脈沖式噴氣調(diào)節(jié)渦輪流量的數(shù)值研究

張少博，史偉，劉火星

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院航空發(fā)動機氣動熱力國家重點實驗室，北京100191；2.先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191）

脈沖式噴氣調(diào)節(jié)渦輪流量的數(shù)值研究

張少博1，史偉1，劉火星2

（1.北京航空航天大學能源與動力工程學院航空發(fā)動機氣動熱力國家重點實驗室，北京100191；2.先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191）

采用三維數(shù)值模擬方法，對在導葉表面射入脈沖式氣流的渦輪流場進行計算，對比了脈沖式射流與靜態(tài)射流對渦輪流量的影響，分析了脈沖頻率、脈沖幅值對渦輪流量調(diào)節(jié)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在保證與靜態(tài)射流同等工況調(diào)節(jié)效果的同時，脈沖式射流對渦輪的效率有所提升，低頻率的脈沖噴氣有更寬廣的渦輪流量調(diào)節(jié)范圍，較高幅值的脈沖噴氣更有利于渦輪流量調(diào)節(jié)。

變循環(huán)發(fā)動機；渦輪；流量調(diào)節(jié)；脈沖頻率；脈沖幅值；三維數(shù)值模擬

1　引言

超聲速運輸和多任務戰(zhàn)斗機對發(fā)動機提出了兩方面的要求：兼具高馬赫數(shù)飛行狀態(tài)和超聲速巡航，以提高飛機生存能力；低油耗的經(jīng)濟工作狀態(tài)以增強飛機遠程奔襲能力。變循環(huán)發(fā)動機可改變自身的空氣流量和單位推力以適應不同的飛行狀態(tài)，在整個飛行包線內(nèi)都能獲得較好的性能，是未來發(fā)動機的發(fā)展趨勢和方向［1-3］。為適應發(fā)動機工作過程中循環(huán)模式的改變，需要采取調(diào)節(jié)手段來調(diào)整渦輪部件的工作狀態(tài)。

渦輪工況調(diào)節(jié)技術(shù)主要包括幾何調(diào)節(jié)技術(shù)和氣動調(diào)節(jié)技術(shù)，但其實質(zhì)都是通過改變渦輪喉道的流通面積，來改變渦輪的流通能力。幾何調(diào)節(jié)由于結(jié)構(gòu)復雜及額外增重等弊端，降低了發(fā)動機的可靠性和推重比［4］。氣動調(diào)節(jié)則因其具有結(jié)構(gòu)簡單、噴氣可以利用渦輪導葉內(nèi)部原有的冷卻結(jié)構(gòu)和空氣系統(tǒng)等優(yōu)點［5］，近年來越來越受到人們的重視。北京航空航天大學的楊旸［6］和付超［7］研究了葉片表面噴氣對渦輪流量的調(diào)節(jié)，閆晨等［8］研究則是利用端區(qū)射流來調(diào)節(jié)渦輪流量，但以上研究的都是靜態(tài)噴氣對渦輪流量的影響。Saracoglu等［9］采用能量分析方法研究了高壓渦輪導葉尾緣的脈沖式冷氣射流，發(fā)現(xiàn)相對于不噴氣狀態(tài)，脈沖式射流使得尾緣損失顯著降低。因此，借鑒尾緣脈沖式冷氣射流的研究方案，對渦輪流量的氣動調(diào)節(jié)技術(shù)進行深入研究，為未來變循環(huán)發(fā)動機的設計提供理論支持，具有重要的工程應用意義。

基于上述認識，本文采用三維數(shù)值模擬方法，研究葉片表面脈沖式噴氣對渦輪性能的影響，探討其對渦輪流量的調(diào)節(jié)規(guī)律。

2　研究對象及方法

2.1研究對象

根據(jù)總體設計要求和研究需求，選取某1+1對轉(zhuǎn)渦輪的低壓渦輪作為研究對象。通過在葉片表面開槽的方式，向渦輪氣流通道內(nèi)部引入一股高速氣流，與主流相互作用。為將取自高壓壓氣機的氣流以很高的速度引入射流通道，選定拉法爾噴管作為噴氣的氣路裝置，如圖1所示。經(jīng)優(yōu)化研究后，選定噴氣位置為94.38%軸向弦長處，噴氣方向為垂直葉片表面。

圖1　帶超聲速噴氣通道的葉型Fig.1 Airfoil with supersonic airflow passage

2.2計算域和網(wǎng)格

數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件CFX12.1進行，模擬方法為時間追趕的有限體積法，并利用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂?？臻g離散采用二階迎風格式，時間離散采用二階后差歐拉格式。湍流模型采用SST模型。計算網(wǎng)格如圖2、圖3所示，高壓動葉葉尖間隙內(nèi)部給定9個網(wǎng)格節(jié)點。環(huán)繞葉片表面均使用O型網(wǎng)格，導葉進口段和動葉出口段均增加一個H型網(wǎng)格與之相連。對于帶有噴氣通道的導葉，參照DENTON程序處理網(wǎng)格的思路，將網(wǎng)格分成多個部分進行拓撲，且導葉的壓力面和吸力面不再作為一個整體，而是分開在兩個周期面上，這樣可避免在葉片周圍采用O-block；在前緣、尾緣及噴氣孔所在位置，將整體結(jié)構(gòu)分成三個部分，并簡化每一部分的拓撲。

