預旋噴嘴對預旋系統(tǒng)溫降特性的數(shù)值研究

徐 昊,王鎖芳

(1.南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016；2.江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室， 南京 210016)

?

預旋噴嘴對預旋系統(tǒng)溫降特性的數(shù)值研究

徐 昊1,2,王鎖芳1,2

(1.南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016；2.江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室， 南京 210016)

預旋噴嘴的結構參數(shù)主要有預旋噴嘴面積、預旋噴嘴角度和預旋噴嘴的軸向長度。通過試驗驗證了湍流模型，對存在摻混進氣的蓋板預旋系統(tǒng)的溫降特性進行數(shù)值模擬。在其他條件一定的情況下，分析了預旋噴嘴面積、噴嘴角度和噴嘴軸向長度對系統(tǒng)溫降的影響。研究結果表明：隨著預旋噴嘴面積增加，噴嘴內壓力損失降低，進入盤腔內的質量流量增大，盤腔內的靜溫降低，有利于增加預旋溫降效果；隨著預旋噴嘴角度的增加，降低了氣流流出噴嘴時的周向速度，預旋溫降效果變差；預旋系統(tǒng)溫降隨預旋噴嘴軸向長度的增加先增加后降低。

預旋噴嘴；結構參數(shù)；溫降；摻混進氣

隨著航空發(fā)動機性能的提升，渦輪前燃氣溫度也隨之不斷提高，這使得發(fā)動機部件承受著嚴酷的熱負荷和機械負荷，因此需要對高溫部件進行冷卻。目前對渦輪轉子葉片的冷卻普遍使用預旋進氣方式。通過預旋噴嘴使氣體膨脹，噴嘴出口處產(chǎn)生較大的周向速度分量，降低氣流與轉盤之間的相對速度，從而達到降低相對總溫的目的。

近年來，國內外學者對預旋系統(tǒng)進行了一定研究。Meierhofer 和Franklin[1]測量了真實形狀的渦輪盤腔中預旋進氣的冷卻效果，從流體運動和能量的角度進行了分析。El-Oun和Owen[2-3]對直導式預旋系統(tǒng)進行了研究，運用雷諾相似原理，發(fā)現(xiàn)了氣流相對總溫和旋流比之間的關系。Popp[4]運用CFD軟件對蓋板預旋系統(tǒng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)接受孔和預旋孔的面積比對預旋溫降效果起著關鍵作用。Karabay等[5-8]通過理論分析和試驗，對預旋系統(tǒng)的預旋性能進行了進一步分析。國內學者也對預旋系統(tǒng)進行了大量研究。劉高文[9-10]對預旋系統(tǒng)進行了簡化，研究了靜止條件下預旋噴嘴對盤腔內流動特性的影響。朱曉華[11]對蓋板預旋系統(tǒng)的溫降和壓力損失進行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)了預旋系統(tǒng)中影響溫降的因素。徐國強、羅翔[12]對旋轉盤腔的流動和換熱情況進行了研究。王鎖芳[13]對渦輪盤腔進行簡化，對直導式預旋系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬和試驗研究。

預旋系統(tǒng)內流體的角動量主要產(chǎn)生在預旋噴嘴中,對預旋溫降有關鍵性的影響，因此對預旋噴嘴的分析就顯得至關重要。前人對預旋系統(tǒng)的研究集中于無摻混模型，主要關注預旋噴嘴內的流動特性。本文研究了預旋噴嘴的3個參數(shù)：預旋噴嘴面積、預旋噴嘴角度和預旋噴嘴的軸向長度。用數(shù)值模擬得到了預旋噴嘴結構參數(shù)的改變對預旋溫降的影響，對發(fā)動機預旋系統(tǒng)的冷卻降溫和預旋噴嘴的工程設計具有參考意義。

1 物理模型

本文研究的蓋板預旋系統(tǒng)模型如圖1所示。主要結構及尺寸為：預旋噴嘴個數(shù)為36個，周向均布，徑向位置Rp=rp/b=0.806；蓋板上的接受孔數(shù)目為36個，徑向位置Rr=rr/b=0.804；摻混進氣的徑向位置Ris=ris/b=0.777；封嚴出口的徑向位置Ros=ros/b=0.853。

圖1 蓋板預旋系統(tǒng)模型

2 數(shù)值計算方法

2.1 計算模型與網(wǎng)格劃分

由于研究對象具有周向對稱性，因此取整體盤腔模型的1/36建立三維模型。轉靜腔中采用非結構化網(wǎng)格、共轉腔中采用結構化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，在進出口處進行網(wǎng)格加密。對建立的模型進行網(wǎng)格獨立性驗證后，選取網(wǎng)格數(shù)為90萬左右進行計算。計算模型和網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 計算模型和網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

