涡轴发动机整机S2参数化流道造型及数值仿真

胡燕华，周七二，蔡显新

（1．南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016;2．中航工业航空动力机械研究所，湖南株洲 412002）

涡轴发动机整机S2参数化流道造型及数值仿真

胡燕华1，2，周七二2，蔡显新2

（1．南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016;2．中航工业航空动力机械研究所，湖南株洲 412002）

建立了一种涡轴发动机整机S2参数化流道造型方法，采用某S2数值仿真软件完成了某涡轴发动机的整机计算。计算表明S2参数化流道造型方法简单、有效，仿真软件对涡轴发动机进行整机稳态计算的精度基本满足计算要求，为涡轴发动机整机多学科设计优化奠定了基础。

涡轴发动机;整机;参数化流道造型;数值仿真

航空发动机数值仿真技术是将现代相关学科最新研究成果、多年积累的实践经验及现代计算机技术、信息技术等融合贯通，综合应用于发动机研制的一种手段，是现代先进发动机研制技术的一个重要发展方向，是计算流体力学（CFD）、计算结构力学（CSD）、计算机仿真技术和现代信息技术等最新成果在航空发动机上的综合应用。航空发动机的数值仿真模型根据精度不同，分为零维、一维、准三维和三维。随着计算机通信技术的迅猛发展和计算机计算能力的突飞猛进，大规模的发动机部件复杂流场、温度场、强度分析和优化设计成为可能，实现了发动机部件的三维数值仿真。但是，单独的发动机部件数值仿真与优化设计存在着边界条件不真实、各部件之间匹配联系不紧密的弱点，而这将极大的限制数值仿真技术的应用效果。［1］因此，将发动机部件数值仿真技术的成果进一步发展，结合数值传递技术、多学科优化技术与必要的实验修正，实现统一平台上发动机整机的数值仿真就成为技术上可行的航空发动机仿真与优化设计的发展方向。本文应用的某数值仿真软件可以对部件、整机进行数值模拟，考核部件、整机的性能指标，以及各部件在整机环境中的匹配关系，将发动机总体分析能力从零维、一维提高到准三维的水平。

在建立了一种涡轴发动机整机S2参数化流道造型的基础上，利用S2软件进行了某涡轴发动机总体计算工作，包括发动机整机的网格划分、计算、损失模型初步给定和结果分析等。

1 S2参数化流道造型

涡轴发动机整机S2参数化流道造型由直线、圆弧、样条曲线首尾相连组成。［2］其中直线由前后端点的X（轴向坐标）、R（径向坐标）控制;圆弧由前后端点加中心点的X、R坐标控制;样条曲线由分布点的X、R坐标控制。再在控制点中插值生成新的流道，满足优化要求。［3］

压气机部分的流道划分和流道参数控制如图1所示。

图1 压气机流道划分示意图

2 涡轴发动机计算

本文利用该软件进行了某涡轴发动机总体性能计算。发动机整机模型的计算网格如图2所示，图3至图6分别为计算得到的马赫数、压力、温度等值线图及速度矢量图。

图2 计算网格图

图3 马赫数等值线图

图4 压力等值线图

图5 温度等值线图

图6 速度矢量图

发动机各个部件、总体的计算结果及计算结果与实验值的比较见表1。

表1 发动机各个部件、总体的计算结果

3 计算结果分析

从计算结果看，压气机S2计算的结果与试验值相比较，流量偏高，效率和压比偏低;这主要是由于该发动机轴流部分的转子后静子叶片带端弯，并为串列叶栅结构，为了能够计算对计算模型进行了处理，导致计算轴流部分的计算结果比试验值偏低。

在本次计算中，燃烧室由于结构比较复杂，在建模过程中对模型进行了简化处理。从计算的图形中看温度、压力分布参数分布比较合理。

涡轮S2计算的结果与试验值相比较，效率和流量偏高，膨胀比偏高。

由于以上原因使得总体S2计算的功率比试验值偏低。

通过该涡轴发动机的整机S2仿真计算验证，各个部件的计算值与试验值比较接近（3%以内），能够初步满足设计中的应用。程序本身自带的损失模型用在整机的计算中还存在较大的误差，需要通过经验数据修正损失模型，得到相对准确的各部件的性能参数。

4 结论

航空发动机整机S2数值仿真模型计算结果与试验数据对比分析结果表明该模型的计算结果的变化规律正确，能够初步用于航空发动机的总体性能机部件匹配性能计算，但计算精度有待于进一步提高。

发动机整机的S2数值仿真和多学科优化是从“传统设计”向“预测设计”转换的重要途径，对提升现阶段航空发动机设计技术手段意义重大。［4］本文是关于发动机整机S2数值仿真的起步研究工作，为深入研究航空发动机的数值仿真技术和整机多学科设计优化方法奠定了初步基础，但仍存在一些问题，如计算结果收敛性不好，需要大量的经验数据修正损失模型等。

针对现阶段存在的主要问题，需要在下一个阶段开展以下方面的工作：S2计算软件的修改和完善;研究损失系数的给定，进一步提高计算精度;将S2仿真软件与发动机整机多学科优化平台融合。［5］

［1］CIAM．S2 Euler code for gas flow calculation through gas turbine engine flow passage User’s guide［R］．2006．

［2］王剑．S2仿真程序压气机部件初步计算报告［R］．中国航空动力机械研究所科研报告，2006．

［3］彭剑勇．S2仿真程序燃烧室部件初步计算报告［R］．中国航空动力机械研究所科研报告，2006．

［4］许如琦．S2仿真程序涡轮部件初步计算报告［R］．中国航空动力机械研究所科研报告，2006．

［5］卫刚．发动机整机仿真在工程设计中的应用［R］．中国航空学会第一届航空发动机数值仿真与数字优化设计学术交流会，2008．

［编校：张芙蓉］

S2 Parametric Channel Modeling and Numerical Simulation for a W hole Turbine－shaft Engine

HU Yanhua1，2ZHOU Qi＇er2，CAIXianxin2
（1．Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing Jiangsu 210016; 2．AVIC Aero－engine Powerplant Research Institute，Zhuzhou Hunan 412002）

The paper establishes a S2 parametric channelmodelingmethod for a whole turbineshaft engine by using a certain S2 numerical simulation software to complete the calculation of a whole turbine－shaft engine．Calculations show that the S2 parametric channelmodelingmethod is simple and effective，and the accuracy after simulation software＇s calculating turboshaftengine＇steady state can basicallymeet the calculating requirement．Thus thismay lay a good foundation formultidisciplinary design optimization of a whole turbine－shaft engine．

turboshaft engine;machine;parametric modeling flow;simulation

V235．12

A

1671－9654（2011）01－033－04

2010－12－06

胡燕华（1981－），女，湖南株洲人，工程师，工学硕士，研究方向为发动机结构强度。