带进气角度接受孔径向预旋流动特性数值研究

2022-10-23韦光礼王锁芳陆海罗铁彬

机械制造与自动化 2022年5期

韦光礼，王锁芳，陆海，罗铁彬

(1. 国营长虹机械厂，广西桂林 541002； 2. 南京航空航天大学 a. 能源与动力学院；b. 航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室，江苏南京 210016)

0 引言

在满足发动机稳定工作的前提下，针对涡轮部件的冷却，设计优秀的内部结构和流路，以降低冷气压力损失和温度，这长期以来都是空气系统研究中的一个核心问题。涡轮叶片根部的冷却介质主要来自于预旋系统的冷气。冷气经过在喷嘴中加速膨胀，提升气流周向速度，同时降低气流在转动坐标系下气流相对总温，进而增强涡轮叶片等部件冷却效果。现有研究表明接受孔进气角度的结构形式对冷气品质提升有关键性的作用。

SCRICCA J A等[1]和GRANOVSKIY A等[2]认为合理设计喷嘴最佳的安装位置能够提升冷气品质，提高温降。 LEWIS P等[3]获得了不同喷嘴安装向位置对预旋温降与流阻变化规律。DITTMANN M等[4]研究了带倒圆角接受孔的流量系数，发现其能够降低流阻提升量系数。BRICAUD C等[5]对多个接受孔结构参数进行试验，获得流量系数与孔径之间关系式。YAN Y Y等[6]针对直导式预旋掺混气流开展数值与试验验证方法，结果表明：气流的掺混作用，增加了系统流阻。朱晓华等[7-8]获得了流量系数主要受到气流流量和相对速度方向与接受孔中心线之间角度影响的结论。张建超等[9]发现进口压力一定时，长径比和接受孔面积的增加能够提升预旋系统的温降系数。陈帆等[10]发现接受孔周向角度对预旋温降系数有较大影响。蔡旭等[11]通过试验得到静止壁面静压与系统流量和转速之间的关系准则。IDRIS A等[12]获得转动条件下流量系数和气动参数以及接受孔结构参数的拟合关系式。张凯等[13]研究了带狭缝型接受。郑笑天等[14]对不同接受孔形状开展研究。

基于文献分析，国内外学者仅针对轴向式预旋系统接受孔开展研究，而对于面向小型航空发动机径向式预旋系统研究较少。接受孔在预旋系统中具有较大的节流效应，目前研究的预旋接受孔结构垂直于盘腔，而小型航空发动机径向预旋系统半径小，转速大，导致气流以一定角度进入接受孔与撞击壁面，产生较大气动损失，对预旋系统的温降与流动阻力产生影响。因此有必要研究一种新型接受孔结构能够对气流起到导流作用，减少气流的气动损失，使带径向进气角度接受孔能够满足现有研究的需求。

1 计算模型及计算方法

1.1 计算模型

基于小型航空发动机开展径向预旋系统研究，具体模型如图1(a)所示。径向预旋系统主要由静止域和旋转域组成，其中静止域包括集气腔、叶栅喷嘴，旋转域包括预旋腔、径向接受孔、旋转盘腔和供气孔。本文系统模型中，预旋喷嘴和接受孔沿周向分布，其中16个预旋喷嘴和24个接受孔，考虑到径向预旋系统周期性，对模型的1/8开展三维稳态仿真。图1(b)中给出了系统相关结构参数的示意图，表1给出详细尺寸参数。叶栅喷嘴预旋角为20°，接受孔径向角度α变化范围为0°～60°之间，Rb=83 mm为旋转盘腔最大径向位置。

图1 计算模型

表1 结构参数

1.2 计算方法

文献[13]中径向预旋系统试验结构和本文的三维结构相似。利用文献[13]的试验工况设置数值仿真边界条件，比较湍流模型对系统温降的变化规律，计算结果如图2所示。

图2 湍流模型验证

比较两种湍流模型计算结果与试验结果变化趋势，RNGk-ε总体变化趋势和试验结果较为接近。因此本文选RNGk-ε模型作为湍流计算模型。

基于Workbench-Mesh网格划分在结构较为复杂型面进行网格加密，在5×105～10×105之间网格数开展数值仿真，发现计算模型网格数>7×105，不同网格量计算结果的总压损失系数偏差在0.6%左右，因此选择计算模型为8×105网格进行数值计算。图3给出了预旋腔为网格边界层示意图。

图3 网格示意图

1.3 边界条件

本文运用商业软件ANSYS CFX17.2对模型进行三维稳态求解，模型设置旋转周期性边界条件，气流设置为可压缩，物性参数随温度的变化而变化，预旋系统进口给定气流总温和总压，其中总压为1440kPa，总温为800K；系统出口给定平均静压，静压值900kPa。旋转域给定旋转角速度变化范围(1570rad/s～4188rad/s)。本文数据处理方式为Massflow Ave。

2 参数定义

2.1 旋转雷诺数

定义旋转雷诺数为Reω

(1)

