渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)進(jìn)氣導(dǎo)流裝置優(yōu)化初探

王　靜，孟進(jìn)卓，盧　強(qiáng)，楊振軍，張　能（中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京100120）

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)進(jìn)氣導(dǎo)流裝置優(yōu)化初探

王靜，孟進(jìn)卓，盧強(qiáng)，楊振軍，張能
（中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京100120）

摘要：簡(jiǎn)要介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)進(jìn)氣導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)形式，然后運(yùn)用數(shù)值模擬手段對(duì)進(jìn)氣導(dǎo)流裝置進(jìn)行了分析，論證了進(jìn)氣導(dǎo)流裝置方案的可行性和必要性?；诮o定分析條件，對(duì)導(dǎo)流片安裝角、葉片數(shù)量、進(jìn)氣角、圓弧半徑、排氣角5個(gè)變量進(jìn)行組合分析，給出了5個(gè)變量與總壓損失的關(guān)系；綜合考慮規(guī)范要求、工程可實(shí)施性及經(jīng)濟(jì)成本，選出進(jìn)氣導(dǎo)流裝置的5個(gè)優(yōu)化參數(shù)組合（進(jìn)氣角0°、安裝角47°、圓弧半徑560 mm、葉片數(shù)量25、排氣角-2°），使得試車間流場(chǎng)均勻度最好。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)；進(jìn)氣導(dǎo)流裝置；數(shù)值模擬；優(yōu)化；導(dǎo)流片；流場(chǎng)均勻度；總壓損失

1　引言

現(xiàn)代大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)特別是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其風(fēng)扇直徑大、流量大，對(duì)迎面氣流的均勻度異常敏感，對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)品質(zhì)的要求高［1］。目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面室內(nèi)試車臺(tái)進(jìn)氣塔基本為垂直進(jìn)氣形式，其主要優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)氣干凈且不受風(fēng)向影響，但是因存在折流彎道，必然對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)品質(zhì)產(chǎn)生影響。發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)進(jìn)氣導(dǎo)流裝置的作用，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中，將進(jìn)氣塔氣流轉(zhuǎn)向90°后，使氣流不產(chǎn)生擾動(dòng)振蕩，保持良好的均勻性。另外，也可保證靠近墻面處的氣流量均勻，防止回流，避免發(fā)動(dòng)機(jī)喘振甚至失速［1］。因此，為滿足現(xiàn)代大涵道比渦扇等大流量發(fā)動(dòng)機(jī)試車對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)品質(zhì)的要求，需在試車間進(jìn)氣拐角處設(shè)置導(dǎo)流裝置。

國(guó)外民用發(fā)動(dòng)機(jī)地面室內(nèi)試車臺(tái)都設(shè)置有進(jìn)氣導(dǎo)流裝置。而國(guó)內(nèi)早期的地面室內(nèi)試車臺(tái)，因試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)流量小，很少采用進(jìn)氣導(dǎo)流裝置。但隨著試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)流量的增大，對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)品質(zhì)要求的提高，進(jìn)氣導(dǎo)流裝置的作用突顯關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)對(duì)試車間有無進(jìn)氣導(dǎo)流裝置的流場(chǎng)均勻性進(jìn)行了對(duì)比研究，表明進(jìn)氣導(dǎo)流裝置對(duì)試車間流場(chǎng)均勻性的貢獻(xiàn)意義重大［1-3］，但對(duì)進(jìn)氣導(dǎo)流裝置導(dǎo)流葉片數(shù)量、導(dǎo)流角度、導(dǎo)流片幾何尺寸等參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響的研究，尚未見文獻(xiàn)公開報(bào)道。本文借助CFD軟件，針對(duì)該問題結(jié)合進(jìn)氣導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入研究，旨在論證進(jìn)氣導(dǎo)流裝置方案的可行性和必要性；同時(shí)，結(jié)合導(dǎo)流裝置方案，優(yōu)化導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)形式，為未來大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)和試車臺(tái)總體布局設(shè)計(jì)提供一定的理論數(shù)據(jù)。

2　進(jìn)氣導(dǎo)流裝置

進(jìn)氣導(dǎo)流裝置按照結(jié)構(gòu)形式分為可旋轉(zhuǎn)式和固定式兩種。可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流裝置主要通過液壓裝置或機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)流葉片，調(diào)整進(jìn)氣角度，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前工程中已甚少采用。固定式導(dǎo)流裝置主要有整體式結(jié)構(gòu)和桁架式結(jié)構(gòu)兩種，如圖1所示。