圖2　低壓渦輪網(wǎng)格Fig.2 Low pressure turbine grid

圖3　超聲速噴氣通道網(wǎng)格放大圖Fig.3 Grid of supersonic airflow passage

數(shù)值模擬前，選擇了4套網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格分布如表1所示，模擬結(jié)果如圖4所示?？梢姡S著網(wǎng)格數(shù)的增加，計算的導葉進口流量不斷減小。Case 3和Case 4計算的導葉進口流量已趨于穩(wěn)定且比較接近，因此下文所有算例選擇Case 3所示網(wǎng)格數(shù)及網(wǎng)格節(jié)點分布進行計算。

表1　網(wǎng)格數(shù)分布Table 1 Grid number distribution

2.3算例選取

Saracoglu研究脈沖式冷卻射流時，選取了頻率為200 Hz、幅值為0.8倍平均值的正弦波形?；诖?，本文選擇噴氣孔進口流量時均值為0.214 kg/s的正弦式周期振蕩的脈沖m=［1+mrsin（2πft）］作為研究對象。其中，m為脈沖流量，為時均流量，mr為相對幅值，f為脈沖頻率，如圖5所示。選取噴氣孔位置附近作為監(jiān)測點，選擇100 Hz、300 Hz、600 Hz三個頻率值探究頻率對渦輪流量的影響規(guī)律；為探討幅值的影響，分別選取0.05 kg/s、0.10 kg/s、0.15 kg/s三個幅值（相對幅值分別為23.36%、46.73%、70.09%）進行討論。由于研究的重點是噴氣孔的脈沖射流效應，故在非定常計算中沒有使用Domain Scaling方法，主要是通過在射流孔進口給定周期性脈動來設置非定常特性。對于一個特定頻率的非定常計算，將一個周期分成200份作為時間步長，計算6個周期，對后面兩個周期的信息進行統(tǒng)計處理。除此之外，非定常計算采用的數(shù)值方法與定常計算的數(shù)值方法一致。

圖5　頻率與幅值的分布關(guān)系Fig.5 Distribution relationship of frequency and amplitude

圖6　脈沖式射流收斂過程Fig.6 Convergence process of impulsive airflow injection

3　計算結(jié)果與分析

以300 Hz為例，圖6示出了非定常計算檢測點的收斂過程，圖中橫坐標為無量綱化時間，縱坐標為按照不噴氣時導葉進口流量參數(shù)進行的無量綱化處理。可見，檢測到的導葉進口流量和監(jiān)測點的靜壓、速度呈現(xiàn)出很好的周期性，說明脈沖式噴氣計算結(jié)果收斂較好。另外，導葉進口流量與噴氣孔出口檢測點速度的變化并不同步，其峰值點有一定相位差，表現(xiàn)出一定的滯后性，這主要是由于非定常計算里的容腔效應所致。如果把渦輪通道看作一個大容腔，從葉片表面一條狹縫周期性地往容腔里噴氣，壓力可快速變化，而速度的變化會表現(xiàn)得較為緩慢。從噴氣孔出口檢測點速度變化看，一個周期內(nèi)70%的時間無量綱速度均為0.6，而另外30%的時間速度有一個急劇的增減，最高值甚至達到1.8。這可能是容腔導致的氣體累積，進而出現(xiàn)速度躍升。另一方面，沿著葉片表面進行三維脈沖噴氣，沿葉高方向會產(chǎn)生不均勻性，也會導致氣流累積。

表2給出了定常噴氣和三個不同頻率脈動噴氣對渦輪流量的影響。以定常結(jié)果為基準可以看出，與靜態(tài)噴氣相比，脈沖式噴氣渦輪導葉進口流量及流量變化率略微減小，而噴管出口的馬赫數(shù)明顯降低，有利于降低導葉尾緣復雜激波系的強度，從而使尾緣處的損失減小，渦輪效率有所增加。因此，脈沖式射流在保證同等工況調(diào)節(jié)效果的同時，還提高了渦輪效率。

表2　頻率變化時射流總參數(shù)對比Table 2 Comparison of injection airflow parameters with different frequency

通常，噴管出口馬赫數(shù)在一定范圍內(nèi)越大，射流深度越大，形成的低速摻混區(qū)就越大，其調(diào)節(jié)效果就越好。由上表可以看出，噴氣流量相同的情況下，較小的脈動頻率對應的噴管出口馬赫數(shù)較低。這表明要達到相同的流量調(diào)節(jié)效果，采用低頻率的脈沖式噴氣有利于減少冷氣的使用量，這就使進一步增加噴氣流量有了更大的可能，進而增加渦輪流量調(diào)節(jié)范圍。

