脉冲式喷气调节涡轮流量的数值研究

张少博，史伟，刘火星

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家重点实验室，北京100191；2.先进航空发动机协同创新中心，北京100191）

脉冲式喷气调节涡轮流量的数值研究

张少博1，史伟1，刘火星2

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家重点实验室，北京100191；2.先进航空发动机协同创新中心，北京100191）

采用三维数值模拟方法，对在导叶表面射入脉冲式气流的涡轮流场进行计算，对比了脉冲式射流与静态射流对涡轮流量的影响，分析了脉冲频率、脉冲幅值对涡轮流量调节的影响规律。结果表明：在保证与静态射流同等工况调节效果的同时，脉冲式射流对涡轮的效率有所提升，低频率的脉冲喷气有更宽广的涡轮流量调节范围，较高幅值的脉冲喷气更有利于涡轮流量调节。

变循环发动机；涡轮；流量调节；脉冲频率；脉冲幅值；三维数值模拟

1　引言

超声速运输和多任务战斗机对发动机提出了两方面的要求：兼具高马赫数飞行状态和超声速巡航，以提高飞机生存能力；低油耗的经济工作状态以增强飞机远程奔袭能力。变循环发动机可改变自身的空气流量和单位推力以适应不同的飞行状态，在整个飞行包线内都能获得较好的性能，是未来发动机的发展趋势和方向［1-3］。为适应发动机工作过程中循环模式的改变，需要采取调节手段来调整涡轮部件的工作状态。

涡轮工况调节技术主要包括几何调节技术和气动调节技术，但其实质都是通过改变涡轮喉道的流通面积，来改变涡轮的流通能力。几何调节由于结构复杂及额外增重等弊端，降低了发动机的可靠性和推重比［4］。气动调节则因其具有结构简单、喷气可以利用涡轮导叶内部原有的冷却结构和空气系统等优点［5］，近年来越来越受到人们的重视。北京航空航天大学的杨旸［6］和付超［7］研究了叶片表面喷气对涡轮流量的调节，闫晨等［8］研究则是利用端区射流来调节涡轮流量，但以上研究的都是静态喷气对涡轮流量的影响。Saracoglu等［9］采用能量分析方法研究了高压涡轮导叶尾缘的脉冲式冷气射流，发现相对于不喷气状态，脉冲式射流使得尾缘损失显著降低。因此，借鉴尾缘脉冲式冷气射流的研究方案，对涡轮流量的气动调节技术进行深入研究，为未来变循环发动机的设计提供理论支持，具有重要的工程应用意义。

基于上述认识，本文采用三维数值模拟方法，研究叶片表面脉冲式喷气对涡轮性能的影响，探讨其对涡轮流量的调节规律。

2　研究对象及方法

2.1研究对象

根据总体设计要求和研究需求，选取某1+1对转涡轮的低压涡轮作为研究对象。通过在叶片表面开槽的方式，向涡轮气流通道内部引入一股高速气流，与主流相互作用。为将取自高压压气机的气流以很高的速度引入射流通道，选定拉法尔喷管作为喷气的气路装置，如图1所示。经优化研究后，选定喷气位置为94.38%轴向弦长处，喷气方向为垂直叶片表面。

图1　带超声速喷气通道的叶型Fig.1 Airfoil with supersonic airflow passage

2.2计算域和网格

数值模拟采用商业软件CFX12.1进行，模拟方法为时间追赶的有限体积法，并利用多重网格技术加速收敛。空间离散采用二阶迎风格式，时间离散采用二阶后差欧拉格式。湍流模型采用SST模型。计算网格如图2、图3所示，高压动叶叶尖间隙内部给定9个网格节点。环绕叶片表面均使用O型网格，导叶进口段和动叶出口段均增加一个H型网格与之相连。对于带有喷气通道的导叶，参照DENTON程序处理网格的思路，将网格分成多个部分进行拓扑，且导叶的压力面和吸力面不再作为一个整体，而是分开在两个周期面上，这样可避免在叶片周围采用O-block；在前缘、尾缘及喷气孔所在位置，将整体结构分成三个部分，并简化每一部分的拓扑。

图2　低压涡轮网格Fig.2 Low pressure turbine grid

图3　超声速喷气通道网格放大图Fig.3 Grid of supersonic airflow passage

数值模拟前，选择了4套网格进行网格无关性验证，网格分布如表1所示，模拟结果如图4所示。可见，随着网格数的增加，计算的导叶进口流量不断减小。Case 3和Case 4计算的导叶进口流量已趋于稳定且比较接近，因此下文所有算例选择Case 3所示网格数及网格节点分布进行计算。