圖1　整體式和桁架式導(dǎo)流裝置部分示意Fig.1 Diagrams of the integral vane and truss vane

整體式結(jié)構(gòu)采用單片鋼板拼焊成整體骨架，導(dǎo)流片和骨架通過螺栓聯(lián)接。其最大特點(diǎn)是導(dǎo)流片與拐角處的墻體和地面貼合性好，可有效改善靠近地面處的渦流畸變。導(dǎo)流葉片幾何尺寸通常較大，數(shù)量一般取12片左右，加工和安裝過程較為復(fù)雜。

桁架式結(jié)構(gòu)是近年來設(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)方案，其由普通型材拼接成桁架形式的鋼骨架，導(dǎo)流片與桁架式骨架用螺栓固接。導(dǎo)流裝置底部設(shè)計(jì)為鉸接支撐，頂部設(shè)計(jì)為限位滑動(dòng)支撐，可補(bǔ)償因溫度變化等因素引起的結(jié)構(gòu)位移。桁架骨架高度與長(zhǎng)度由試車間和進(jìn)氣塔截面確定，寬度受拐角空間影響不宜過寬（桁架越寬，最底部的導(dǎo)流片距地面距離越大，拐角處易形成渦流），所以其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是導(dǎo)流葉片幾何尺寸較小，數(shù)量相對(duì)較多，約二十幾片，加工復(fù)雜程度較整體式結(jié)構(gòu)低。從加工性、運(yùn)輸性、安裝維修及經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，優(yōu)選桁架式進(jìn)氣導(dǎo)流裝置。

進(jìn)氣導(dǎo)流裝置幾何尺寸由進(jìn)氣塔形狀和試車間截面尺寸確定。通常，在試車間空氣流量確定的前提下，試車間截面尺寸越小，氣流流速越高。而高流速易在試車間內(nèi)突出物尾部形成進(jìn)氣畸變，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常試車。反之，試車間截面尺寸越大，流速越低，流場(chǎng)均勻性越好，越利于發(fā)動(dòng)機(jī)試車，但增加試車間截面會(huì)大大增加試車臺(tái)建設(shè)成本［3］。國(guó)內(nèi)某現(xiàn)有試車間截面尺寸為12 m×12 m，為不增加試車臺(tái)建設(shè)成本，以下介紹和分析均在12 m×12 m試車間截面的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

進(jìn)氣導(dǎo)流裝置中導(dǎo)流片數(shù)量、弧度、間距、安裝角、進(jìn)氣角及葉片幾何尺寸，都會(huì)影響流場(chǎng)品質(zhì)。所以在進(jìn)氣導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)化以上參數(shù)組合，使試車間流場(chǎng)均勻度最好。由于實(shí)際工程中往往期待采用最簡(jiǎn)單的方式得到最好的流場(chǎng)品質(zhì)，加之早期工程中曾使用的導(dǎo)流片為圓弧薄板，進(jìn)氣角和出氣角度都為0°，考慮到工程的延續(xù)性和可實(shí)施性，本次CFD計(jì)算以多個(gè)導(dǎo)流片均勻布置、導(dǎo)流片為圓弧薄板的進(jìn)氣導(dǎo)流裝置為研究對(duì)象。筆者根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)出的進(jìn)氣導(dǎo)流裝置，選用表1所示的14種模型、5個(gè)變量，并以流速均勻度好為判斷依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)不均勻度用不均勻度系數(shù)β表示［2］，即

式中：Vmax、Vmin、Vmean分別為截面上同一時(shí)間測(cè)得的最大速度，最小速度和平均速度。

3　計(jì)算說明

CFD計(jì)算基于FLUENT軟件，采用密度的隱式耦合算法，選用k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)開展分析。取試車間單位厚度建立二維模型，模型邊界以某型發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)為設(shè)計(jì)條件，進(jìn)口采用壓力進(jìn)口條件，考慮進(jìn)氣塔消聲裝置的總壓損失，折算總壓101 125 kPa；出口采用質(zhì)量流量出口條件，流量取值為77 kg/s。導(dǎo)流片示意圖如圖2所示。