計算模型分成靜止域和旋轉域兩個部分。進氣腔和預旋噴嘴設置為靜止域。轉靜腔、接受孔和共轉腔設置為旋轉域。計算模型所有壁面絕熱無滑移。對稱面設置為旋轉周期性邊界條件，兩個進口設定為壓力進口邊界，給定進口總壓和溫度。出口設為壓力出口邊界，給定出口靜壓。流體為真實氣體，考慮可壓縮性，其黏性通過sutherland公式給定。

2.3 試驗驗證和湍流模型選取

圖3 試驗設備布置示意圖

試驗件結構參數(shù)為預旋噴嘴角度35°，預旋孔和接收孔個數(shù)均為36個。預旋噴嘴、摻混進口、接受孔、主流出口、封嚴出口的面積比為Ap∶Ais∶Ars∶Ao∶Aos=4∶2∶24∶24∶3。數(shù)值模擬選取了標準k-ε和RNGk-ε兩種湍流模型。選取工況和試驗工況相同。圖4為兩種湍流模型計算值和試驗值的比較?？梢钥闯?，選取標準k-ε模型的計算結果與試驗值更加接近。轉速越高，計算值與試驗值的結果越接近?？紤]到本文的計算工況為高旋轉雷諾數(shù)，因此本文選取標準k-ε模型進行計算。

圖4 不同湍流模型下預旋溫降計算值和實驗值的比較

3 計算結果與分析

定義無量綱參數(shù)：

圖5 預旋噴嘴的幾何參數(shù)

3.1 預旋噴嘴面積的影響

本節(jié)保證預旋噴嘴角度θ和軸向長度La不變，研究不同的預旋面積對預旋溫降的影響規(guī)律。噴嘴面積的變化范圍為8～29 mm2。

圖6(a)為當壓比為1.75和1.85時，總壓系數(shù)隨預旋噴嘴面積變化的規(guī)律。由圖中可以看出，隨著預旋噴嘴面積的增加，總壓系數(shù)隨之降低，不同壓比下的總壓系數(shù)變化規(guī)律一致。預旋系統(tǒng)的壓力損失主要發(fā)生在預旋噴嘴中，隨著噴嘴面積的增加，氣體流經(jīng)預旋噴嘴的阻力大幅度下降，從而使系統(tǒng)的總壓系數(shù)明顯降低。由圖6(b) 可以看出，由于預旋噴嘴面積的增加，導致總壓系數(shù)降低，從而使進入盤腔的無量綱質量流量增加，無量綱質量流量的變化幅度為214%。由圖6(c)看出，噴嘴出口處的旋流比變化較小，變化幅度為1.7%。圖6(d)給出了預旋溫降隨噴嘴面積的變化曲線。由圖中看出，隨著預旋噴嘴面積的增加，溫降效果增加。預旋系統(tǒng)的溫降效果主要受預旋噴嘴出口處的旋流比和盤腔內的靜溫影響,而靜溫受流進盤腔的無量綱質量流量的影響。此時盤腔靜溫的影響起主導因素。氣體在預旋噴嘴出口處的溫度基本不變，不同半徑的噴嘴對應的溫度變化主要發(fā)生在轉靜腔中，這是因為噴嘴面積越大，進入轉靜腔中的預旋氣流就越多，從而降低了轉靜腔中的靜溫。同時進入轉靜腔的摻混氣流流量基本不變，越來越多的預旋氣流與摻混氣流混合，使溫降效果更好，因此預旋溫降隨著噴嘴面積的增加而增加。

圖6 預旋性能隨噴嘴面積的變化曲線

圖7為預旋噴嘴面積不同時的靜溫云圖。氣流經(jīng)過預旋噴嘴膨脹加速后以較低的溫度進入轉靜腔，在轉靜腔中與來自摻混進氣的高溫氣體混合后穿過接受孔，進入共轉腔。噴嘴面積較小時，預旋氣流流量較少，受摻混氣流的影響較大，盤腔中的靜溫較高；隨著噴嘴面積的增加，通過預旋噴嘴的冷氣氣流增加，降低了摻混后穿過接受孔的氣流溫度，從而降低了盤腔內的靜溫，提升了預旋系統(tǒng)的溫降效果。

