渦輪冷卻空氣增壓裝置的數(shù)值研究

張峻峰

(中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

渦輪冷卻空氣增壓裝置是燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在渦輪冷氣系統(tǒng)中，冷卻空氣由靜止機(jī)匣輸送到旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)時(shí)壓力損失較大，使得旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)的冷氣出口溫度升高，降低冷氣對(duì)葉

片表面和端壁的冷卻性能。冷氣增壓裝置能夠降低冷氣與旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)的相對(duì)速度，減小冷氣流動(dòng)損失，從而降低旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)出口冷氣溫度。增壓技術(shù)在節(jié)能、提高效率等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)［1］，因此，冷氣增壓裝置的研究至關(guān)重要。研究人員對(duì)預(yù)旋噴嘴進(jìn)行過(guò)大量研究，Michael S． Feyedelem［2］等人利用多普勒測(cè)速儀和流場(chǎng)顯示儀器研究了在三種旋流系數(shù)以及混合弗魯?shù)吕字Z數(shù)下，圓形旋流噴嘴所產(chǎn)生的平行或位于自由平面下方的湍流場(chǎng)。柴軍生［3］等人針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍使用的葉柵型預(yù)旋結(jié)構(gòu)，采用商業(yè)軟件CFX 對(duì)某種葉柵型預(yù)旋噴嘴流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了葉柵型預(yù)旋噴嘴的流動(dòng)特點(diǎn)，總結(jié)了一套關(guān)于葉柵型預(yù)旋結(jié)構(gòu)的流體動(dòng)力計(jì)算和預(yù)旋相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法;劉高文［4］等人分別對(duì)預(yù)旋角度為20°的直孔和擴(kuò)口孔型噴嘴進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究了包括速度場(chǎng)、出氣速度、出氣角度、流量系數(shù)、預(yù)旋效率和溫降，并對(duì)單獨(dú)模型的孔流量系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量;高獻(xiàn)娟［5］等人研究了某發(fā)動(dòng)機(jī)雙層結(jié)構(gòu)多葉片的預(yù)旋噴嘴的研制過(guò)程，以及零件材料和成型工藝;劉波［6］等人根據(jù)某型預(yù)旋噴嘴設(shè)計(jì)了試驗(yàn)件，并通過(guò)真實(shí)尺寸預(yù)旋噴嘴流動(dòng)特性試驗(yàn)，獲得了預(yù)旋噴嘴流量系數(shù)隨壓比的變化曲線和出口總壓沿柵距的變化曲線，為某型預(yù)旋噴嘴設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)支持;薛彪［7］等人研究了預(yù)旋噴嘴長(zhǎng)徑比對(duì)噴嘴流量系數(shù)初期角度和流場(chǎng)均勻性的影響。Liao［8］等人對(duì)第一級(jí)渦輪預(yù)旋噴嘴進(jìn)行了研究，結(jié)果表明亞比對(duì)整個(gè)流場(chǎng)有較大影響，但轉(zhuǎn)速對(duì)流場(chǎng)影響不大。Tian［9］等人對(duì)比了兩種高壓渦輪增壓裝置，并得出在這種渦輪中噴嘴轉(zhuǎn)角在70°左右時(shí)，噴嘴有較好的氣動(dòng)效果，其中流量系數(shù)大于0．99，偏轉(zhuǎn)角小于1．3°。

冷氣增壓裝置如圖1 所示，氣體在該結(jié)構(gòu)中減壓加速，并改變出口方向接近為旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，降低二者的周向速度差值。旋轉(zhuǎn)域出口的冷氣直接進(jìn)入葉片內(nèi)部進(jìn)行葉身的內(nèi)部和外部冷卻，因此冷氣溫度的高低直接影響渦輪葉片的換熱性能。本文以預(yù)旋噴嘴的冷氣域和旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)內(nèi)部冷氣通道為研究對(duì)象，分析冷氣增壓裝置的作用過(guò)程，主要研究在有無(wú)預(yù)旋噴嘴和不同出氣角度預(yù)旋噴嘴的情況下，計(jì)算域中冷氣的流動(dòng)特性和旋轉(zhuǎn)域出口冷氣溫度的變化規(guī)律，以期初步指導(dǎo)預(yù)旋噴嘴與旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)的匹配。

