径向进气轴向出流旋转盘腔流动传热耦合分析及验证

2022-02-15李天禄王鹏飞

燃气涡轮试验与研究 2022年4期

李天禄，王鹏飞，郭文

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500)

1 引言

航空发动机压气机旋转盘腔是二次流系统流路的重要组成部分，其高速旋转所产生的离心力、哥氏力以及离心力衍生的浮生力，使得腔内流动与换热特别复杂[1]。同时，压气机盘作为旋转部件，其壁面温度的测试面临结构复杂、振动、高转速等综合性难题[2]。

国内外对压气机旋转盘腔流动、换热特性及压气机盘温度分布做了大量研究。Johnson 等[3]研究了压气机旋转盘腔中密度变化旋流流动特征和稳定性，指出Rossby 数大于0.5 时，旋转轴区域和盘腔区域中的气流密度差异，大于预期发动机运转时的差异；Rossby 数小于等于0.1 时，压气机盘腔流动将受到气流周向速度、轴向速度以及核心流和盘腔流动之间剪切区气流密度特性影响。Owen 等[4]试验研究了加热旋转盘腔中浮升力诱导的气流流动，发现在轴向进气的旋转盘腔中，加热其中一个盘，核心流动外的边界层会以一个低于盘转速的速度旋转；温升增加，核心流速度较减小。Sun 等[5]在采用流-固-热耦合方法计算盘腔流动换热的过程中，为减少CFD 数值模拟及FEA/CFD 耦合计算时间，在CFD 流场计算中只解能量方程，即每个时间步在流体域只解能量方程，忽略因边界温度变化引起的流动改变。这种方法忽略了壁面温度对流体性质以及流场的影响，适合于温度场相对独立且浮升力影响较小的流场。田淑青、徐国强、孙纪宁等[6-10]对旋转盘腔流动换热特性进行了多项数值模拟研究；杨军[11]、曹文利[12]等对压气机转子盘瞬态温度场进行了数值计算研究。

上述研究主要针对旋转盘腔流动换热特性机理，将旋转盘腔流动换热与转子盘温度分布分开研究，缺少真实环境下的试验数据支撑。本文在前人研究的基础上，通过气热耦合方法，对典型的径向进气轴向出流压气机旋转盘腔的流动、换热特性及转子盘温度分布进行数值模拟研究，并与基于整机真实环境下的压气机转子盘温度场示温漆测量结果进行对比验证。

2 研究对象

2.1 物理模型

计算的压气机盘腔及转子盘二维剖视如图1 所示，主要由2 级压气机转子盘和3 个盘间腔组成。二次流系统引气从主流道引出，并沿径向做向心流动，通过压气机鼓筒上的通气孔进入压气机旋转盘腔；气流在旋转盘腔内向心流动，先进入压气机盘心通道，然后再分成2 股，分别向前和向后流动。

图1 压气机盘腔及转子盘示意图Fig.1 Schematic of compressor cavity and disk

2.2 计算模型

气热耦合计算模型如图2 所示。计算域中，固体域包括静子内环和压气机转子盘；流体域包括压气机转子盘之间的旋转盘腔，以及静子内环与压气机鼓筒之间的小容腔；鼓筒上有引气孔联通上、下流体域。为提高计算效率、节省计算资源，在建模过程中，利用压气机旋转盘腔沿周向的周期性，建立1/36的扇形模型，并将鼓筒引气孔孔径等量约化。

图2 盘腔气热耦合计算模型Fig.2 Calculation model of cavity flow-heat transfer coupled analysis

如图3 所示，在流体域网格划分时，对流动变化剧烈的近壁面，采用边界层网格进行了加密；流体域绝大部分网格采用六面体网格；流体域网格数量最后为3 258 178。固体域全部采用六面体网格，网格数量最后为423 068。

图3 盘腔气热耦合计算网格模型Fig.3 Calculation grids of cavity flow-heat transfer coupled analysis

