旋轉(zhuǎn)盤腔去旋系統(tǒng)數(shù)值模擬

趙秋月，婁德倉(cāng)，郭文，王代軍

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

旋轉(zhuǎn)盤腔去旋系統(tǒng)數(shù)值模擬

趙秋月，婁德倉(cāng)，郭文，王代軍

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

對(duì)帶有管式減渦器的盤腔內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了減渦管的長(zhǎng)度、管徑和引氣鼓筒孔的外形及尺寸，對(duì)盤腔內(nèi)壓力損失、流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算結(jié)果表明：管式減渦器對(duì)于降低引氣氣流的壓力損失有顯著作用，存在最佳的減渦管長(zhǎng)度使得引氣的壓力損失最??；減渦管管徑、鼓筒孔面積增大都會(huì)減少流動(dòng)損失；在鼓筒孔面積一定的情況下，長(zhǎng)圓形鼓筒孔的性能比圓形鼓筒孔的更優(yōu)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；管式減渦器；旋轉(zhuǎn)盤腔；鼓筒孔；壓力損失；流動(dòng)特性；數(shù)值模擬

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)中，氣流經(jīng)壓氣機(jī)根部環(huán)縫引出后，周向速度很大，使得氣流沿盤腔徑向內(nèi)流過程中產(chǎn)生渦流。而渦流引起的壓力損失非常大，同時(shí)氣流的沿程溫升也非常明顯。因此，盤腔內(nèi)設(shè)置減渦器，以阻止渦流的發(fā)展。

減渦器的常見結(jié)構(gòu)有管式、反旋噴嘴式、導(dǎo)流片式等。其中，管式減渦器是通過一套安裝于壓氣機(jī)盤腔引氣流路中的徑向減渦管，將從壓氣機(jī)葉片根部引出的空氣經(jīng)鼓筒孔進(jìn)入盤腔中，并導(dǎo)入壓氣機(jī)盤心通道，以降低氣流在壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)的壓力損失。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，只要減渦管有效面積足夠大，使得氣流在減渦管內(nèi)的流動(dòng)速度較低，由摩擦引起的壓力損失會(huì)非常小。但其缺點(diǎn)是，高速旋轉(zhuǎn)的減渦管易誘發(fā)振動(dòng)，存在高周疲勞引起減渦管破裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)。Peitsch等[1]對(duì)管式減渦器的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，表明基于壓力求解器(分離求解器)的計(jì)算結(jié)果與理論值接近，標(biāo)準(zhǔn)realizablek-ε紊流模型更適合求解該類流動(dòng)，減渦管出口的渦流發(fā)展對(duì)總引氣損失影響非常明顯。Gunther等[2]在一專用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)備上對(duì)不同結(jié)構(gòu)的減渦器進(jìn)行了試驗(yàn)研究。反旋噴嘴式減渦器由設(shè)置在壓氣機(jī)盤鼓上的一整圈類似噴嘴的導(dǎo)流孔組成，噴嘴方向與盤旋轉(zhuǎn)方向相反。這種結(jié)構(gòu)能減弱噴嘴下游的渦流發(fā)展，從而避免強(qiáng)自由渦流的形成。文獻(xiàn)[3]～[5]對(duì)反旋噴嘴式減渦器的基本物理特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析。Pfitzner等[6]試驗(yàn)分析了在BR700發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過程中反旋噴嘴和管式噴嘴設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)流動(dòng)特性的影響。導(dǎo)流片式減渦器由安裝在壓氣機(jī)盤腔中的若干個(gè)導(dǎo)流片組成，導(dǎo)流片將壓氣機(jī)盤腔沿周向分隔成若干個(gè)扇形流動(dòng)通道。Du等[7]對(duì)直板、阿基米德曲線、雙曲線和對(duì)數(shù)曲線等不同樣式導(dǎo)流片下的減渦器特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，表明導(dǎo)流片個(gè)數(shù)、導(dǎo)流片進(jìn)氣端傾角和導(dǎo)流片形狀(曲率)均對(duì)流動(dòng)損失有顯著影響。

