CFD技术在航空发动机空气系统设计中的应用

沈 毅，李云单，吕春雁，牟宇飞

(中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 1100015)

0 引言

作为航空发动机主要零部件和有关系统，空气系统在整个工作包线内的内部工作环境以及热状态设计，担负着为发动机提供可靠工作环境的重任，是保证发动机以高性能安全运行的重要系统之一。空气系统设计分析技术的发展在某种程度代表着航空发动机的设计水平。

由于计算机资源的限制和及空气系统结构本身的复杂与多样性，CFD技术无法对航空发动机空气系统进行数值模拟。在工程设计与计算时，采用的1维方式简化处理，必然带来误差。在流动方面的误差不但直接影响某些关键零部件的温度预估结果，而且也无法完成对某些结构的优化设计评估。采用商用CFD软件,可以对局部流动与换热特性进行更详细地分析，为温度预估提供高精度的边界条件，可满足结构优化的设计需要。

1 航空发动机空气系统

空气系统也叫2次流系统，其工作过程是从压气机适当位置抽取空气，通过发动机主通道的内侧或外侧的各种流动结构元件（孔、管路、封严环和特定结构形成的腔道等），按照设计流路要求的流动方向流动并完成各项规定功能，最后从确定的主通道的若干部位排出，与主流汇合或直接泄漏到机体外部排入大气。

某典型发动机局部空气系统流路及组成如图1所示。图中标示了气流的流动方向及相应的功能。

2 1维数值模拟技术

2.1 基本原理

从图1中可见，空气系统是由影响到气流沿程的压力、温度和流量变化的结构（如篦齿孔、各种旋转盘腔等流动元件）组成的。发动机元件形式多种多样，如篦齿（seal）、盘心和轴之间的通道、机匣上的孔、预旋喷嘴等。不同结构形式的元件具有不同的流动和换热特性。在工程设计与计算时，通常采用1维方式处理各流动单元的流动与换热特性，也就是把这些元件根据几何和流动的特点典型化，将发动机空气系统模化成1个由多种类型元件（单元）串联和并联组成的网络，连接各元件的称为腔（或节点）。通过迭代求解，得到整个网络的压力和温度分布和流量分配情况。

按照上述思路，空气系统流路（图1）就可以模化成与如图2所示的类似网络。

2.2 1维计算结果特点分析

在网络中，每个元件的流动和换热特性是决定气体压力、温度和流量的重要数据。在1维数值模拟计算时，这些数据的精度由所采用的准则公式（经验公式）与发动机结构的吻合程度及其适用范围决定。绝大部分经验准则公式来源于试验数据，而试验对象的结构形式与发动机真实结构总是存在差异，而试验结果也不可能考虑到所有的影响参数，其适用范围一定是有限的。上述因素都直接影响1维数值模拟结果的精度。Zimmermann指出，CFD技术是提高经验公式的准确程度，或者通过数值试验方式扩大其有效范围的1种有益手段[1]。

此外，在工程设计中，还需要应用CFD技术为空气系统设计提供更详细的设计依据信息。1维数值结果可以比较全面地反映各分支的流量分配情况、关键腔室的压力和温度数据，从大的方面判断整个空气系统的特性。但对于一些流动、换热条件比较复杂的结构而言，1维数值结果无法反映局部气体的详细流动情况，也无法详细了解各方面因素对分析结果的影响；由于对某些结构进行了简化，也无法提供评估结构优化设计的支持数据。因此，进行局部结构的CFD计算非常必要。

3 CFD技术的应用

商用CFD软件采用的流体理论和数值算法经过长期的科学论证，比较成熟，可以用于处理发动机集气腔、涡轮盘腔、管路、篦齿等局部流动比较复杂空腔的流动、传热传质问题。对于某些不考虑旋转因素的流动与换热数值模拟，其分析结果的可信度更高。本文以发动机上常见的集气腔、涡轮叶片内冷气导管为研究对象，讨论CFD技术在发动机空气系统设计中的应用情况。

3.1 涡轮冷却空气集气腔设计分析

涡轮冷却空气集气腔设计的目的是将外部管路引入的高压低温气体在此腔均压后，从下游各导叶内部通道进入涡轮盘腔，实现对盘组件的冷却。集气腔内部压力均匀，有利于进入涡轮盘腔的冷气温度、压力周向均匀，对涡轮部件的冷却是有益的。

