预旋结构对空间布雷顿循环涡轮盘表面换热特性的影响

2022-04-28张宗卫刘志宏刘存良

上海航天 2022年2期

张宗卫，王钊，刘志宏，刘存良，刘聪

（1.中国民航大学航空工程学院，天津 300300；2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109；3.天津市振兴化工有限责任公司，天津 300300；4.西北工业大学动力与能源学院，陕西西安 710072）

0 引言

空间核动力发电系统在星际航行、深空探测和新能源开发等方面具有广泛的应用前景。美国国家航空航天局（NASA）对空间布雷顿循环进行了大量的研究。该研究采用分子量为83.8 的氦氙混合物为工作流体，布雷顿发电系统单轴涡轮压缩机-交流发电机组件的涡轮入口温度达到1 144 K，对系统各单体的压力、温度和功率等进行了测试。格伦研究中心制造了2 kW 和100 kW 闭口布雷顿验证机进行研究，发现氦氙混合物这种单相工作流体具有出色的传热特性，可确保良好的压气机/涡轮效率。马歇尔航天中心应用非平衡氦氙冷冻惰性等离子体（Frozen Inert Gas Plasma，FIP）的高温裂变反应堆与磁流体动力（Magneto Hydro Dynamics，MHD）能量转换的闭式布雷顿循环对兆瓦级核电系统进行了实验研究，该反应堆的工作温度高达1 800 K，发现最佳比质量特性取决于总的发电规模，在1 MW 的净电量输出下可以达到3 kg/kW。

空间布雷顿循环热机涡轮中的热量由工作叶片经过榫头传至涡轮盘。当工质温度为1 100～1 200 K 时，轮盘中心处的温度为500～600 K，涡轮盘存在着较大的热应力。对涡轮盘进行有效的冷却，可以降低轮盘表面温度梯度，避免温差热应力对轮盘造成损坏。在现代发动机中涡轮盘腔结构存在着多种形式，一般由高压冷却气流穿过这些盘腔，对其进行冷却并起防止高温燃气进入涡轮盘腔的封严作用。OWEN 等实验研究了涡轮转静盘腔系统的流动和转盘的换热特性，并将实验数据和理论模型进行了比较。VADVADGI 等对有无轴向通流转静盘腔的旋转盘换热系数和表面温度进行了数值模拟，研究发现是否应用流固共轭转盘表面努赛尔数的计算结果相差5%。LIN 等采用理论和数值计算的方法研究了轮缘密封气流对涡轮盘换热特性的影响，发现盘面平均努塞尔数随着湍流参数的降低而降低。LIU 等研究了进口几何参数、湍流度和预旋结构对带环腔气流反转盘换热特性的影响。丁水汀等基于实验模型对发动机真实参数进行气体和固体的共轭数值模拟，并将动量方程和能量方程耦合求解。李文等研究了旋转雷诺数、旋转比和湍流参数对涡轮盘内部流动特性和表面换热特性的影响，发现提高旋转比可以增大转盘局部努塞尔数。董伟林等研究了冷气流量和转速对涡轮盘缘的温度分布和换热特性的影响。胡伟学等分析了蒸汽和空气对预旋共转盘腔表面换热特性的影响，发现蒸汽的换热效果优于空气。李磊等提出了具有盘腔扰流柱群的双辐板涡轮盘结构，发现增加扰流柱可明显提高涡轮盘的对流换热效果。

目前，国内外学者对空间布雷顿循环涡轮盘冷却技术的研究较少，现有研究大多针对航空或者陆用布雷顿循环涡轮盘进行热防护。本文利用涡轮盘预旋进气结构降低冷却工质的静温和相对总温的方法提高涡轮盘冷却能力，采用流固耦合计算基于氦氙工质的涡轮盘流动与换热特性，分析预旋结构和旋转雷诺数对涡轮盘换热效果的影响。本文研究结果对未来新型航天器冷却流路结构的设计具有参考意义。

1 计算模型和计算方法

1.1 计算模型

预旋进气的工作原理是冷却工质通过预旋喷嘴加速，静温降低，同时冷却工质在预旋腔做与转盘旋转方向相同的周向运动，通过接收孔进入盖板腔后降低气流的相对总温来冷却涡轮盘，最后经由供气孔流出后冷却涡轮叶片。

本文研究的涡轮盘预旋冷却流路结构如图1（a）所示，为简化计算，去掉内外封严篦齿结构，取涡轮盘模型圆周的1/24 扇形进行计算。盘外半径为=180 mm，预旋喷嘴和接收孔径向位置均为==130 mm，喷嘴直径=5 mm，接收孔=12 mm，供气孔狭缝宽度为2 mm。简化后的计算模型如图1（b）所示。