圖1 冷氣增壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖［10］

1 幾何模型及數(shù)值模擬方法

圖2 兩種噴嘴模型

1．1 幾何模型

本文各取一個(gè)周期的模型為計(jì)算域，其示意圖如圖2 所示。計(jì)算模型包括靜止冷氣域和旋轉(zhuǎn)冷氣域兩部分。建立兩種數(shù)值計(jì)算模型，第一種不帶預(yù)旋噴嘴，規(guī)定靜止域冷氣出口角為90°;第二種帶預(yù)旋噴嘴，其中預(yù)旋噴嘴的出氣角度可變，與周向的夾角為15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°。預(yù)旋噴嘴為109 個(gè)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉為90 個(gè)。

靜止冷氣域的進(jìn)口高度為1．4 mm，上部的端壁封嚴(yán)間隙為0． 6 mm，下部的篦齒封嚴(yán)間隙為0．5 mm;旋轉(zhuǎn)冷氣域的出口直徑為5 mm，出口處的旋轉(zhuǎn)半徑為493 mm。注意，為了在后面的計(jì)算中體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)冷氣域的周期性，該旋轉(zhuǎn)域中包括一個(gè)與靜止域連接的圓環(huán)旋轉(zhuǎn)域，厚度為0．5 mm。

1．2 數(shù)值模擬方法

1．2．1 邊界條件

在靜止冷氣域，進(jìn)口條件給定總壓2．735 MPa，進(jìn)口總溫為788 K，法向氣流方向，進(jìn)口湍流度為5%;上部端壁封嚴(yán)的出口邊界為靜壓1．042 MPa，下部篦齒封嚴(yán)的出口邊界為靜壓1．029 MPa;與旋轉(zhuǎn)域接觸的壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為9 200 r/min;左右壁面設(shè)置為周期性邊界。在旋轉(zhuǎn)冷氣域，設(shè)置轉(zhuǎn)速為9 200 r/min，冷氣出口邊界給定靜壓，大小為1.66 MPa;圓環(huán)狀旋轉(zhuǎn)域的左右壁面設(shè)置為周期性邊界。湍流模型為標(biāo)準(zhǔn) 模型，其余壁面采用默認(rèn)設(shè)置。

1．2．2 網(wǎng)格劃分

本文主要研究增壓裝置對(duì)冷氣流阻和出口溫度的影響，流體域壁面不涉及換熱的計(jì)算研究，因此計(jì)算域均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。規(guī)定靜止域的全局網(wǎng)格尺度為3，預(yù)旋噴嘴表面的網(wǎng)格因子為0．05，進(jìn)口、端壁出口、篦齒封嚴(yán)和靜動(dòng)交界面處的壁面網(wǎng)格因子為0．1，端壁出口的靜動(dòng)壁面網(wǎng)格因子為0．2，其余壁面的網(wǎng)格因子為默認(rèn)設(shè)置。網(wǎng)格示意圖如圖3所示。

圖3 靜止域網(wǎng)格示意圖

規(guī)定旋轉(zhuǎn)域的全局網(wǎng)格尺度為2，動(dòng)靜交界面的網(wǎng)格因子為0．15，保證旋轉(zhuǎn)域和靜止域的交界面網(wǎng)格尺度一致，其余壁面的網(wǎng)格因子為0．5。圖4為計(jì)算域的網(wǎng)格示意圖。