本文以管式減渦器為研究對(duì)象，數(shù)值研究了減渦管長(zhǎng)度、內(nèi)徑和引氣鼓筒孔外形及尺寸，對(duì)減渦器流動(dòng)特性及壓力損失的影響。

2 計(jì)算模型

計(jì)算模型的二維軸對(duì)稱示意圖如圖1所示。圖中主流道上表面高度r1為24.9 mm，主流道下表面高度r2為218.4 mm，鼓筒高度r3為201.3 mm，出口處外徑r4為80.8 mm，出口處內(nèi)徑r5為65.0 mm，主流引氣縫寬L1為10.8 mm，盤腔間距L2為51.55 mm。整個(gè)減渦器有減渦管15根，鼓筒孔15個(gè)，減渦管與鼓筒孔入口在周向正對(duì)，在軸向非正對(duì)。由于鼓筒孔及減渦管在周向?qū)ΨQ分布，在周向取24°扇形區(qū)域(即計(jì)算模型中含有一個(gè)減渦管，對(duì)應(yīng)一個(gè)鼓筒孔)建模。

為研究減渦管長(zhǎng)度、內(nèi)徑對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，減渦管長(zhǎng)度分別選取為0、31、51、61、91、111 mm，減渦管內(nèi)徑分別選取為10、15、18 mm。為研究鼓筒孔外形及尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，選取圓形鼓筒孔(半徑R1分別為9.0、17.5 mm)及長(zhǎng)圓形鼓筒孔(鼓筒孔尺寸L分別為19.7、15.0、25.0 mm，兩端半圓弧半徑R2分別對(duì)應(yīng)為4.5、5.2、3.9 mm，依次命名為長(zhǎng)圓孔1～3)兩種外形，如圖2所示。

圖1 壓氣機(jī)盤腔二維軸對(duì)稱示意圖Fig.1 Planar axial symmetry diagram of compressor cavity

圖2 鼓筒孔外形示意圖Fig.2 Diagram of offtake cross section

3 計(jì)算方法

減渦器的計(jì)算網(wǎng)格域如圖3所示，采用GAMBIT及ICEM CFD劃分，為非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。對(duì)計(jì)算域進(jìn)行分區(qū)，其中主流道為靜止域，求解絕對(duì)坐標(biāo)系微分方程；從鼓筒孔進(jìn)口起為旋轉(zhuǎn)域，求解相對(duì)坐標(biāo)系微分方程。轉(zhuǎn)靜交界面設(shè)定為Frozen Rotor。

圖3 減渦器計(jì)算網(wǎng)格域Fig.3 Computational grid domain of the vortex reducer

所有工況的邊界條件相同，主流進(jìn)口給定入口氣流質(zhì)量流量3.240 kg/s，總溫770 K；主流出口給定出口氣流靜壓1.775 MPa，質(zhì)量流量0.071 kg/s；旋轉(zhuǎn)速度為16 476 r/min。利用CFX軟件計(jì)算，能量方程設(shè)定為Total Energy，采用SST湍流模型。使用自動(dòng)壁面處理，材料密度采用理想氣體計(jì)算，所有計(jì)算工況計(jì)算結(jié)束時(shí)的殘差均收斂在10-5以下。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 圓形鼓筒孔

研究鼓筒孔孔徑為9.0 mm及17.5 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)不同減渦管長(zhǎng)度和管徑下盤腔內(nèi)的壓力分布及流動(dòng)特性。

4.1.1 壓力分布

由于所有工況的邊界條件相同，主流流體的進(jìn)口總壓相同，定義壓比為計(jì)算域進(jìn)口總壓與計(jì)算域出口靜壓的比值。圖4給出了不同鼓筒孔孔徑下減渦器的壓比分布曲線。