式中：ω为旋转盘腔的角速度，rad/s；b为旋转盘腔最大半径，m；ρ为气流的密度，kg/m3。

2.2 旋流比

定义气流旋流比Sr

(2)

式中：Vφ为气流周向速度，m/s；R为气流所在盘腔径向位置，m。

2.3 温降系数

定义温降系数为ψ

(3)

参考文献[13]，预旋系统在绝热条件下，

(4)

2.4 总压损失系数

定义总压损失系数为ζ

(5)

2.5 流量系数

定义流量系数为CD

(6)

2.6 熵增

气体的熵增为

(7)

3 计算结果分析与结论

3.1 流动特性

图4给出的是不同进气接受孔角度在Reω=7.5×105和Reω=2×106时附近截面的流线图。在低雷诺数Reω=7.5×105时(图4(a))，由于接受孔旋转线速度较低，而来流速度较大，当速度接受孔角度为0°时，来流对接受孔左侧壁面冲击，并在接受孔右侧壁面产生一个涡流2，随着接受孔角度的增加，来流冲击接受孔左侧壁面强度增强，同时强制改变了气流的方向，使气流以一定角度进入共转盘腔增强对气流的导向作用；接受孔角度为30°时，接受孔右侧涡流2强度降低，说明在这个转速条件下能够使气流更加顺畅进入共转盘腔，但同时在接受孔共转盘腔左侧会产生回流涡1，且随角度的增加，回流涡1越大。这是由于接受孔角度的变化带来的导流效应，更多的气流流进共转盘腔，而接受孔出口左侧的共转盘腔气流速度较低，由于高速气流带来的卷吸作用使得此处的气流形成回流涡。

在高雷诺数Reω=2×106(图4(b))，随着转速的增加，接受孔旋转线速度增加，在接受孔角度较小时，气流在接受孔内涡流较小，随着接受孔角度增加，接受孔右侧涡流沿径向迁移，接受孔角度50°时，涡流强度降低，气流对左侧壁面的冲击，对来流有导向作用。

图4 接受孔附近流线

图5定量表明了随着旋转雷诺数的增加，共转盘腔的泵效应导致流量增大，流量系数相应增加，在一定旋转雷诺数条件下，接受孔流量系数随着接受孔进气角度(0°～30°)范围内增大，接受孔流量系数逐渐增大。由于接受孔结构对于气流具有一定导向作用，有效流通面积增大。预旋系统流量增大导致流量系数增大。当接受孔角度>30°时，气流来流与接受孔壁面冲击较大，在一定程度上抑制了气流流动，导致接受孔流量系数逐渐降低。

图5 流量系数随接受孔角度变化

图6和图7是雷诺数为Reω=1.25×106时，不同接受孔进气角度下接受孔截面附近的静压云图与接受孔进口截面静温云图。从图上气动参数的分布可知，30°接受孔附近截面静压<0°与60°，当接受孔进气角度为60°时，静压最大，接受孔进口截面静温分布在进气角度为60°时达到最大，30°时达最小。综合以上云图分析可知当接受孔进气角度为30°时，接受孔中截面附近静压与接受孔进口截面静温分布均低于其他接受孔角度，这是因为当接受孔角度为30°时，接受孔结构对气流导流效果达到最优，使得预旋系统流量增大，预旋喷嘴不变的情况下，流量增大，导致喷嘴流道气流速度增大，喷嘴出口截面静温与静压均降低，而接受孔附近静温静压的分布受到上游喷嘴出口截面影响，导致此处静温静压相应降低。

图7 接受孔进口截面静温分布

3.2 温降特性

在相同旋转雷诺数条件下，温降随着接受孔进气角度先逐渐增大后逐渐降低，当进气角度为30°附近时达到最大(图8)。这是由于当进气角度较小时对气流具有导向作用，气流能够顺畅通过接受孔进入共转盘腔。随着旋转雷诺数的增加，温降先增大，雷诺数>Reω=1.25×106时，由于转速增加，气流与壁面摩擦增加，导致气流相对总温升高，使得温降开始降低。雷诺数为Reω=1.25×106时，接受孔进气角度为30°，无量纲温降提高24.4%。

图8 温降系数随角度变化规律

根据径向预旋无量纲温降以及绝热情况可知，在绝热情况下，保证一定旋转雷诺数、预旋喷嘴径向位置以及供气孔径向位置不变情况下，预旋喷嘴出口旋流比大小是影响无量纲温降大小的关键因素。图9是在Reω=1.25×106条件下，不同接受孔进气角度条件下，预旋系统关键部位旋流比分布。可知旋流比在预旋进口至接受孔进口逐渐增加，之后开始降低，喷嘴出口旋流比接受孔角度为20°较接受孔角度为0°提升8%。这是由于接受孔角度的变化对系统气流具有一定的导流作用，系统流阻减小，流量增大，在喷嘴不变的情况下，喷嘴流道内气流速度周向速度增大，气流静温减小，直接导致喷嘴出口旋流比增大，进而提升了预旋系统的温降，增加冷气品质。