低压涡轮导叶内环结构设计

2019-12-12李守秋刘日晨

航空发动机 2019年3期

汤旭，李守秋，刘日晨

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

随着涡轮前温度不断提高，对航空发动机空气系统引气量的需求也不断提高，冷气利用效率对发动机整机性能的影响越来越大[1-2]。为提高涡轮工作叶片冷气利用效率，国外科研人员提出了预旋结构，并开展了大量研究工作[3-4]，目前该结构在F119 等发动机中已经得到应用。国内外科研人员针对多种预旋喷嘴结构形式开展了大量建模、理论分析、并通过试验验证了湍流模型的合理性[5-7]。应用数值模拟手段计算分析了预旋喷嘴面积、预旋喷嘴角度及预旋喷嘴轴向长度等预旋喷嘴主要结构参数对预旋系统温降的影响[8-10]。对于整体转静盘腔预旋系统，国内学者应用3维数值模拟手段，计算分析了预旋喷嘴径向高度对盘腔换热特性的影响，研究了盘腔温度分布规律[11]。对于高、低位预旋这2 种典型预旋系统，开展了数值计算并将计算值与试验结果进行对比[12-13]，结果表明在目前已有预旋系统的工况范围内，数值计算方法能够较好地与试验结果吻合。此外，科研人员还研究了转静盘间距、雷诺数等参数对盘腔换热特性及温度分布的影响，进一步掌握预旋系统转静子盘腔的换热规律[14-15]。国内外学者对于已有结构形式的预旋喷嘴、转静盘腔系统作了大量的数值模拟和试验验证工作，分析了预旋系统内主要参数对换热特性的影响，但不同参数之间往往不是相关独立的，需要综合多方面因素考虑，因此工程上如何选取预旋系统参数尤其在初始结构设计阶段仍存在较大难度，而从结构设计角度出发，如何快速选取并优化低压导叶内环结构参数的研究则相对较少。

本文以某型低压涡轮导叶内环为研究对象，提出了1 种基于等熵过程的低压涡轮导叶内环设计方法和流程。

1 低压涡轮导叶内环预旋系统温降的计算方法

低压涡轮导叶内环设计的核心为预旋系统设计。预旋系统的温降为

式中：T*in为冷气进口总温；T*out,r为预旋出口相对总温。T*in和T*out,r的定义如下

式中：T 为静温；CP为材料比热容；V 和W 分别为绝对速度与相对速度（相对旋转涡轮盘）。将速度V、W沿3 个坐标系分解为

式中：Vr=Wr；Vφ=Wφ+U；VZ=WZ；U 为涡轮盘周向速度分量。

此外，定义某一径向高度预旋出口气流周向速度与涡轮盘周向速度的比值为旋转比

将式（2）～（5）代入式（1）中整理可得

对式（7）求导可以得到当Vφ=U 时，理论温降存在最大值，即SrP=1 时，理论温降存在最大值。理论温降越大，获得的相对总温越低，对于涡轮工作叶片工作越有利。因此，旋转比在预旋系统设计中也是1 个重要参数。

2 设计流程及验证

2.1 低压涡轮导叶内环设计流程

低压涡轮导叶内环内腔结构尺寸小，总压损失小，其腔内流动可以简化成等熵过程，其质量流量为

式中：A 为出口面积；v 为出口气体速度；ρ 为气体密度

式中：P*为进口总压；P 为出口静压；T*为进口总温；R为理想气体常数；k 为定熵指数。

出口气流速度可以表示为

根据低压导叶内环设计要求，初步方案设计需要根据给定多个状态点的压比及流量要求设计出预旋结构，包括预旋出口面积和预旋喷嘴高度。采用上述公式原理，以最低温降为目标，给出低压涡轮导叶内环设计流程，如图1 所示。

图1 低压涡轮导叶内环设计流程

2.2 设计结果及验证

本文分析的低压涡轮导叶内环不同状态点参数见表1。

表1 各状态点参数

根据图1 中设计流程，选取状态1（实际对应着发动机设计点）作为设计基点，预旋喷嘴选取某型发动机的叶型喷嘴，预旋出口角度选取与发动机轴线夹角63°，最终计算得出预旋出口径向高度为242.5 mm，预旋喷嘴总面积1989 mm2。根据设计结果，应用CFX建立几何参数计算模型，如图2 所示。其中，预旋喷嘴结构根据已有发动机喷嘴结构按设计几何面积改进而成。

