CFD技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈 毅，李云單，呂春雁，牟宇飛

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 1100015)

0 引言

作為航空發(fā)動機(jī)主要零部件和有關(guān)系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)在整個工作包線內(nèi)的內(nèi)部工作環(huán)境以及熱狀態(tài)設(shè)計(jì)，擔(dān)負(fù)著為發(fā)動機(jī)提供可靠工作環(huán)境的重任，是保證發(fā)動機(jī)以高性能安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)之一。空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析技術(shù)的發(fā)展在某種程度代表著航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)水平。

由于計(jì)算機(jī)資源的限制和及空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜與多樣性，CFD技術(shù)無法對航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在工程設(shè)計(jì)與計(jì)算時，采用的1維方式簡化處理，必然帶來誤差。在流動方面的誤差不但直接影響某些關(guān)鍵零部件的溫度預(yù)估結(jié)果，而且也無法完成對某些結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)評估。采用商用CFD軟件,可以對局部流動與換熱特性進(jìn)行更詳細(xì)地分析，為溫度預(yù)估提供高精度的邊界條件，可滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)需要。

1 航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)

空氣系統(tǒng)也叫2次流系統(tǒng)，其工作過程是從壓氣機(jī)適當(dāng)位置抽取空氣，通過發(fā)動機(jī)主通道的內(nèi)側(cè)或外側(cè)的各種流動結(jié)構(gòu)元件（孔、管路、封嚴(yán)環(huán)和特定結(jié)構(gòu)形成的腔道等），按照設(shè)計(jì)流路要求的流動方向流動并完成各項(xiàng)規(guī)定功能，最后從確定的主通道的若干部位排出，與主流匯合或直接泄漏到機(jī)體外部排入大氣。

某典型發(fā)動機(jī)局部空氣系統(tǒng)流路及組成如圖1所示。圖中標(biāo)示了氣流的流動方向及相應(yīng)的功能。

2 1維數(shù)值模擬技術(shù)

2.1 基本原理

從圖1中可見，空氣系統(tǒng)是由影響到氣流沿程的壓力、溫度和流量變化的結(jié)構(gòu)（如篦齒孔、各種旋轉(zhuǎn)盤腔等流動元件）組成的。發(fā)動機(jī)元件形式多種多樣，如篦齒（seal）、盤心和軸之間的通道、機(jī)匣上的孔、預(yù)旋噴嘴等。不同結(jié)構(gòu)形式的元件具有不同的流動和換熱特性。在工程設(shè)計(jì)與計(jì)算時，通常采用1維方式處理各流動單元的流動與換熱特性，也就是把這些元件根據(jù)幾何和流動的特點(diǎn)典型化，將發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)模化成1個由多種類型元件（單元）串聯(lián)和并聯(lián)組成的網(wǎng)絡(luò)，連接各元件的稱為腔（或節(jié)點(diǎn)）。通過迭代求解，得到整個網(wǎng)絡(luò)的壓力和溫度分布和流量分配情況。

按照上述思路，空氣系統(tǒng)流路（圖1）就可以?；膳c如圖2所示的類似網(wǎng)絡(luò)。

2.2 1維計(jì)算結(jié)果特點(diǎn)分析

在網(wǎng)絡(luò)中，每個元件的流動和換熱特性是決定氣體壓力、溫度和流量的重要數(shù)據(jù)。在1維數(shù)值模擬計(jì)算時，這些數(shù)據(jù)的精度由所采用的準(zhǔn)則公式（經(jīng)驗(yàn)公式）與發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的吻合程度及其適用范圍決定。絕大部分經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則公式來源于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而試驗(yàn)對象的結(jié)構(gòu)形式與發(fā)動機(jī)真實(shí)結(jié)構(gòu)總是存在差異，而試驗(yàn)結(jié)果也不可能考慮到所有的影響參數(shù)，其適用范圍一定是有限的。上述因素都直接影響1維數(shù)值模擬結(jié)果的精度。Zimmermann指出，CFD技術(shù)是提高經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確程度，或者通過數(shù)值試驗(yàn)方式擴(kuò)大其有效范圍的1種有益手段[1]。