4　計(jì)算結(jié)果及分析

4.1各參數(shù)對(duì)總壓損失的影響

統(tǒng)計(jì)進(jìn)口和出口之間的平均總壓差作為導(dǎo)流片的總壓損失，結(jié)果見表2。分析可得，導(dǎo)流片的5項(xiàng)幾何參數(shù)對(duì)總壓損失有不同影響。減小安裝角，總壓損失減??；減小進(jìn)氣角，總壓損失減小；增大導(dǎo)葉圓弧半徑，總壓損失減??；增大排氣角，總壓損失增大。導(dǎo)流片數(shù)量對(duì)總壓損失影響顯著（圖3）：當(dāng)葉片數(shù)量為2時(shí)，總壓損失最??；當(dāng)葉片數(shù)量大于2小于20時(shí)，葉片數(shù)量增加損失增大；當(dāng)葉片數(shù)量大于20時(shí)，葉片數(shù)量增加總壓損失減小。其原因?yàn)?，無導(dǎo)流片時(shí)，拐彎內(nèi)轉(zhuǎn)角（進(jìn)氣塔與試車間屋頂交匯處）產(chǎn)生一大的分離區(qū)；當(dāng)導(dǎo)流片增加至20時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)角分離區(qū)減小，由轉(zhuǎn)角分離引起的總壓損失減小，但由于葉片間距大，每個(gè)葉片幾何尺寸大，葉片自身的分離損失較大，葉片數(shù)量增加總的損失增大；當(dāng)葉片數(shù)量大于20時(shí)，葉片間距減小，分離損失減小，總壓損失減小?？梢灶A(yù)見，隨著葉片數(shù)量的進(jìn)一步增加，由于葉片數(shù)量增加，流動(dòng)截面的減小加劇了進(jìn)氣塔內(nèi)氣體的流動(dòng)，總壓損失會(huì)再次增加。由表2看出，本次分析不同導(dǎo)流片下的進(jìn)氣壓力損失小于10 Pa，滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［4-5］規(guī)定的氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求。

表1　導(dǎo)流片計(jì)算模型參數(shù)表Table 1 Parameter on calculation model of vane

圖2　導(dǎo)流片示意圖Fig.2 Schematic diagram of vane

表2　導(dǎo)流片總壓損失值Table 2 Total pressure loss of vane

圖3　總壓損失隨葉片數(shù)量的變化規(guī)律Fig.3 The change of total pressure loss with the number of vane

4.2葉片數(shù)量對(duì)流場(chǎng)速度均勻性的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)氣動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)時(shí)一般取發(fā)動(dòng)機(jī)前方約5 m處截面布置流速測(cè)點(diǎn)，因?yàn)樵搮^(qū)域已基本遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣負(fù)壓區(qū)，測(cè)得的速度值不會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣影響。因此CFD分析中取發(fā)動(dòng)機(jī)前5 m處截面的速度流場(chǎng)作為分析數(shù)據(jù)。不同葉片數(shù)量導(dǎo)流裝置的流場(chǎng)分布如圖4所示，其沿X、Y方向的流速分析曲線見圖5（圖中V為合速度）。不同導(dǎo)流片數(shù)量下的流速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表3。

圖5　不同數(shù)量導(dǎo)流片的導(dǎo)葉后流速Fig.5 The flow rate of different number of vane

表3　導(dǎo)流片數(shù)量與試車間流速數(shù)據(jù)表Table 3 Data table of flow rate and the number of vane

由圖4（a）與圖4（b）～圖4（f）對(duì)比可知，無導(dǎo)流片的出口氣流速度存在較大的梯度，均勻度很低；在試車間上方拐角處產(chǎn)生較大的渦流，氣流不易于被引射，即降低引射系數(shù)。內(nèi)轉(zhuǎn)角處沿Y向有較大的橫向速度（VY max=0.5 m/s），存在旋渦分離，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架產(chǎn)生向上推力，從而影響試車時(shí)的推力精度。所以，大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)中設(shè)計(jì)進(jìn)氣拐角導(dǎo)流片非常有必要。