圖4 不同鼓筒孔孔徑下減渦器的壓比Fig.4 Pressure ratios of the vortex reducer with different offtake cross section diameters

從圖4(a)中可看出，鼓筒孔孔徑為17.5 mm時(shí)的壓比明顯小于孔徑為9.0 mm時(shí)的壓比。不同鼓筒孔孔徑下，減渦管存在最佳管長(zhǎng)(即壓比最小)。孔徑為9.0 mm時(shí)，最佳管長(zhǎng)為91 mm；孔徑為17.5 mm時(shí)，最佳管長(zhǎng)為71 mm。兩種孔徑下，壓比隨減渦管管長(zhǎng)的變化規(guī)律不同：孔徑為9.0 mm時(shí)，管長(zhǎng)在71～91 mm范圍，出口保持較高靜壓，但壓力變化很大；管長(zhǎng)在61～71 mm范圍，出口靜壓變化不大；管長(zhǎng)小于61 mm或大于91 mm，出口靜壓迅速下降?？讖綖?7.5 mm時(shí)，管長(zhǎng)在51～91 mm范圍，出口保持較高靜壓，且壓力變化很?。还荛L(zhǎng)小于51 mm后，出口靜壓迅速下降。

從圖4(b)中可看出，不同鼓筒孔孔徑下，壓比隨減渦管內(nèi)徑的變化規(guī)律不同。鼓筒孔孔徑為9.0 mm時(shí)，壓比為非單調(diào)變化，管徑在10～15 mm范圍，壓比變小，但變化幅度很大；管徑在15～18 mm范圍，壓比增大，但變化幅度不大。鼓筒孔孔徑為17.5 mm時(shí)，隨著減渦管內(nèi)徑的增加，流阻減小，壓比單調(diào)遞減，管徑在15～18 mm范圍的壓力變化，要大于管徑在10～15 mm范圍的壓力變化。

綜上所述：增大鼓筒孔面積可減少壓力損失，在不同減渦管內(nèi)徑及減渦管最佳管長(zhǎng)附近，鼓筒孔孔徑為17.5 mm時(shí)的壓比變化要小于孔徑為9.0 mm時(shí)的壓比變化，且流動(dòng)特性更為穩(wěn)定。

4.1.2 流動(dòng)特性

圖5給出了計(jì)算所得部分r-z平面內(nèi)的流線云圖。從圖中可以看出，減渦管對(duì)于減少盤腔內(nèi)的渦流有很大作用，不同管長(zhǎng)的減渦管減少渦流的程度不同。減渦管管長(zhǎng)為91 mm時(shí)，除盤腔兩側(cè)上方出現(xiàn)旋渦外，減渦管上方也出現(xiàn)了旋渦；管長(zhǎng)為71 mm時(shí)，減渦管口無旋渦，僅在盤腔上方出現(xiàn)旋渦，氣體在進(jìn)入管口及在管內(nèi)流動(dòng)過程中較為順暢；管長(zhǎng)為31 mm時(shí)，盤腔內(nèi)旋渦變大，流動(dòng)損失增大；管長(zhǎng)為71 mm、管徑為18 mm時(shí)，氣流流動(dòng)變化不大，減渦管入口處氣流流動(dòng)更為順暢；管長(zhǎng)為71 mm、管徑為10 mm時(shí)，減渦管的節(jié)流作用更大，使得減渦管內(nèi)氣流流速較大，增加了壓力損失。

圖6給出了管長(zhǎng)為71 mm時(shí)r-z平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)域在相對(duì)坐標(biāo)系下的周向速度及徑向速度云圖。從圖6(a)可看出，氣流在進(jìn)入減渦管前周向相對(duì)速度為負(fù)，在減渦管入口處周向相對(duì)速度接近于0，進(jìn)入減渦管后周向相對(duì)速度為正，這表明減渦管放置在周向相對(duì)速度為0的位置壓力損失最小。從圖6(b)可看出，減渦管內(nèi)徑向速度均為負(fù)值，表明管內(nèi)氣流徑向內(nèi)流。減渦管上方及兩側(cè)上方的綠色區(qū)域表明氣流也是徑向內(nèi)流；盤腔內(nèi)黃色區(qū)域徑向速度為正值的地方，氣流徑向外流，產(chǎn)生旋渦。