此外，在工程設(shè)計(jì)中，還需要應(yīng)用CFD技術(shù)為空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更詳細(xì)的設(shè)計(jì)依據(jù)信息。1維數(shù)值結(jié)果可以比較全面地反映各分支的流量分配情況、關(guān)鍵腔室的壓力和溫度數(shù)據(jù)，從大的方面判斷整個空氣系統(tǒng)的特性。但對于一些流動、換熱條件比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而言，1維數(shù)值結(jié)果無法反映局部氣體的詳細(xì)流動情況，也無法詳細(xì)了解各方面因素對分析結(jié)果的影響；由于對某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，也無法提供評估結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的支持?jǐn)?shù)據(jù)。因此，進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)的CFD計(jì)算非常必要。

3 CFD技術(shù)的應(yīng)用

商用CFD軟件采用的流體理論和數(shù)值算法經(jīng)過長期的科學(xué)論證，比較成熟，可以用于處理發(fā)動機(jī)集氣腔、渦輪盤腔、管路、篦齒等局部流動比較復(fù)雜空腔的流動、傳熱傳質(zhì)問題。對于某些不考慮旋轉(zhuǎn)因素的流動與換熱數(shù)值模擬，其分析結(jié)果的可信度更高。本文以發(fā)動機(jī)上常見的集氣腔、渦輪葉片內(nèi)冷氣導(dǎo)管為研究對象，討論CFD技術(shù)在發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況。

3.1 渦輪冷卻空氣集氣腔設(shè)計(jì)分析

渦輪冷卻空氣集氣腔設(shè)計(jì)的目的是將外部管路引入的高壓低溫氣體在此腔均壓后，從下游各導(dǎo)葉內(nèi)部通道進(jìn)入渦輪盤腔，實(shí)現(xiàn)對盤組件的冷卻。集氣腔內(nèi)部壓力均勻，有利于進(jìn)入渦輪盤腔的冷氣溫度、壓力周向均勻，對渦輪部件的冷卻是有益的。

針對2種集氣腔結(jié)構(gòu)，分別取整環(huán)的1/4和1/8作為研究對象，根據(jù)CFD分析的流動情況，提出了幾種結(jié)構(gòu)方案。方案1、2是根據(jù)第1種集氣腔的結(jié)構(gòu)情況做的改動，具體結(jié)構(gòu)如圖3～6所示；方案3是第2種集氣腔結(jié)構(gòu)的改動情況，其結(jié)構(gòu)如圖7、8所示。集氣腔各出口的不均勻性分析結(jié)果如圖9所示，各結(jié)構(gòu)方案的出口流量不均勻性對比見表1。

表1 各出口流量的均勻性比較

從分析結(jié)果可知，幾種改進(jìn)方案的各出口氣流流量都比原方案的分布均勻如圖10所示，其中方案3的效果最好。這主要是由于進(jìn)入集氣腔的引氣管數(shù)量較少，雖然周向分布基本均勻，但2個引氣管之間的區(qū)域壓力相對較小。方案3在正對引氣管出口的下方增加了擋板，避免了氣流進(jìn)入集氣腔后直接從最近的出口排出，改善了各出口的均勻性。另外，第2種集氣腔的均勻性優(yōu)于第1種集氣腔的，也是由于第2種集氣腔的引氣管數(shù)量較多，有助于提高腔內(nèi)壓力分布的均勻性。

3.2 低壓渦輪導(dǎo)向葉片冷氣導(dǎo)管內(nèi)氣體沿程溫度分析

航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪導(dǎo)向葉片通常是1個空心葉片（其結(jié)構(gòu)如圖11所示），作為從發(fā)動機(jī)外部引入的渦輪盤組件冷卻空氣的通道。為了盡量減少葉身外表面燃?xì)獾臎_刷對冷氣溫度的影響，在導(dǎo)向葉片內(nèi)部安裝冷氣導(dǎo)管。