從表3及圖4中可看出，當(dāng)導(dǎo)流片數(shù)量為12片、25片、30片時(shí)，后兩者流場(chǎng)速度均勻性相當(dāng)，略好于前者，且試驗(yàn)編號(hào)為A0L47R560B25A2n的搭配組合為本文分析中的最優(yōu)解。當(dāng)導(dǎo)流片采用12片時(shí)，考慮設(shè)備整體的強(qiáng)度、剛性需求，一般設(shè)計(jì)為整體式結(jié)構(gòu)，取導(dǎo)流片半徑1 145 mm。當(dāng)導(dǎo)流片選用25片或30片時(shí)，設(shè)計(jì)為桁架結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)中導(dǎo)流片的半徑取560 mm，僅為12片導(dǎo)流片質(zhì)量的一半。若僅考察拐角處地面附近的流場(chǎng)均勻性，12片的進(jìn)氣導(dǎo)流裝置因?qū)Я髌偷孛娓鼮橘N近，拐角局部的流場(chǎng)均勻性較好；若考察加工難度、造價(jià)成本、安裝便利性，整體式進(jìn)氣導(dǎo)流裝置現(xiàn)場(chǎng)拼焊量大，整體式鋼板骨架吊裝對(duì)位難度高，導(dǎo)流片與進(jìn)氣塔和試車間墻體配合要求精度高，調(diào)整安裝較為困難。另外，整體式結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量約為桁架結(jié)構(gòu)的1.5倍以上。所以，在不計(jì)成本的情況下，選用12片整體式進(jìn)氣導(dǎo)流裝置或25片、30片桁架式進(jìn)氣導(dǎo)流裝置，都可滿足試車間進(jìn)氣流場(chǎng)需求。但綜合建設(shè)成本、加工制造、安裝運(yùn)輸、維修等多環(huán)節(jié)因素，工程中建議優(yōu)先采用A0L47R560B25A2n（進(jìn)氣角0°，安裝角47°，圓弧半徑560 mm，葉片數(shù)量25，排氣角-2°）的桁架結(jié)構(gòu)形式，其流線如圖6所示，排氣角由原工程中曾采用的0°向下偏移2°，流場(chǎng)的均勻性經(jīng)優(yōu)化有一定提高。

圖6　A0L47R560B25A2n流線圖Fig.6 The streamline map of A0L47R560B25A2n

5　結(jié)束語

試車臺(tái)設(shè)計(jì)中采用進(jìn)氣導(dǎo)流裝置，可大大改善試車間內(nèi)進(jìn)氣流場(chǎng)的均勻性，減少試車間內(nèi)的渦流與回流，對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車非常有必要。

在滿足國(guó)軍標(biāo)規(guī)范設(shè)計(jì)要求的前提下，從加工性、運(yùn)輸性、安裝維修及經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，建議工程中優(yōu)先采用桁架式進(jìn)氣導(dǎo)流裝置。

基于給定的分析條件，根據(jù)導(dǎo)流片安裝角、葉片數(shù)量、進(jìn)氣角、圓弧半徑、排氣角五個(gè)變量與總壓損失的關(guān)系，并綜合考慮規(guī)范要求、工程可實(shí)施性及經(jīng)濟(jì)成本，優(yōu)選出了進(jìn)氣導(dǎo)流裝置五個(gè)變量組合：進(jìn)氣角0°，安裝角47°，圓弧半徑560 mm，葉片數(shù)量25，排氣角-2°。由于文中研究基于工程實(shí)際，計(jì)算量有限，而安裝角、葉片數(shù)量、進(jìn)氣角、圓弧半徑、排氣角等參數(shù)對(duì)氣動(dòng)效率的影響存在耦合關(guān)系。因此，想要獲得滿足各類試車臺(tái)進(jìn)氣流場(chǎng)均勻度最好的最優(yōu)結(jié)果，還需要進(jìn)行大量的詳細(xì)計(jì)算，以充分探索5個(gè)變量構(gòu)成設(shè)計(jì)空間。本次計(jì)算分析，為后續(xù)工作的開展提供了一定的數(shù)據(jù)依據(jù)和積累。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：V211.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-2620（2015）03-0054-05

收稿日期：2014-12-10；修回日期：2015-06-10

作者簡(jiǎn)介：王靜（1980-），女，陜西西安人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)與研究工作。

The optimization analysis on turning vane of turbofan engine test stand

WANG Jing，MENG Jin-zhuo，LU Qiang，YANG Zhen-jun，ZHANG Neng
（China Aviation Planning and Construction Development Co.，Ltd.，Beijing 100120，China）

Abstract：The work was based on a 3D computational fluid dynamic method with FLUENT software.The construct of turning vane of turbofan engine test stand was simply introduced.The feasibility and necessity of the design was demonstrated.Based on the given conditions，five variables including installation angle，the number of vane，intake angle，radius and exhaust angle were analyzed，and the relationship between variables and the total pressure loss was presented.Considering general specifications，different calculating results，engineering implementation and cost，the most favorable combination（inlet angle 0°，installation angle 47°，radius 560 mm，25 vanes，exhaust angle-2°）was offered.Under these conditions，the uniformity of flow field of test stand was the best.This analysis is helpful for test stand design in the future.

Key words：aero-engine test stand；turning vane；numerical simulation；optimization；aerodynamic vane；flow field uniformity；total pressure loss