3 数值方法

采用商用CFD 软件FLUENT14.5 进行气热耦合计算，求解包括固体域的能量方程和流体域的控制方程。固体域应用固体热传导方程；流体域的控制方程采用流体力学N-S 方程，选用雷诺时均法，雷诺时均湍流微分控制方程的求解采用基于压力的稳态求解器，压力速度耦合方法为SIMPLE 算法。压力的离散采用PRESTO 格式，其他参数的离散采用二阶精度的迎风格式。压力修正方程、连续方程、动量方程、k和ε方程都实施亚松弛，松弛因子在计算过程中逐步调整。孙纪宁等[10]认为，标准k−ε紊流模型能够较好地定性反映旋转腔中的流动换热特性，故本次计算选择了标准k−ε紊流模型和标准壁面函数。

计算中，计算域流体为理想气体，流体域均设为旋转域；压气机转子盘所在固体域设为相对静止，静叶内环所在固体域为绝对静止。流体域边界给定为：进口为压力边界，取压气机主流道二级静叶出口根部静压；二级转静子之间的出口为压力边界，取压气机主流道二级静子进口根部静压，其他出口压力取二次流系统计算结果。固体域热边界给定为：叶片与盘连接处、二级转子盘与一级静子之间转静系壁面，以及三级转子盘与三级静子之间的转静系壁面，给定周围流体温度和换热系数；二级转子前鼓筒以及三级转子后鼓筒截断处给定温度。流体与固体接触壁面设置为Interface 中的coupled wall。

4 试验简介

整机环境下压气机转子盘温度场示温漆测量试验，在中国航发四川燃气涡轮研究院地面试车台上完成。试验前，对压气机转子盘如图4 红色部分所示位置进行示温漆喷涂；试验结束后，对盘表面温度分布进行判读。

图4 示温漆喷涂位置Fig.4 Position of thermal paint

5 结果分析

5.1 压气机旋转盘腔流动特性分析

图5 给出了不同发动机转速(NC)时压气机旋转盘腔的流线分布。可以看出，压气机盘腔处于静止时，哥氏力为0，盘腔内流动形成了稳定的涡结构。但压气机三级盘腔，因两侧盘温度不同，导致腔内流场较复杂；从低半径到中半径有1 个较大的涡，即在离心浮升力作用下，该流动可看成是温度梯度与离心加速度同向的类R-B(Rayleigh-Benard)对流和强迫对流的混合流[7]。随着转速增加，受到增强的离心力影响，盘腔内涡流沿径向拉伸，涡核逐渐向高半径方向移动，盘心气流有逐渐被卷吸进入盘腔的趋势。转速增至37 832 r/min 时，三级盘腔内在靠近盘面附近，形成2 个从低半径到高半径的涡。

图5 压气机旋转盘腔流线分布Fig.5 Distribution of stream line in compressor rotating cavity

图6 为发动机转速为37 832 r/min 时，压气机旋转盘腔旋扭系数(βϕ=Vθ/ωr，其中Vθ为盘腔气流的切向速度，ωr为当地转子周向速度)分布。可看出，旋转盘腔内旋扭系数变化明显，尤其是在二级盘腔中，因径向内流引气，在盘腔进口的低半径处，旋流系数达到了1.08～1.30。即此处气流相对盘的切向速度很大，产生的黏性耗散将很大，压力损失也将比较大。图7 为压气机旋转盘腔压力分布。可看出，压气机旋转盘腔中，从高半径到低半径，静压和总压均有很大的下降。

图6 压气机旋转盘腔旋扭系数分布(NC=37 832 r/min)Fig.6 Distribution of swirl ratio in compressor rotating cavity

图7 压气机旋转盘腔压力分布(NC=37 832 r/min)Fig.7 Distribution of pressure in compressor rotating cavity

5.2 压气机旋转盘腔换热特性分析

图8 给出了压气机盘静止和转速37 832 r/min时，盘腔静温、总温分布云图。可以看出，与压气机盘静止时相比，当转速为37 832 r/min 时，各盘腔静温和总温均有较大的增加，尤其是三级盘和四级盘之间的盘腔。主流导热相同，盘腔的温升主要来自两方面：一是转动系下，盘表面旋转效应和气体在旋转腔中摩擦引起的风阻温升；二是气流在旋转系下，盘表面旋转效应引起的离心温升。