表1　网格数分布Table 1 Grid number distribution

2.3算例选取

Saracoglu研究脉冲式冷却射流时，选取了频率为200 Hz、幅值为0.8倍平均值的正弦波形。基于此，本文选择喷气孔进口流量时均值为0.214 kg/s的正弦式周期振荡的脉冲m=［1+mrsin（2πft）］作为研究对象。其中，m为脉冲流量，为时均流量，mr为相对幅值，f为脉冲频率，如图5所示。选取喷气孔位置附近作为监测点，选择100 Hz、300 Hz、600 Hz三个频率值探究频率对涡轮流量的影响规律；为探讨幅值的影响，分别选取0.05 kg/s、0.10 kg/s、0.15 kg/s三个幅值（相对幅值分别为23.36%、46.73%、70.09%）进行讨论。由于研究的重点是喷气孔的脉冲射流效应，故在非定常计算中没有使用Domain Scaling方法，主要是通过在射流孔进口给定周期性脉动来设置非定常特性。对于一个特定频率的非定常计算，将一个周期分成200份作为时间步长，计算6个周期，对后面两个周期的信息进行统计处理。除此之外，非定常计算采用的数值方法与定常计算的数值方法一致。

图5　频率与幅值的分布关系Fig.5 Distribution relationship of frequency and amplitude

图6　脉冲式射流收敛过程Fig.6 Convergence process of impulsive airflow injection

3　计算结果与分析

以300 Hz为例，图6示出了非定常计算检测点的收敛过程，图中横坐标为无量纲化时间，纵坐标为按照不喷气时导叶进口流量参数进行的无量纲化处理。可见，检测到的导叶进口流量和监测点的静压、速度呈现出很好的周期性，说明脉冲式喷气计算结果收敛较好。另外，导叶进口流量与喷气孔出口检测点速度的变化并不同步，其峰值点有一定相位差，表现出一定的滞后性，这主要是由于非定常计算里的容腔效应所致。如果把涡轮通道看作一个大容腔，从叶片表面一条狭缝周期性地往容腔里喷气，压力可快速变化，而速度的变化会表现得较为缓慢。从喷气孔出口检测点速度变化看，一个周期内70%的时间无量纲速度均为0.6，而另外30%的时间速度有一个急剧的增减，最高值甚至达到1.8。这可能是容腔导致的气体累积，进而出现速度跃升。另一方面，沿着叶片表面进行三维脉冲喷气，沿叶高方向会产生不均匀性，也会导致气流累积。

表2给出了定常喷气和三个不同频率脉动喷气对涡轮流量的影响。以定常结果为基准可以看出，与静态喷气相比，脉冲式喷气涡轮导叶进口流量及流量变化率略微减小，而喷管出口的马赫数明显降低，有利于降低导叶尾缘复杂激波系的强度，从而使尾缘处的损失减小，涡轮效率有所增加。因此，脉冲式射流在保证同等工况调节效果的同时，还提高了涡轮效率。

表2　频率变化时射流总参数对比Table 2 Comparison of injection airflow parameters with different frequency

通常，喷管出口马赫数在一定范围内越大，射流深度越大，形成的低速掺混区就越大，其调节效果就越好。由上表可以看出，喷气流量相同的情况下，较小的脉动频率对应的喷管出口马赫数较低。这表明要达到相同的流量调节效果，采用低频率的脉冲式喷气有利于减少冷气的使用量，这就使进一步增加喷气流量有了更大的可能，进而增加涡轮流量调节范围。

为表征叶片负荷大小及分布，定义叶片表面压力系数Cp=（pt1-ps）/（pt1-ps1），其中pt1代表叶栅进口总压，ps1表示叶栅进口静压，ps代表叶片表面静压。图7、图8给出了定常喷气和三个不同频率脉动喷气时叶片表面的压力系数分布，其中脉冲式喷气时采用的都是时均参数，Z表示轴向位置，Cax表示轴向弦长。图中表明，四种情况下叶片表面的压力系数几乎一致，这说明脉冲式射流基本上不会引起叶片表面负荷变化，仅在射流孔位置附近表现出一定的差异性。