图1 预旋涡轮盘结构Fig.1 Pre-swirl turbine disk structure

续图1 预旋涡轮盘结构Continue fig.1 Pre-swirl turbine disk structure

计算所采用的网格均为分区域绘制的结构化六面体网格，如图2 所示，采用ICEM 软件对系统的静止计算域、转动计算域以及固体计算域分别绘制网格，在转静交界面和流固耦合界面均采用interface 面将两计算域连接。为保证计算精度，对壁面附近以及喷嘴和接受孔进出口等重要区域的网格都进行了加密，在喷嘴壁面增加了边界层，同时使用NASA 的+计算器计算近壁面第一层网格间距，增长比例为1.2，保证计算过程中流体壁面+值在1～100 之间，并且加密网格与未加密网格之间都有渐变过渡。进行网格无关性验证后，网格数固定在140 万左右。

图2 计算网格Fig.2 Computational grid

1.2 计算方法和边界条件

本文采用FLUENT 18.3 对模型进行三维稳态湍流流动与传热求解计算，氦氙冷却工质（7.17%氦，92.83%氙）的密度、声速、导热系数、动力黏度等物性参数由C++程序编写，并通过用户自定义函数（UDF）编译到FLUENT 中。启用N-S 能量方程，湍流模型选用雷诺平均法（RNAS）的标准模型，近壁面采用标准壁面函数。

为了验证本文所选湍流模型的可行性，文献［16］的实验结构与本文所研究的涡轮盘模型结构类似，如图3（a）所示。采用与实验相同的工况：Re=1.3×10，=0.5，对选取的标准、重整化群（Renormalization Group，RNG）和剪切应力传输（Shear Stress Transfer，SST）3 种湍流模型与文献［16］的实验结果进行对比验证，对比结果如图3（b）所示，采用标准模型计算得出的盖板腔旋转比（β）沿径向变化规律更接近实验结果，而其他两种湍流模型比实验值偏高，故本文选用的湍流模型计算方法可行。

图3 实验结构和实验与数值计算结果对比Fig.3 Experimental structure and comparison between the computed results and the experimental data

进气腔入口给定压力进口边界条件（总压1.34 MPa，总温483 K），供气孔出口给定静压为1.013 250 MPa，旋转域和旋转壁面给定转速分别为500、750、1 000、1 250 和1 500 rad/s，动静交界面采用Frozen Rotor法处理，周期壁面设置为旋转周期，涡轮盘上壁面热流密度4.45×10W/m，下壁面给定温度500 K，其他壁面均采用绝热无滑移边界条件。

2 计算结果分析

2.1 参数定义

旋转雷诺数Re定义为

式中：为气流密度；为涡轮盘旋转角速度；涡轮盘外半径；为气体动力黏度。

对流换热系数定义为

式中：为涡轮盘壁面热流密度；为壁面温度；为进口气流温度。

气流旋转比定义为

式中：V为气流周向速度；为径向高度。

2.2 有无预旋结构的换热特性对比

保持进气条件不变，对比无预旋结构（喷嘴轴线垂直于预旋腔）与预旋结构（预旋角为45°）的涡轮盘换热特性。2 种结构下涡轮盘表面温度分布如图4 所示。2 种结构下的涡轮盘表面温度分布均在盘缘处温度最高，达到1 000 K 左右，越靠近低半径处温度越低，最低温度在500 K 左右。在相同进出口和壁面边界条件下，预旋结构的涡轮盘缘温度相比于无预旋结构更低，盘面的温度分布也比无预旋结构更加均匀，无预旋结构的轮盘温度梯度变化较大，而预旋结构的温度梯度变化相对较小。

图4 有无预旋结构的涡轮盘表面温度分布Fig.4 Surface temperature distributions of the turbine disk with and without the pre-swirl structure

有无预旋结构的涡轮盘表面温度沿径向的变化曲线如图5 所示。2 种冷却结构下的轮盘表面温度均随着轮盘半径的增大而升高。带预旋结构的轮盘在低半径到接近盘缘处的温度比不带预旋结构的盘面温度高，而在接近盘缘位置时的盘面温度比无预旋结构要低，盘缘最高温度也有所降低。无预旋结构下盘面的温度随半径的变化规律为先缓慢升高，当到半径位置为/=0.75 后，轮盘表面温度迅速升高，造成涡轮盘的温度梯度变化较大，从而产生较大的温差热应力。而预旋结构的转盘温度则是随半径线性升高，温度梯度相对变化不大，有效地减小了温差热应力对轮盘的损害。

图5 有无预旋结构的涡轮盘表面温度沿径向变化规律Fig.5 Radial distributions of the surface temperature of the turbine disk with and without the pre-swirl structure along the radial direction

有无预旋结构的轮盘表面换热系数分布如图6所示。2 种结构的轮盘表面换热系数均在盘缘处较高，在盘中心换热系数较低。不带预旋结构的盘面换热系数在盘面正对接收孔位置处较大，然后分别沿低半径和高半径处减小，而预旋结构的盘面换热系数随半径的增大逐渐增大，换热系数分布相对无预旋结构更加均匀。这是因为涡轮盘温度越高，与冷却气流的对流换热效果越明显。而无预旋结构在接收孔位置增大是由于冷却气流直接冲击到盘面，导致换热系数迅速增大。同时换热系数还与冷却工质的速度有关，冷气速度越大，固体表面对流换热系数越大。如图7 所示，在盖板腔内，预旋结构相比无预旋结构的冷却气流速度较大，所以预旋结构的换热系数较大。

