導(dǎo)流板式減渦器對共轉(zhuǎn)盤腔流動特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

王遠(yuǎn)東，金 峰，王志雄

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016；2.江蘇省航空動力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

導(dǎo)流板式減渦器對共轉(zhuǎn)盤腔流動特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

王遠(yuǎn)東1，2，金 峰1，2，王志雄1，2

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016；2.江蘇省航空動力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

針對典型徑向引氣軸向出氣旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)及加入導(dǎo)流板后的引氣結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了盤腔旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)出口壓比和導(dǎo)流板數(shù)目對流動特性的影響。研究結(jié)果表明：在一定轉(zhuǎn)速的工況下，隨著進(jìn)出口壓比的增加，通過該盤腔結(jié)構(gòu)的空氣流量呈現(xiàn)出遞增的規(guī)律；隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，引氣量顯著下降，基本呈現(xiàn)線性遞減的趨勢；相比較于簡單盤腔，由于導(dǎo)流板式減渦器的安裝，盤腔徑向入流能力增強(qiáng)，隨著導(dǎo)流板個數(shù)的變化，引氣量隨導(dǎo)流板的增加而增加。

壓氣機(jī)引氣；減渦器；共轉(zhuǎn)盤腔；空氣系統(tǒng)

為了提高發(fā)動機(jī)的性能，提高渦輪前燃?xì)膺M(jìn)口總溫［1］是最主要的途徑。通過采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，提高高溫部件的冷卻效果，以少量的冷卻空氣獲得更好的降溫效果已成為發(fā)展下一代燃?xì)鉁u輪的緊迫需求?，F(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)具有復(fù)雜的內(nèi)流空氣冷卻系統(tǒng)［2］，是發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的對象之一。從壓氣機(jī)的主流道適當(dāng)位置將冷卻空氣引出，通過發(fā)動機(jī)的主通道內(nèi)側(cè)或外側(cè)的不同流動結(jié)構(gòu)元件（孔、管道以及特定的腔道等）按照設(shè)計(jì)的流路以及要求的流動參數(shù)（溫度、壓力和流量）流動，并最終完成規(guī)定的功能（平衡軸向力、冷卻熱端部件等），最后匯入主流或直接排入大氣［3］。

發(fā)動機(jī)內(nèi)流空氣系統(tǒng)從壓氣機(jī)兩級盤間引氣，經(jīng)過盤間旋轉(zhuǎn)腔流向盤心，并經(jīng)過盤間空腔向后或向前流動，以此冷卻熱端部件，這種盤腔流動被稱為徑向進(jìn)氣軸向出氣的旋轉(zhuǎn)盤腔流動（本文依據(jù)其功能簡稱為引氣腔）。引氣腔內(nèi)部流動特性對冷卻空氣的品質(zhì)以及對熱端部件的冷卻效果具有重要影響。

由于壓氣機(jī)盤腔等旋轉(zhuǎn)部件以很高的速度旋轉(zhuǎn)，腔內(nèi)的流動狀態(tài)復(fù)雜、影響因素眾多，阻礙著流體的徑向流動，也會使氣流在盤腔內(nèi)徑向運(yùn)動非常困難，從而導(dǎo)致氣流壓力和引氣量急劇下降。同時(shí)，由于哥氏力、離心力、溫度差異引起的浮力等對流動的影響，理論分析和數(shù)值計(jì)算都非常困難，如何獲得引氣腔內(nèi)的流動特性成為發(fā)動機(jī)內(nèi)流空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。冷氣從徑向流入壓氣機(jī)，會因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)形成具有很大切向速度的渦流，阻礙氣流的徑向流動的同時(shí)使得氣流壓力急劇下降，從而嚴(yán)重制約了空氣系統(tǒng)的引氣流量，降低冷卻效果。為了改善壓氣機(jī)的引氣效果［4］，國內(nèi)外研究人員通過在壓氣機(jī)引氣流路中安裝減渦器，優(yōu)化壓氣機(jī)的引氣結(jié)構(gòu)，以此來改善引氣效果。目前常用的減渦方式有噴嘴式、導(dǎo)流管式、導(dǎo)流板式等。如目前GE90、PW4000上均采用的導(dǎo)流管式減渦器，是通過在壓氣機(jī)盤間安裝一系列的徑向圓管，利用導(dǎo)流管的空間徑向引導(dǎo)來促進(jìn)氣流的徑向流動，降低氣流壓降，從而使其更易由壓氣機(jī)輪轂流向盤心。