圖4 旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格示意圖

2 冷氣增壓裝置的作用過(guò)程

旋轉(zhuǎn)域出口的冷氣直接進(jìn)入葉片內(nèi)部進(jìn)行葉身的內(nèi)部和外部冷卻，因此冷氣溫度的高低直接影響渦輪葉片的換熱性能。圖5 給出了預(yù)旋噴嘴出氣角度與旋轉(zhuǎn)域冷氣出口絕對(duì)滯止溫度的關(guān)系，其中alpha 為靜止域進(jìn)口段內(nèi)預(yù)旋導(dǎo)葉冷氣出口方向與額線的夾角。alpha 為0°時(shí)，表示冷氣垂直沖擊旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)?？梢钥闯觯錃忸A(yù)旋能夠有效降低渦輪盤(pán)的冷氣出口絕對(duì)滯止溫度，降低幅值在30 ～60 K。在一定范圍內(nèi)，出口冷氣絕對(duì)滯止溫度隨預(yù)旋角度的增大線性降低;當(dāng)預(yù)旋角度進(jìn)一步增大時(shí)，出口冷氣絕對(duì)滯止溫度先降低后升高。因此，冷氣預(yù)旋角度并非越大越好，本文工況下預(yù)旋角度為65°(alpha約為25°)時(shí)冷氣的出口絕對(duì)滯止溫度最低，能夠較好改善氣體冷卻能力。

由圖6 可以看出不同方案的的出口總壓差別不大，靜壓隨預(yù)旋角度的提高而先降低后略微升高。由于總壓是靜壓和動(dòng)能的疊加，分析可知冷氣預(yù)旋能夠有效促使冷氣的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而降低了與旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)的周向速度差值，削弱了沖擊損失。同時(shí)可以看出預(yù)旋噴嘴略微增加了進(jìn)口段的總壓損失。

圖5 出氣角度與冷氣出口絕對(duì)滯止溫度的關(guān)系圖

圖6 出氣角度與靜止域進(jìn)口段出口的靜壓、總壓的關(guān)系圖

圖7 不同方案的靜止域進(jìn)口段總壓損失

為了進(jìn)一步分析冷氣的特性變化過(guò)程，給出不同出氣角方案的靜止域進(jìn)口段總壓損失，如圖7 所示。分析可知，隨著預(yù)旋角度的增大，靜止域進(jìn)口段的總壓損失先降低后升高。在本文所給的預(yù)旋角度方案中總壓損失一直在升高，同時(shí)預(yù)旋角度為75°時(shí)總壓損失甚至高于未加預(yù)旋噴嘴方案的總壓損失?？倝簱p失體現(xiàn)了可用能的降低，轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，使得氣體靜溫升高。因此，由圖7 可知，流經(jīng)靜止域的進(jìn)口段后，相比于未加預(yù)旋噴嘴方案，本文所有預(yù)旋方案的冷氣溫度隨預(yù)旋角度的增大而逐漸升高。結(jié)合圖6 分析可知，預(yù)旋噴嘴能夠降低旋轉(zhuǎn)域中冷氣溫度，這種降低幅度必然大于靜止域進(jìn)口段中的升高幅度，使得旋轉(zhuǎn)域出口的冷氣溫度隨預(yù)旋角度增大而降低。

圖8 給出了靜止域進(jìn)口段和旋轉(zhuǎn)域的靜壓恢復(fù)系數(shù)，以研究壓力能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程。由圖分析可知，預(yù)旋噴嘴的出現(xiàn)促使靜止域進(jìn)口段中壓力能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化幅度與預(yù)旋角度成正比，這種轉(zhuǎn)化能力隨著預(yù)旋角度的提高先增強(qiáng)后變?nèi)?。在旋轉(zhuǎn)域中，冷氣預(yù)旋使得動(dòng)能向壓力能轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化幅度也與預(yù)旋角度成正比，同時(shí)這種轉(zhuǎn)化能力則隨著預(yù)旋角度的提高先基本不變?nèi)缓笥兴档汀?/p>

由圖8 可知，靜止域進(jìn)口段和旋轉(zhuǎn)域的靜壓恢復(fù)系數(shù)變化規(guī)律不同，無(wú)法指導(dǎo)整個(gè)計(jì)算域中冷氣的性能參數(shù)變化，因此給出計(jì)算域的靜壓恢復(fù)系數(shù)的變化，如圖9 所示。由圖9 可以看出，預(yù)旋噴嘴能夠促進(jìn)整體壓力能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，而且隨著預(yù)旋角度的提高，轉(zhuǎn)化幅度先增大后變小。