图2 计算模型网格

低压涡轮导叶内环划分为固定域和转动域。低压涡轮导叶内环内腔为固定域；导叶内环与低压涡轮盘形成的转静子腔为转动域。转、静子交界面采用冻结转子法（Frozen Rotor），整个流体域网格单元数约3×107个。为保证计算分析的准确性，在结构边缘设置了边界层。经多次试算并加以网格无关性试验（适应网格规模、硬件能力、网格的划分方法以及计算精度），其主要边界条件如下：

（1）流体模型：理想气体模型；

（2）湍流模型：Shear Stress Transport；

（3）流体域计算模型：总能模型；

（4）周期性边界与绝热无滑∑壁面边界；

（5）壁面速度条件；

（6）进口总温总压和出口静压条件。

根据设计流程及3 维CFX 计算出不同状态点的流量结果，并与低压涡轮导叶内环设计要求进行对比，结果如图3 所示。

从图中可见，按设计流程方法计算的流量与CFX计算结果及设计要求的结果趋势一致，说明设计流程在本文分析的边界条件范围内能够满足设计要求。CFX 计算流量较其余2 种方法的偏小，这是因为理论计算得到的是理想流量，实际计算由于损失等原因通常结果偏低。

以状态1 为例进行分析，考虑计算模型具有周期对称性，选取子午面作为分析平面，可以分析大部分情况下的流动规律，分析平面及气流马赫数分布如图4 所示。从图中可见，流经预旋喷嘴加速后，预旋出口附近气体速度最高，对应的气体马赫数最大。

图3 不同方法计算流量对比

图4 分析平面及马赫数分布

进一步分析旋转比及相对总温分布，如图5 所示。从图中可见，在预旋出口处附近旋转比最高数值在1 左右，对应相对总温最低，这与前文理论公式分析相符；同时也说明了设计流程计算出的喷嘴径向高度较为合理，该流程可以用于初步结构方案设计阶段的预旋喷嘴径向高度的选取。

图5 旋转比及相对总温分布

3 预旋喷嘴径向高度对低压导叶内环影响

上述设计流程是基于提供给低压涡轮工作叶片最大温降冷气的角度考虑的，而实际预旋系统需要平衡多个构件的需求进行设计，如涡轮盘的温度情况等。为量化分析不同径向高度对低压导叶内环流动情况的影响，分别计算预旋喷嘴径向高度为242.5（初始结构）、222.5、202.5、182.5、162.5 mm 时的流动规律，选取的分析截面如图6 所示。

分别计算不同结构在分析截面的平均总温和总压，如图7、8 所示。

图6 分析截面

图7 不同高度总温曲线

图8 不同高度总压曲线

从图中可见，预旋出口径向高度较高时，总温、总压曲线变化幅度较大，这是由于预旋出口气流加速后直接流经转子叶片冷气进口，附近区域速度变化梯度大，而径向高度下降后，气流自预旋喷嘴到转子叶片入口路径变长，气流到分析截面位置后趋于平稳，反映到总温总压曲线上则是出口高度在202.5 mm 以下更为平直；随径向高度下降，总温、总压总体降低，这是气流路径变长后损失相对加大的原因。进一步分析不同截面相对总温、相对总压结果，如图9、10 所示。

图9 不同高度相对总温曲线

图10 不同高度相对总压曲线

从图9 中可见，随出口径向高度降低，相对总温逐渐升高，这是由于在预旋出口速度相差不大的情况下，随气流路径变长，涡轮盘对气体作功，叶片冷气进口处周向速度有所变化所致；从图10 中可见，随径向高度降低，相对总压有所提高，这是由于气流路径变长后，涡轮盘对气体作功，导致分析截面附近获得的相对总压偏高所致。每一条曲线相对总压逐渐增高，这是由于越接近涡轮盘旋转增压效果越明显。

图11 不同喷嘴出口高度涡轮盘表面相对总温

进一步分析涡轮盘表面相对总温，如图11 所示。从图中可见，预旋喷嘴径向高度为242.5 mm 时，涡轮盘表面相对总温最高，因为气流经预旋出口后直接进入转子叶片，冷气与涡轮盘热交换最差，对应的涡轮盘表面温度最高；随径向高度降低，涡轮盘对应预旋出口出现低温波谷，且温差较大；当预旋出口为162.5 mm 时，涡轮盘相对总温最低，且温差水平与径向高度为242.5 mm 时的相当，平均温度低约50 K，这对于涡轮盘温度场有很大收益。