针对2种集气腔结构，分别取整环的1/4和1/8作为研究对象，根据CFD分析的流动情况，提出了几种结构方案。方案1、2是根据第1种集气腔的结构情况做的改动，具体结构如图3～6所示；方案3是第2种集气腔结构的改动情况，其结构如图7、8所示。集气腔各出口的不均匀性分析结果如图9所示，各结构方案的出口流量不均匀性对比见表1。

表1 各出口流量的均匀性比较

从分析结果可知，几种改进方案的各出口气流流量都比原方案的分布均匀如图10所示，其中方案3的效果最好。这主要是由于进入集气腔的引气管数量较少，虽然周向分布基本均匀，但2个引气管之间的区域压力相对较小。方案3在正对引气管出口的下方增加了挡板，避免了气流进入集气腔后直接从最近的出口排出，改善了各出口的均匀性。另外，第2种集气腔的均匀性优于第1种集气腔的，也是由于第2种集气腔的引气管数量较多，有助于提高腔内压力分布的均匀性。

3.2 低压涡轮导向叶片冷气导管内气体沿程温度分析

航空发动机低压涡轮导向叶片通常是1个空心叶片（其结构如图11所示），作为从发动机外部引入的涡轮盘组件冷却空气的通道。为了尽量减少叶身外表面燃气的冲刷对冷气温度的影响，在导向叶片内部安装冷气导管。

进行导管内冷气沿程温升数值模拟，以寻找影响冷气沿程温增的主要因素。分别模拟了带导管和不带导管2种情况，同时考虑了叶片表面的燃气温度水平以及通过叶片内部的冷气流量对气流沿程温增的影响。计算模型及数值模拟结果如图12、13所示，数据统计见表2。

表2 计算结果对比

由此可见，去掉冷气导管虽然对提高导叶的流通能力起到一定作用，但对控制冷气的沿程温增来说，却有些得不偿失。虽然冷气导管与叶身的接触面积很小，但燃气温度依然是影响气体沿程温增的最主要因素。

4 结束语

在进行涡轮冷却空气集气腔结构设计时，要考虑到由于引气管布置的影响，必然会导致集气腔内压力分布不均匀，从而导致集气腔各出口的流量不均，是下游流路冷却设计的不利因素。通过结构调整，如在引气管的出口部位增加挡板，改善局部的不均匀性，在一定程度上消除了该不利因素。

低压涡轮导向叶片内冷气沿程温增的试车测试结果高于设计预期。通过CFD分析，综合考虑各方面的影响，认为燃气温度的水平、冷气流量是影响该温增的最主要因素。此分析结果可以通过部件试验进行验证。

尽管CFD技术已经应用于航空发动机静子件的流动分析，是空气系统设计的有益补充。但在应用过程中，以下因素影响了CFD技术发挥更大的作用。

（1）商用CFD软件界面友好，上手快。但数值模型的网格质量、分析结果的收敛性对分析结果的正确性影响很大。这对使用者的技术水平要求较高，只有经验丰富的使用者的分析结果才具有参考价值。

（2）商用CFD软件模拟流动与换热现象的数学模型很丰富，具有很强的通用型，但在处理发动机某些复杂结构时，模型的针对性则不足。此时CFD分析结果只能作为设计工作的参考。为了提供准确度较高的定量分析结果，还需要大量试验验证的数据支持。

（3）对发动机的热端部件尤其是转子件的温度预估十分重要。目前CFD技术对于转动系、转转系的流动分析，尤其是换热特性分析仍有较大误差，需通过更多试验研究来完善。

综上所述，在整机空气系统设计时，只能将局部流动比较复杂的结构作为1个或几个元件进行处理，对元件内部的流动组织情况、各因素对温度的影响程度无法给出定量结果,这种处理方法可以满足发动机初步设计阶段的要求，但无法对发动机冷却结构的细节设计提供更高精度的指导。CFD应用使得流动与换热的细节分析成为可能，为结构改进设计、部件试验验证和整机试车参数的测试结果分析等工程研制工作提供了数据支持。但为了在空气系统设计时更好地应用CFD技术，还需要进行大量针对性试验研究，实现对湍流模型等主要影响分析结果因素的修正，提高应用于航空发动机空气系统设计分析的成熟度。这也是航空发动机空气系统设计技术进一步深化研究的方向之一。

[1]]Zimmermann H.Some aerodynamic aspects of engine secondary air systems [J].Journal of Engineering for Gas Turbine and Power.1990,112:223- 228.

[2]航空发动机设计手册总编委会.航空发动机设计手册（第16册）[M].北京:航空工业出版社，2001.