從20世紀(jì)60年代開始，國外對引氣腔內(nèi)的流動特性開展了系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。Owen［5］進(jìn)行了大量關(guān)于引氣腔流動特性理論模型的研究，并將這種模型稱為源－匯流動，結(jié)構(gòu)如圖1所示。流動區(qū)域分別由源區(qū)、近盤表面埃克曼層、核區(qū)以及匯區(qū)構(gòu)成。流體由源區(qū)流入旋轉(zhuǎn)腔，在近盤表面形成兩個?？寺鼘?，然后經(jīng)過匯區(qū)流出旋轉(zhuǎn)腔。

圖1 旋轉(zhuǎn)盤腔的流動結(jié)構(gòu)

Firouzian［6－7］利用流體顯示技術(shù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)盤腔流動分區(qū)理論，發(fā)現(xiàn)若氣流從盤外緣通過孔等通道直接進(jìn)入引氣腔內(nèi)，根據(jù)動量矩守恒定理，氣流發(fā)生徑向內(nèi)流時(shí)，盤腔內(nèi)產(chǎn)生壓力梯度導(dǎo)致切向速度增大，對流體的徑向流動造成巨大阻力，明顯降低了引氣量。Worm ly［8］在一個高速旋轉(zhuǎn)的狹小腔內(nèi)以水為介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了相似的流動區(qū)域，驗(yàn)證了源－匯流動理論。Chew［9］設(shè)計(jì)了計(jì)算高效和便于量綱分析的簡單模型，采用基于馮－卡門方法的積分動量法，計(jì)算分析了引氣腔內(nèi)部壓力和速度分布，與傳統(tǒng)直接求解N－S方程相比，更為方便實(shí)用。

國內(nèi)對徑向引氣軸向出氣的共轉(zhuǎn)盤腔的研究相對較少。徐國強(qiáng)［10］對中心進(jìn)氣、高位進(jìn)氣的旋轉(zhuǎn)盤腔流動特性進(jìn)行了研究。于霄［11］通過粒子圖像測速技術(shù)研究了徑向進(jìn)氣旋轉(zhuǎn)盤腔的速度場，發(fā)現(xiàn)總壓損失隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大而遞增，但與流量系數(shù)之間的關(guān)系比較復(fù)雜。吉洪湖［12］通過LDV技術(shù)和熱線風(fēng)速儀對旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)流場進(jìn)行了研究。單文娟［13］對導(dǎo)流管式減渦器進(jìn)行了數(shù)值模擬，探索了直管式和彎管式減渦器的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)彎管式減渦器因?yàn)閺濐^產(chǎn)生的局部損失及增加的管質(zhì)量，都給盤腔帶來負(fù)面的影響，同時(shí)還研究了彎管彎曲角度，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流管與轉(zhuǎn)軸若形成一定角度會引起氣流摻混，降低引氣量，得出了彎管式減渦器的實(shí)用性劣于直管式的結(jié)論。于霄［14］研究了同一結(jié)構(gòu)下盤腔總壓損失特性，測試了不同工況下的旋轉(zhuǎn)盤腔的進(jìn)、出口總壓，分析了流量系數(shù)和旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)對徑向進(jìn)氣旋轉(zhuǎn)盤腔總壓損失的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大，總壓損失也在遞增，但與流量系數(shù)之間的關(guān)系比較復(fù)雜，在較小雷諾數(shù)下呈現(xiàn)遞增關(guān)系，在較大旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，流量系數(shù)增大，總壓損失反而先減小后增大。

本文將航空發(fā)動機(jī)實(shí)際工況通過相似準(zhǔn)則?；癁閷?shí)驗(yàn)工況，將真實(shí)航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部分的盤腔流動簡化為如圖2所示的引氣腔結(jié)構(gòu)模型，對其流動特性進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并對影響其流動的因素進(jìn)行分析總結(jié)。

