加，導(dǎo)致氣流相對總溫升高，使得溫降開始降低。雷諾數(shù)為Reω=1.25×106時，接受孔進(jìn)氣角度為30°，無量綱溫降提高24.4%。

圖8 溫降系數(shù)隨角度變化規(guī)律

根據(jù)徑向預(yù)旋無量綱溫降以及絕熱情況可知，在絕熱情況下，保證一定旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)、預(yù)旋噴嘴徑向位置以及供氣孔徑向位置不變情況下，預(yù)旋噴嘴出口旋流比大小是影響無量綱溫降大小的關(guān)鍵因素。圖9是在Reω=1.25×106條件下，不同接受孔進(jìn)氣角度條件下，預(yù)旋系統(tǒng)關(guān)鍵部位旋流比分布。可知旋流比在預(yù)旋進(jìn)口至接受孔進(jìn)口逐漸增加，之后開始降低，噴嘴出口旋流比接受孔角度為20°較接受孔角度為0°提升8%。這是由于接受孔角度的變化對系統(tǒng)氣流具有一定的導(dǎo)流作用，系統(tǒng)流阻減小，流量增大，在噴嘴不變的情況下，噴嘴流道內(nèi)氣流速度周向速度增大，氣流靜溫減小，直接導(dǎo)致噴嘴出口旋流比增大，進(jìn)而提升了預(yù)旋系統(tǒng)的溫降，增加冷氣品質(zhì)。

圖9 旋流比沿程分布

圖10是當(dāng)Reω=1.5×106時各截面熵增分布情況。可發(fā)現(xiàn)接受孔進(jìn)氣角度的變化對整體熵增影響不大。隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加，轉(zhuǎn)動域的熵增出現(xiàn)了降低的趨勢，熵增較大增長變化率出現(xiàn)在接受孔出口與預(yù)旋出口這部分的流路中。

圖10 各截面熵增分布情況

4 結(jié)語

1)氣流在低雷諾數(shù)條件下，氣流周向速度高于轉(zhuǎn)盤線速度，導(dǎo)致氣流與接受孔壁面產(chǎn)生沖擊，在接受孔出口附近會形成渦流；在高雷諾數(shù)條件下，氣流周向速度接近轉(zhuǎn)盤線速度，接受孔進(jìn)氣角度<30°時，接受孔出口渦流效應(yīng)較小。

2)隨著接受孔角度增大，接受孔附近氣流的靜壓以及接受孔進(jìn)口靜壓先逐漸減小，當(dāng)大于一定接受孔進(jìn)氣角度時，相應(yīng)的靜壓與靜溫升高。

3)隨著接受孔角度的增加，接受孔流量系數(shù)先增大后降低。

4)預(yù)旋系統(tǒng)熵增隨著流路的變化逐漸增加，在接受孔出口至系統(tǒng)出口流路熵增增加較大。