進(jìn)行導(dǎo)管內(nèi)冷氣沿程溫升數(shù)值模擬，以尋找影響冷氣沿程溫增的主要因素。分別模擬了帶導(dǎo)管和不帶導(dǎo)管2種情況，同時考慮了葉片表面的燃?xì)鉁囟人揭约巴ㄟ^葉片內(nèi)部的冷氣流量對氣流沿程溫增的影響。計(jì)算模型及數(shù)值模擬結(jié)果如圖12、13所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果對比

由此可見，去掉冷氣導(dǎo)管雖然對提高導(dǎo)葉的流通能力起到一定作用，但對控制冷氣的沿程溫增來說，卻有些得不償失。雖然冷氣導(dǎo)管與葉身的接觸面積很小，但燃?xì)鉁囟纫廊皇怯绊憵怏w沿程溫增的最主要因素。

4 結(jié)束語

在進(jìn)行渦輪冷卻空氣集氣腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要考慮到由于引氣管布置的影響，必然會導(dǎo)致集氣腔內(nèi)壓力分布不均勻，從而導(dǎo)致集氣腔各出口的流量不均，是下游流路冷卻設(shè)計(jì)的不利因素。通過結(jié)構(gòu)調(diào)整，如在引氣管的出口部位增加擋板，改善局部的不均勻性，在一定程度上消除了該不利因素。

低壓渦輪導(dǎo)向葉片內(nèi)冷氣沿程溫增的試車測試結(jié)果高于設(shè)計(jì)預(yù)期。通過CFD分析，綜合考慮各方面的影響，認(rèn)為燃?xì)鉁囟鹊乃?、冷氣流量是影響該溫增的最主要因素。此分析結(jié)果可以通過部件試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

盡管CFD技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)靜子件的流動分析，是空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有益補(bǔ)充。但在應(yīng)用過程中，以下因素影響了CFD技術(shù)發(fā)揮更大的作用。

（1）商用CFD軟件界面友好，上手快。但數(shù)值模型的網(wǎng)格質(zhì)量、分析結(jié)果的收斂性對分析結(jié)果的正確性影響很大。這對使用者的技術(shù)水平要求較高，只有經(jīng)驗(yàn)豐富的使用者的分析結(jié)果才具有參考價值。

（2）商用CFD軟件模擬流動與換熱現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型很豐富，具有很強(qiáng)的通用型，但在處理發(fā)動機(jī)某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，模型的針對性則不足。此時CFD分析結(jié)果只能作為設(shè)計(jì)工作的參考。為了提供準(zhǔn)確度較高的定量分析結(jié)果，還需要大量試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)支持。

（3）對發(fā)動機(jī)的熱端部件尤其是轉(zhuǎn)子件的溫度預(yù)估十分重要。目前CFD技術(shù)對于轉(zhuǎn)動系、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)系的流動分析，尤其是換熱特性分析仍有較大誤差，需通過更多試驗(yàn)研究來完善。

綜上所述，在整機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，只能將局部流動比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)作為1個或幾個元件進(jìn)行處理，對元件內(nèi)部的流動組織情況、各因素對溫度的影響程度無法給出定量結(jié)果,這種處理方法可以滿足發(fā)動機(jī)初步設(shè)計(jì)階段的要求，但無法對發(fā)動機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)提供更高精度的指導(dǎo)。CFD應(yīng)用使得流動與換熱的細(xì)節(jié)分析成為可能，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)、部件試驗(yàn)驗(yàn)證和整機(jī)試車參數(shù)的測試結(jié)果分析等工程研制工作提供了數(shù)據(jù)支持。但為了在空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時更好地應(yīng)用CFD技術(shù)，還需要進(jìn)行大量針對性試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)對湍流模型等主要影響分析結(jié)果因素的修正，提高應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的成熟度。這也是航空發(fā)動機(jī)空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)一步深化研究的方向之一。

[1]]Zimmermann H.Some aerodynamic aspects of engine secondary air systems [J].Journal of Engineering for Gas Turbine and Power.1990,112:223- 228.

[2]航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)手冊總編委會.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)手冊（第16冊）[M].北京:航空工業(yè)出版社，2001.