圖2 某級壓氣機(jī)盤腔及軸整環(huán)模型

1 實(shí)驗(yàn)裝置和測量儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。供氣系統(tǒng)是空氣壓縮機(jī)，提供的壓縮空氣經(jīng)過干燥和穩(wěn)壓整流裝置進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管道，由閥門和渦街流量計(jì)調(diào)節(jié)和測量進(jìn)出供氣腔的流量。供氣系統(tǒng)的動靜轉(zhuǎn)換則是通過篦齒結(jié)構(gòu)，將靜止的供氣腔內(nèi)的氣體由旋轉(zhuǎn)的鼓筒壁面通孔輸送到盤腔內(nèi)部。旋轉(zhuǎn)盤腔由一臺11 kW的交流電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速由變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。盤腔轉(zhuǎn)速由光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表測定。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 參數(shù)定義

盤腔引氣量由不同工況下測量進(jìn)口總質(zhì)量流量進(jìn)行衡量。實(shí)驗(yàn)中，主進(jìn)氣管路的空氣進(jìn)入供氣腔后，一部分通過鼓筒上的開孔徑向流入盤腔，并軸向流入下游盤出流段排出，另一部分則通過動靜轉(zhuǎn)換處的篦齒間隙泄露出去。

本實(shí)驗(yàn)采用渦街流量計(jì)測出的是體積流量，需要將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量，關(guān)系公式如下：

式中：ρs為工況狀態(tài)下流過渦街流量計(jì)的空氣密度（kg／s）；Qs為渦街流量計(jì)測量得到的空氣體積流量（m3／h）。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式（克拉貝隆方程）可得：

式中：PS為流過渦街流量計(jì)的空氣的絕對壓力（Pa）；Rg為空氣的氣體常數(shù)，其值為287.0 J／（kg·K）；Ts為流過渦街流量計(jì)的空氣的據(jù)對溫度（K）。所以，流過渦街流量計(jì)的空氣的質(zhì)量流量為

1.3 測試儀器

測試系統(tǒng)包括了流量測量設(shè)備、溫度測試設(shè)備和壓力測試設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中流量測量采用了渦街流量計(jì)，溫度測試采用了鎧裝熱電偶和溫度巡檢儀，壓力測量采用了多點(diǎn)壓力測試系統(tǒng)和精密壓力表，具體的測試儀器及其精度見表1。

表1 測試儀器及精度

1.4 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況見表2和表3。

表2 簡單盤腔實(shí)驗(yàn)工況

表3 導(dǎo)流板式減渦器實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 簡單盤腔流動特性分析

圖4給出了不同壓比情況下，鼓筒上直接開孔結(jié)構(gòu)的引氣特性。

圖4 引氣量隨壓比變化

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)：一定的轉(zhuǎn)速工況下隨著進(jìn)出口壓比的增加，通過該盤腔結(jié)構(gòu)的空氣流量呈現(xiàn)出遞增的規(guī)律。在旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r／min和2 000 r／min時(shí)測得全部工況點(diǎn)，以及旋轉(zhuǎn)速度為3 000 r／min時(shí)測得大部分工況點(diǎn)上，引氣量隨壓比的增大而線性增加；在旋轉(zhuǎn)速度較大（3 000～5 000 r／min）、壓比較小（1.04～1.117）的情況下，引氣量出現(xiàn)負(fù)值。出現(xiàn)數(shù)值為負(fù)的引氣量現(xiàn)象表明，進(jìn)入供氣腔的流量要小于此時(shí)的篦齒泄漏量，即部分流體通過該旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)進(jìn)入了供氣腔，并最終通過篦齒流出。此外可以發(fā)現(xiàn)：隨著轉(zhuǎn)速的增加，引氣量由負(fù)值變?yōu)檎档呐R界壓比值也在不斷增加。這表明對于旋轉(zhuǎn)盤腔徑向引氣結(jié)構(gòu)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，引氣難度逐漸加大。這主要是在高速旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)中，由于空氣黏性以及旋轉(zhuǎn)壁面的帶動作用，空氣會在盤腔內(nèi)形成復(fù)雜的流動，正如數(shù)值模擬中所展示的。其中一個重要的作用力就是高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，在它的作用下氣流會被甩出盤腔，并在盤腔內(nèi)形成相應(yīng)的壓力梯度。所以，在供氣的壓力較小而旋轉(zhuǎn)速度較大的情況下，部分空氣會在盤腔旋轉(zhuǎn)的泵吸效應(yīng)下流進(jìn)盤腔，進(jìn)而使得此時(shí)減渦器（直接鼓筒上開孔結(jié)構(gòu)）引氣量出現(xiàn)負(fù)值。