圖5 鼓筒孔孔徑17.5 mm時(shí)減渦器的流線圖Fig.5 Flow pattern of the vortex reducer when the offtake cross section diameter is 17.5 mm

圖6 鼓筒孔孔徑17.5 mm、減渦管長(zhǎng)71 mm、管徑15 mm時(shí)減渦器的速度云圖Fig.6 Velocity contour of the vortex reducer when the offtake cross section diameter is 17.5 mm,the length and the diameter of the tube is 71 mm and 15 mm respectively

4.2 長(zhǎng)圓形鼓筒孔

在鼓筒孔為長(zhǎng)圓形孔，鼓筒孔面積與鼓筒孔徑為17.5 mm的圓形鼓筒孔面積相同的條件下，研究不同鼓筒孔尺寸，對(duì)應(yīng)不同減渦管管長(zhǎng)、管徑下的壓力分布和流動(dòng)特性。

4.2.1 壓力分布

圖7示出了不同鼓筒孔外形下減渦器壓比隨減渦管長(zhǎng)度的變化。對(duì)于長(zhǎng)圓孔2和長(zhǎng)圓孔3，僅在壓比較小的管長(zhǎng)(61 mm)下對(duì)比。

從圖7(a)中可看出，管長(zhǎng)為91 mm時(shí)，長(zhǎng)圓形鼓筒孔與圓形鼓筒孔的進(jìn)出口壓比幾乎相同；其余管長(zhǎng)下，長(zhǎng)圓形鼓筒孔的壓力損失明顯小于圓形鼓筒孔。兩種孔型在管長(zhǎng)51～71 mm范圍，出口保持較高靜壓，且壓力變化不大；管長(zhǎng)小于51 mm后，出口靜壓迅速下降；管長(zhǎng)在71～91 mm范圍，長(zhǎng)圓形鼓筒孔出口靜壓下降但變化不大。在相同減渦管長(zhǎng)度下，長(zhǎng)圓形鼓筒孔2的壓力損失最大。長(zhǎng)圓形鼓筒孔的最佳管長(zhǎng)為61 mm。

圖7 不同鼓筒孔外形下減渦器的壓比Fig.7 Pressure ratios of the vortex reducer with different offtake cross section configurations

圖8 長(zhǎng)圓形鼓筒孔減渦器的流線圖Fig.8 Flow pattern of the vortex reducer with slotted offtake cross sections

從圖7(b)中可看出，隨著減渦管內(nèi)徑的增加，兩種孔型的進(jìn)出口壓比都下降。管徑為10 mm時(shí)，兩種鼓筒孔的壓比相同；管徑為15 mm時(shí)，長(zhǎng)圓形鼓筒孔的壓比明顯小于圓形鼓筒孔；管徑為18 mm時(shí)，長(zhǎng)圓形鼓筒孔的壓比略大于圓形鼓筒孔。隨著管徑的增加，壓比減小幅度不同。管徑在10～15 mm范圍，圓形鼓筒孔壓比下降幅度小于長(zhǎng)圓形孔；管徑在15～18 mm范圍，圓形鼓筒孔壓比下降幅度大于長(zhǎng)圓形孔，從而導(dǎo)致管徑在10～15 mm范圍，長(zhǎng)圓形鼓筒孔的性能遠(yuǎn)高于圓形孔。