3.2 預旋噴嘴角度的影響

保證預旋噴嘴面積和軸向長度不變，研究不同的噴嘴角度對預旋溫降的影響規(guī)律。預旋噴嘴的變化范圍為15°～35°。

圖8(a)是壓比分別為1.65和1.75時不同的預旋噴嘴角度對預旋系統(tǒng)溫降的影響。由圖可見，在兩種進氣壓比下相應曲線的變化趨勢基本上是一致的，隨著預旋噴嘴角度的增加，預旋溫降效果逐漸降低。由圖8(b)可見，無量綱質量流量隨著預旋噴嘴角度的增加而增加，增加幅度為6.38%。圖8(c)為預旋噴嘴出口旋流比和噴嘴角度的關系曲線。由圖中可以看出，噴嘴出口的旋流比隨著預旋噴嘴角度的增加而降低，降低幅度為14%。此時旋流比的變化對預旋溫降的影響起主要作用。隨著預旋噴嘴角度的增加，氣流流出預旋噴嘴時的旋流比降低，預旋溫降效果變差。

圖7 不同噴嘴面積下的靜溫云圖

圖8 預旋性能隨噴嘴角度的變化曲線

圖9為氣流經(jīng)過預旋噴嘴軸線截面的速度矢量圖。氣流進入進氣腔后流向預旋噴嘴，氣流在預旋噴嘴內發(fā)生了較大的分離，使噴嘴內形成喉道。在噴嘴進口處，由于氣流的拐角過大，邊界層不再附壁，產(chǎn)生了一個明顯的速度分離區(qū)，對流動產(chǎn)生了阻礙，造成了流動損失。由圖中可以看出，預旋噴嘴角度越小，速度分離區(qū)就越大，造成的流動損失也越大，從而降低了預旋噴嘴的出口壓力。

圖9 不同噴嘴角度下的速度矢量圖

3.3 軸向長度的影響

本節(jié)在保證預旋噴嘴面積和角度不變的情況下，通過改變預旋噴嘴的軸向長度來改變長徑比，研究不同的軸向長度對預旋溫降的影響規(guī)律。長徑比的變化范圍為2～12。

由圖10可以看出，當壓比不同時，預旋溫降隨著軸向長度的改變規(guī)律趨勢是一樣的，隨著軸向長度的增加先增加后降低。氣流在預旋噴嘴中受到噴嘴拐角的影響，形成了一個喉道，氣流先膨脹加速，當速度達到最大值后開始逐漸降低。當軸向長度較小時，氣流沒有經(jīng)過充分的預旋直接通過噴嘴，氣流流出噴嘴時的周向速度較低，因此溫降效果較差。隨著軸向長度的逐漸增加，氣體速度在喉道中達到最大值，此時氣體直接流出噴嘴進入轉靜腔，氣流的周向速度較大，溫降效果最好。隨著軸向長度繼續(xù)增加，氣流在噴嘴中開始減速，氣流流出噴嘴的周向速度開始降低，溫降效果逐漸變差。

圖10 預旋溫降隨噴嘴軸向長度的變化曲線

圖11為預旋盤腔中的馬赫數(shù)云圖。由圖11可以看出：當長徑比為2.6時，氣流在預旋噴嘴出口處正好達到最大馬赫數(shù)，此時氣流的速度較大。當長徑比為5.9時，氣流經(jīng)過噴嘴時馬赫數(shù)先增加后逐漸降低，氣流流出噴嘴出口時的速度變小。因此，在預旋噴嘴軸向長度的設計中，應盡可能設計合理的軸向長度，使氣流在預旋噴嘴中以最大速度從噴嘴中流出，此時能獲得最大的周向速度，從而提高預旋氣體的溫降效果。

4 結論

本文針對預旋噴嘴的結構設計進行研究，通過試驗驗證后選取標準k-ε湍流模型對預旋系統(tǒng)的溫降情況進行了數(shù)值模擬，研究了預旋噴嘴面積、預旋噴嘴角度、預旋噴嘴軸向長度3種結構參數(shù)的影響。主要結論如下：

1)預旋噴嘴面積的增加可以降低總壓系數(shù)，增加進入盤腔的質量流量，降低盤腔內的靜溫，從而提高預旋系統(tǒng)的溫降效果。

2)預旋噴嘴角度的增加降低了氣流流出噴嘴時的周向速度，使旋流比降低，從而導致預旋系統(tǒng)的溫降效果變差。

3)氣流在噴嘴中先膨脹加速，然后速度逐漸降低，因此應盡可能設計合理的噴嘴軸向長度，使氣流在預旋噴嘴中以最大速度從噴嘴中流出，提高預旋氣體的溫降效果。

圖11 不同預旋噴嘴長度的馬赫數(shù)云圖

[1] El-Oun Z,Owen J M.Pre-swirl blade-cooling efectiveness in an adiabatic rotor-stator system[J].Journal of Turbomachinery,1988,111(4),522-529.