圖9 不同方案的計(jì)算域靜壓恢復(fù)系數(shù)

靜止域中二次流的強(qiáng)弱和范圍能夠反映冷氣在該區(qū)域的流動(dòng)損失。圖10 給出了反映冷氣二次流動(dòng)的渦區(qū)范圍對(duì)比圖，取無(wú)預(yù)旋噴嘴的90°和有預(yù)旋噴嘴的30°、20°方案進(jìn)行對(duì)比分析?？梢钥闯隼錃忸A(yù)旋能夠有效降低靜止域中部的二次流強(qiáng)度，尤其是圓圈內(nèi)表示冷氣沖擊旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)時(shí)產(chǎn)生的二次流范圍明顯變小。預(yù)旋噴嘴的吸力側(cè)表面存在少量渦區(qū)，端區(qū)的狹窄封嚴(yán)通道出現(xiàn)部分二次流，不利于整體流阻損失的降低。

圖10 靜止域渦區(qū)示意圖

圖11 旋轉(zhuǎn)域的渦區(qū)示意圖

對(duì)比分析30°和20°方案，可看出圓圈內(nèi)渦區(qū)的結(jié)構(gòu)略微不同，使得兩種方案流阻損失不同。綜合分析，預(yù)旋噴嘴能夠削弱整體靜止域中二次流的影響。

圖11 給出了旋轉(zhuǎn)域中冷氣通道的渦區(qū)分布。取無(wú)預(yù)旋噴嘴90°、和有預(yù)旋噴嘴的30°、20°三個(gè)方案進(jìn)行分析，可以看出冷氣預(yù)旋明顯不利于該區(qū)域的流阻損失的降低。相比于90°方案，預(yù)旋方案中冷氣通道折轉(zhuǎn)段和后半段的渦區(qū)范圍明顯增大，如上部的圓圈內(nèi)所示;冷氣通道進(jìn)口處渦區(qū)范圍明顯變大，增大了冷氣的流阻損失。對(duì)比30°和20°方案，后者的渦區(qū)范圍略大于前者，但由于綜合圖8 中靜止域中的流阻損失，使得圖6 中20°方案的整體效果略優(yōu)于30°方案。

圖12 靜動(dòng)交界面的極限流下分布

圖12 給出了三種方案下旋轉(zhuǎn)域與靜止域接觸的旋轉(zhuǎn)壁面中下部表面的極限流線分布。相比于未有冷氣預(yù)旋的圖12(a)極限流線分布，圖12(b)和圖12(c)的冷氣預(yù)旋方案中壁面的極限流線更接近于周向，表明這兩種方案中冷氣與旋轉(zhuǎn)壁面的周向速度差值更小，削弱了氣體與旋轉(zhuǎn)壁面的直接沖擊作用，進(jìn)一步說(shuō)明圖11 的結(jié)論。

3 結(jié)論

研究了渦輪冷卻氣體增壓裝置的作用過(guò)程，分析冷氣預(yù)旋對(duì)整體冷卻性能的影響，得出以下結(jié)論:

(1)預(yù)旋噴嘴能夠有效降低冷氣的出口靜溫，改善冷氣的冷卻能力。

(2)在一定范圍內(nèi)，隨著冷氣預(yù)旋角度的增大，旋轉(zhuǎn)域的冷氣出口溫度不斷降低;預(yù)旋角度超出一定范圍后，冷氣出口溫度略微升高，但仍低于未預(yù)旋方案的冷氣出口溫度。

(3)冷氣預(yù)旋能夠降低靜止域的流阻損失，卻使旋轉(zhuǎn)域的流阻損失有所升高，因此冷氣預(yù)旋能夠降低旋轉(zhuǎn)域冷氣出口溫度主要得益于靜止域中流阻損失的降低。

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