图6 有无预旋结构的涡轮盘表面换热系数分布Fig.6 Heat transfer coefficient distributions of the turbine disk surface with and without the pre-swirl structure

图7 有无预旋结构的盖板腔截面速度分布Fig.7 Velocity distributions of the cover cavity section with and without the pre-swirl structure

有无预旋冷却系统在盘腔中截面流场和总温分布情况如图8 所示。2 种冷却流路结构的冷却气流均通过喷嘴加速流入预旋腔，然后经由接收孔进入盖板腔后与轮盘进行对流换热冷却，最后从出口流出进入涡轮叶栅通道。气流通过接收孔直接冲击到轮盘表面，在旋转效应的影响下在盖板腔高低半径处各形成一个逆时针漩涡。预旋结构下形成的漩涡明显比无预旋结构的大且规则，流线与轮盘表面充分接触，使得冷却气流与涡轮盘的对流换热更加充分，冷却效果更好。结合盘腔气流总温分布图可知，2 种结构下盖板腔内的气流总温沿低半径到高半径位置逐渐升高，到接近涡轮盘盘缘处冷却气流总温达到最高，而预旋结构下冷却气流在盘腔内的总温比无预旋结构的总温要高，这是因为盘面温度越高，冷却气流与涡轮盘的换热效果越好，造成靠近涡轮盘的冷却气流总温越高。冷却气流在预旋结构下与涡轮盘的换热效果更好，相比无预旋结构的气流总温更高。

图8 有无预旋结构的截面流线和总温分布Fig.8 Total temperature distributions and streamlines of the middle section with and without the pre-swirl structure

2.3 旋转雷诺数对涡轮盘换热特性的影响

预旋结构下不同旋转雷诺数的涡轮盘表面温度分布云图如图9 所示。随着旋转雷诺数的增大，预旋结构的涡轮盘表面温度逐渐降低，而旋转雷诺数对涡轮盘表面温度梯度的影响不大。预旋结构的涡轮盘缘处的高温区域和靠近涡轮盘内半径处的低温区域均随旋转雷诺数的增大而增大。这是因为增大旋转雷诺可以有效地增强盘腔内气流的流通能力，如图10 所示，随着旋转雷诺数的增大，盖板腔内的流线逐渐沿周向偏转，冷却气流旋转比增大，旋转比表征气流切向速度与涡轮盘转速的相对大小，增强了冷却气流相对涡轮盘的流通能力，从而使冷却气流对涡轮盘充分进行冷却，降低了涡轮盘表面的温度。

图9 不同旋转雷诺数的涡轮盘表面温度分布Fig.9 Surface temperature distributions of the turbine disk with different rotating Reynolds numbers

图10 不同旋转雷诺数的喷嘴截面流线和旋转比分布Fig.10 Streamlines and rotation ratio distributions of the nozzle section with different rotating Reynolds numbers

涡轮盘表面最高温度随旋转雷诺数的变化曲线如图11 所示。涡轮盘表面最高温度随着旋转雷诺数的增大而降低。预旋角为45°的冷却结构的涡轮盘最高温度明显比无预旋结构的最高温度低，这说明预旋结构可以有效地降低涡轮盘表面最高温度。当旋转雷诺数为1.66×10时，预旋结构相对无预旋结构的涡轮盘最高温度相差最大，温降达到63.1 K，温降比例约为5.9%。

图11 涡轮盘最高温度随旋转雷诺数的变化曲线Fig.11 Variations of the maximum temperature of the turbine disk at different rotating Reynolds numbers

图12 为涡轮盘表面平均换热系数随旋转雷诺数的变化曲线。从有无预旋2 种结构的换热系数变化曲线可知，涡轮盘表面平均换热系数随着旋转雷诺数的增大而增大。预旋结构的平均换热系数相比无预旋结构明显增大，旋转雷诺数越大，平均换热系数增加数值越大。当旋转雷诺数增大到4.98×10时，预旋结构的盘面平均换热系数比无预旋结构增大13.4 %。如图13 所示，随着旋转雷诺数的增大，冷却气流与涡轮盘表面的相对周向速度增大，使得气流在轮盘表面的湍流边界层降低，冷却气流与涡轮盘的对流换热强度增大。同时由于旋转域的泵转效应增强，冷却气流的流通能力随之加强，使得盘面换热系数增大。

图12 涡轮盘表面平均换热系数随旋转雷诺数的变化曲线Fig.12 Variations of the average heat transfer coefficient of turbine disk surface at different rotating Reynolds numbers