綜上所述：在鼓筒孔面積相同的條件下，長(zhǎng)圓形鼓筒孔的壓力損失明顯小于圓形鼓筒孔，且最佳管長(zhǎng)也比圓形孔的短；面積相同的長(zhǎng)圓孔，其周向長(zhǎng)度的增加使得相同管長(zhǎng)下的壓力損失減??；長(zhǎng)圓形鼓筒孔在減渦管內(nèi)徑15～18 mm范圍，壓比變化很小，在10～15 mm范圍，壓比變化劇烈，在15 mm時(shí)已具有較大的出口靜壓?？筛鶕?jù)質(zhì)量要求，選取小于15 mm的管徑。

4.2.2 流動(dòng)特性

圖8給出了計(jì)算所得部分r-z平面內(nèi)的流線云圖?？梢姡簹饬鹘?jīng)鼓筒孔進(jìn)入盤腔后，3種長(zhǎng)圓孔均在盤腔上方的兩側(cè)出現(xiàn)旋流，左側(cè)盤腔上部的旋流明顯大于右側(cè)盤腔上部的旋流，此處產(chǎn)生一壓力損失，長(zhǎng)圓孔2的左側(cè)旋流最大；氣流進(jìn)入減渦管時(shí)，由于氣流方向與減渦管非正對(duì)，此處產(chǎn)生另一壓力損失，長(zhǎng)圓孔3的氣流較其他兩種更為順暢。對(duì)比圖8和圖5可看出，長(zhǎng)圓形鼓筒孔改變了氣流的方向，使得盤腔內(nèi)的流線發(fā)生了變化，進(jìn)入減渦管中的氣流增多，因此長(zhǎng)圓形孔比圓形孔的壓力損失小。在不同孔徑下，長(zhǎng)圓孔相對(duì)于圓形孔對(duì)應(yīng)于盤腔內(nèi)的流場(chǎng)分布也不同。

5 結(jié)論

(1)減渦器對(duì)于降低引氣氣流的壓力損失有顯著作用，且對(duì)于不同的鼓筒孔外形及尺寸，存在最佳減渦管管長(zhǎng)使引氣的壓力損失最小。

(2)在鼓筒孔面積、減渦管內(nèi)徑和長(zhǎng)度相同情況下，長(zhǎng)圓形鼓筒孔相對(duì)于圓形鼓筒孔壓力損失更小、最佳管長(zhǎng)較小。在加工允許范圍內(nèi)，長(zhǎng)圓形鼓筒孔周向長(zhǎng)度越大(即軸向長(zhǎng)度越小)，壓力損失越小。

(3)鼓筒孔面積較大的情況，壓力損失較小。

(4)在鼓筒孔面積相同的情況下，減渦管內(nèi)徑在10～15 mm范圍內(nèi)，長(zhǎng)圓形孔比圓形孔出口靜壓變化更大。因此在取得相同出口靜壓條件下，可選取內(nèi)徑更小的減渦管，減輕質(zhì)量。

[1]Peitsch D，Stein M，Hein S，et al.Numerical Investigation of Vortex Reducer Flows in the High Pressure Compressor ofMordernAeroengines[R].ASME2002-GT-30674，2002.

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Numerical Simulation for the De-Swirled System in Rotating Cavity

ZHAO Qiu-yue，LOU De-cang，GUO Wen，WANG Dai-jun
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

CFD studies have been performed on the flow characteristics in rotating cavity with tubed vortex reducer.Particular attention was paid to the influence of length and diameter of the tubes along with configu?ration and size of the offtake passage cross sections on the pressure losses and the flow field.The results show that tubed vortex reducers perform well with respect to reducing pressure losses and there exists an op?timum length of the tube.As a rule,the pressure loss decreases with bigger diameter of the tubes and area of the offtake sections,tubed vortex reducers with slotted offtake cross sections perform better than those with circular sections with the same area.

aero-engine；tubed vortex reducer；rotating cavity；offtake passage；pressure losses；flow characteristic；numerical simulation

V232.2

：A

：1672-2620(2014)05-0043-06

2013-12-04；

：2014-06-18

趙秋月(1985-)，女，黑龍江五常人，工程師，碩士，主要從事空氣系統(tǒng)與熱分析工作。