為表征葉片負荷大小及分布，定義葉片表面壓力系數(shù)Cp=（pt1-ps）/（pt1-ps1），其中pt1代表葉柵進口總壓，ps1表示葉柵進口靜壓，ps代表葉片表面靜壓。圖7、圖8給出了定常噴氣和三個不同頻率脈動噴氣時葉片表面的壓力系數(shù)分布，其中脈沖式噴氣時采用的都是時均參數(shù)，Z表示軸向位置，Cax表示軸向弦長。圖中表明，四種情況下葉片表面的壓力系數(shù)幾乎一致，這說明脈沖式射流基本上不會引起葉片表面負荷變化，僅在射流孔位置附近表現(xiàn)出一定的差異性。

圖7　葉中截面壓力系數(shù)分布Fig.7 Pressure coefficient distribution of mid-span

圖8　葉片尾緣負荷放大圖Fig.8 Trailing edge loading distribution

圖9　不同時刻葉中截面馬赫數(shù)分布云圖Fig.9 Mach number distribution contours of mid-span at different time

圖9給出了100 Hz頻率下不同時刻葉中截面的馬赫數(shù)分布云圖?？梢?，隨著時間的推移，噴氣量的脈動僅會影響尾緣后的低速區(qū)大小，而對其他部分的流場影響不大。

表3給出了三個不同幅值脈沖噴氣對渦輪流量的影響。以定常結(jié)果為基準可以看出，隨著脈動幅值的逐漸增大，流量變化率逐漸減小，對渦輪流量的控制有一定程度下降；噴管出口馬赫數(shù)明顯減小，利于渦輪流量調(diào)節(jié)范圍的增加；同時，渦輪效率明顯提高。相對而言，與噴管出口馬赫數(shù)下降的幅度相比，流量變化率減小不明顯，因此較高的脈動幅值對渦輪流量調(diào)節(jié)更有利。

表3　幅值變化時射流參數(shù)對比Table 3 Comparison of injection airflow parameters with different amplitude

圖10　不同幅值時葉中截面時均馬赫數(shù)云圖分布Fig.10 Mach number distribution contours of mid-span with different amplitude

圖10給出了不同幅值時葉中截面時均馬赫數(shù)云圖分布和聲速線位置，圖中黑線表示馬赫數(shù)為1的等值線，即喉道位置。對比幾幅圖可知，增加脈動幅值可有效減少尾跡區(qū)域及摻混區(qū)的強度，而射流深度也有所減小。氣動調(diào)節(jié)主要是通過射流堵塞渦輪氣流通道，脈沖式噴氣的幅值對喉道面積減少量影響很小，但由射流和主流形成的低速區(qū)卻隨著脈動幅值的增加而減小。這說明脈沖式射流在控制導葉進口流量方面作用不大，高幅值的脈沖射流能使損失明顯降低。

4　結(jié)論

（1）脈沖式噴氣與靜態(tài)噴氣相比，在保證同等工況調(diào)節(jié)效果的同時，對渦輪的效率有所提升。

（2）低頻率的脈沖噴氣有更寬廣的渦輪流量調(diào)節(jié)范圍，同時渦輪的效率還有所提升；較高幅值的脈沖噴氣更有利于渦輪流量調(diào)節(jié)。

致謝：感謝北京航空航天大學能源與動力工程學院鄒正平教授，在本課題研究中給予的指導和幫助。

［1］胡軍.ADVENT，渦輪噴氣發(fā)動機的新里程碑［R］.北京：中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心航空技術(shù)所，2008.

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［3］劉大響，金捷.21世紀世界航空動力技術(shù)發(fā)展趨勢與展望［J］.中國工程科學，2004，9（6）：1—8.

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［5］Latimer R J.Variable flow turbines［R］.AGARD CP-205，1977.

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［7］付超.高性能渦輪氣動設計若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北京航空航天大學，2010.

［8］閆晨，葉建，付超.利用端區(qū)射流調(diào)節(jié)渦輪流量的數(shù)值研究［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2011，24（2）：9—12.

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Numerical investigation of turbine mass-flow rate regulation using impulsive airflow injection

ZHANG Shao-bo1，SHI Wei1，LIU Huo-xing2
（1.National Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Aero-Thermodynamics，School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China）

The turbine flow field with guide vane surface using impulsive airflow injection was calculated with three-dimensional numerical simulation method.The influence of impulsive airflow injection on turbine mass-flow rate was compared with the influence of steady airflow injection，and the effects of impulsive frequency and impulsive amplitude on turbine mass-flow rate were analyzed.The results indicate that the impulsive airflow injection can improve turbine's efficiency when the modulation effects of impulsive airflow injection are the same as the effects of steady airflow injection；low-frequency impulsive airflow injection can bring a wider modulation range of turbine mass-flow rate；large-amplitude impulsive airflow injection is beneficial to the modulation of turbine mass-flow rate.

variable cycle engine；turbine；mass-flow rate modulation；impulsive frequency；impulsive amplitude；three-dimensional numerical simulation

V231.3

A

1672-2620（2015）06-0026-05

2015-03-18；

2015-06-23

張少博（1991-），男，河南安陽人，碩士研究生，從事葉輪機內(nèi)部流動機理研究。