[2] Geis T,Dittmann M,Dullenkopf K.Cooling air temperature reduction in a direct transfer preswirl system[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2004,126(4):809-815.

[3] Owen J M.Modelling internal air systems in gas turbine engines[J].Journal of Aerospace Power，2007,22(4):505-520.

[4] Popp O,Zimmermann H,Kutz J.CFD analysis of cover-plate receiver flow[J].Journal of Turbomachinery,1998,120(1):43-49.

[5] Karabay H,Chen J X,Pillbrow R,et al.Flow in a “coverplate” preswirl rotor-stator system[J].Journal of Turbomachinery,1999,121(1):160-166.

[6] Karabay H,Pilbrow R,Wilson M,et al.Performance of pre-swirl rotating-disc systems [J].ASME Journal of Gas Turbines and Power,2000,122(3):442-450.

[7] Lewis P,Wilson M,ock G D,et al.Effect of radial location of nozzles on performance of preswirl systems:a computational and theoretical study[J].Journal of Power and Energy,2009,223(2):179-190.

[8] Young C,Snowsill G D.CFD Prediction of Secondary Airflow Through Holes in Rotating Shafts[J].ASME Conference ProceedingsASME Conf Proc,2003,2003(36886):905.

[9] 劉高文，張林，李碧云，等.擴口孔型預旋噴嘴流動與溫降特性[J].推進技術，2013,34(3)：390-396.

[10]劉高文，張林，務衛(wèi)濤，等.長徑比對預旋孔流動特性影響的數(shù)值研究[J].推進技術，2013,34(5)：644-650.

[11]朱曉華，劉高文.帶蓋板的預旋系統(tǒng)溫降和壓力損失數(shù)值研究[J].航空動力學報， 2010，25(11)：2498-2506.

[12]徐國強，陶智,丁水汀，等.中心進氣旋轉盤流動與換熱的數(shù)值研究[J].航空動力學報，2000,15(2)：169-173.

[13]王開,徐國強,陶智,等.直徑比對沖擊氣膜組合冷卻流動與換熱的影響[J].航空學報， 2008(4):823-828.

[14]王鎖芳，朱強華，張羽，等.預旋進氣位置對轉靜盤腔換熱影響的數(shù)值研究[J].航空動力學報， 2007，22(8):1227-1232.

(責任編輯 劉 舸)

Numerical Research on Influences of Pre-Swirl Nozzle on Temperature Reduction Characteristic of Pre-Swirl System

XU Hao1,2, WANG Suo-fang1,2

(1.College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 21001, China; 2. Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems, Nanjing 210016, China)

The structure parameters of pre-swirl nozzle include pre-swirl nozzle area, pre-swirl angle and the axial length of pre-swirl nozzles. The selected turbulence model was valid by experiments and the numerical simulation was conducted to investigate the temperature reduction of a cover-plate pre-swirl system with the seal leakage flow. Under the certain conditions, the influence of temperature reduction was carried out by changing pre-swirl nozzle area, pre-swirl angle and the axial length of pre-swirl nozzles. The results show that with the increase of the pre-swirl nozzle area, the pressure loss decreases in the nozzle, the mass flow rate increased and static temperature reduces, which is helpful to the temperature reduction. With the increasing of the pre-swirl nozzle angle, circumferential velocity is smaller and the temperature reduction is lower. Temperature reduction takes on an up-down tendency with the increasing of the axial length of pre-swirl nozzles.

pre-swirl nozzle; structure parameters; temperature reduction; seal leakage

2014-10-20 作者簡介：徐昊(1990—)，男，江蘇人，碩士研究生，主要從事發(fā)動機流動與冷卻研究。

徐昊,王鎖芳.預旋噴嘴對預旋系統(tǒng)溫降特性的數(shù)值研究[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(3):30-36.

format：XU Hao, WANG Suo-fang.Numerical Research on Influences of Pre-Swirl Nozzle on Temperature Reduction Characteristic of Pre-Swirl System[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):30-36.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.007

V231.2

A

1674-8425(2015)03-0030-07