图7　叶中截面压力系数分布Fig.7 Pressure coefficient distribution of mid-span

图8　叶片尾缘负荷放大图Fig.8 Trailing edge loading distribution

图9　不同时刻叶中截面马赫数分布云图Fig.9 Mach number distribution contours of mid-span at different time

图9给出了100 Hz频率下不同时刻叶中截面的马赫数分布云图。可见，随着时间的推移，喷气量的脉动仅会影响尾缘后的低速区大小，而对其他部分的流场影响不大。

表3给出了三个不同幅值脉冲喷气对涡轮流量的影响。以定常结果为基准可以看出，随着脉动幅值的逐渐增大，流量变化率逐渐减小，对涡轮流量的控制有一定程度下降；喷管出口马赫数明显减小，利于涡轮流量调节范围的增加；同时，涡轮效率明显提高。相对而言，与喷管出口马赫数下降的幅度相比，流量变化率减小不明显，因此较高的脉动幅值对涡轮流量调节更有利。

表3　幅值变化时射流参数对比Table 3 Comparison of injection airflow parameters with different amplitude

图10　不同幅值时叶中截面时均马赫数云图分布Fig.10 Mach number distribution contours of mid-span with different amplitude

图10给出了不同幅值时叶中截面时均马赫数云图分布和声速线位置，图中黑线表示马赫数为1的等值线，即喉道位置。对比几幅图可知，增加脉动幅值可有效减少尾迹区域及掺混区的强度，而射流深度也有所减小。气动调节主要是通过射流堵塞涡轮气流通道，脉冲式喷气的幅值对喉道面积减少量影响很小，但由射流和主流形成的低速区却随着脉动幅值的增加而减小。这说明脉冲式射流在控制导叶进口流量方面作用不大，高幅值的脉冲射流能使损失明显降低。

4　结论

（1）脉冲式喷气与静态喷气相比，在保证同等工况调节效果的同时，对涡轮的效率有所提升。

（2）低频率的脉冲喷气有更宽广的涡轮流量调节范围，同时涡轮的效率还有所提升；较高幅值的脉冲喷气更有利于涡轮流量调节。

致谢：感谢北京航空航天大学能源与动力工程学院邹正平教授，在本课题研究中给予的指导和帮助。

［1］胡军.ADVENT，涡轮喷气发动机的新里程碑［R］.北京：中国航空工业发展研究中心航空技术所，2008.

［2］方昌德.变循环发动机［J］.燃气涡轮试验与研究，2004，17（3）：1—5.

［3］刘大响，金捷.21世纪世界航空动力技术发展趋势与展望［J］.中国工程科学，2004，9（6）：1—8.

［4］胡松岩.变几何涡轮及其设计特点［J］.航空发动机，1996，3（24）：30—36.

［5］Latimer R J.Variable flow turbines［R］.AGARD CP-205，1977.

［6］杨旸.气动方式调节涡轮流量［D］.北京：北京航空航天大学，2009.

［7］付超.高性能涡轮气动设计若干关键技术研究［D］.北京：北京航空航天大学，2010.

［8］闫晨，叶建，付超.利用端区射流调节涡轮流量的数值研究［J］.燃气涡轮试验与研究，2011，24（2）：9—12.

［9］Saracoglu B H，Paniagua G，Salvadori S.Energy analysis of pulsating coolant ejection［R］.ASME GT2014-25868，2014.

Numerical investigation of turbine mass-flow rate regulation using impulsive airflow injection

ZHANG Shao-bo1，SHI Wei1，LIU Huo-xing2
（1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Aero-Thermodynamics，School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China）

The turbine flow field with guide vane surface using impulsive airflow injection was calculated with three-dimensional numerical simulation method.The influence of impulsive airflow injection on turbine mass-flow rate was compared with the influence of steady airflow injection，and the effects of impulsive frequency and impulsive amplitude on turbine mass-flow rate were analyzed.The results indicate that the impulsive airflow injection can improve turbine's efficiency when the modulation effects of impulsive airflow injection are the same as the effects of steady airflow injection；low-frequency impulsive airflow injection can bring a wider modulation range of turbine mass-flow rate；large-amplitude impulsive airflow injection is beneficial to the modulation of turbine mass-flow rate.

variable cycle engine；turbine；mass-flow rate modulation；impulsive frequency；impulsive amplitude；three-dimensional numerical simulation

V231.3

A

1672-2620（2015）06-0026-05

2015-03-18；

2015-06-23

张少博（1991-），男，河南安阳人，硕士研究生，从事叶轮机内部流动机理研究。