圖5給出了不同轉(zhuǎn)速下，該結(jié)構(gòu)引氣效果的變化規(guī)律。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加后，引氣量顯著下降，基本呈現(xiàn)線性遞減的趨勢。在當(dāng)前引氣結(jié)構(gòu)下，轉(zhuǎn)速每升高1 000 r／min，引氣量下降大約0.055 kg／s。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3 000 r／min時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)流量現(xiàn)象。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)引氣量為負(fù)值時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，引氣量減小的速度明顯小于低轉(zhuǎn)速時(shí)引氣量隨轉(zhuǎn)速增加而減小的速度。

圖5 引氣量隨轉(zhuǎn)速變化

圖6所示為給定轉(zhuǎn)速條件下鼓筒上開口個數(shù)為60的盤腔（以下簡稱60孔盤腔）與鼓筒上開口個數(shù)為72的簡單盤腔（以下簡稱72孔盤腔）引氣量隨壓比的變化關(guān)系。

從圖6中可以看出：鼓筒開口個數(shù)為72的簡單盤腔（以下簡稱72孔盤腔）與鼓筒開口個數(shù)為60的簡單盤腔（以下簡稱60孔盤腔）引氣量均隨壓比的升高而增加；同時(shí)，在引氣量大于0的工況下（低轉(zhuǎn)速或者高轉(zhuǎn)速高壓比），72孔盤腔的引氣量普遍大于60孔盤腔的引氣量，且壓比越高，兩者之間的差異越明顯。如圖6（c）所示，在壓比由1.04到1.12的變化過程中，72孔盤腔的引氣量對比60孔盤腔的引氣量由0%增加到29.4%。在引氣量小于0的工況下（高轉(zhuǎn)速低壓比），72孔盤腔的負(fù)引氣量絕對值也普遍大于60孔盤腔，這是因?yàn)橛捎陂_孔個數(shù)越多，被高轉(zhuǎn)速離心力甩出的氣量也越多。

圖7為給定壓比條件下60孔與72孔簡單盤腔引氣量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。從圖7中可以清楚的看出：在各個不同壓比的工況下72孔盤腔的引氣量要大于60孔盤腔的引氣量；同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的升高兩者的引氣量在迅速減小，甚至在部分低壓比高轉(zhuǎn)速工況下會出現(xiàn)引氣量為負(fù)的情況。具體原因上文已做分析，這里不再贅述。

圖7 60孔與72孔簡單盤腔引氣量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系

2.2 導(dǎo)流板式減渦器流動特性分析

圖8為安裝4個導(dǎo)流板的旋轉(zhuǎn)盤腔中引氣量隨進(jìn)出口壓比的變化關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)：引氣量隨進(jìn)出口壓比增加而增大，在不同轉(zhuǎn)速下，增長的趨勢大致相同，基本呈線性關(guān)系。壓比由1.04增大到1.08時(shí)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)的引氣量相應(yīng)的增加約0.06 kg／s。同時(shí)還可以看到引氣量隨轉(zhuǎn)速增大而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r／min，只有當(dāng)壓比大于1.073引氣量才為正值。

圖9和圖10分別是6個導(dǎo)流板和12個導(dǎo)流板工況下，引氣流量隨著進(jìn)出口壓比的變化規(guī)律。

圖8 引氣量隨壓比變化（4導(dǎo)流板）

圖9 引氣量隨壓比變化（6個導(dǎo)流板）

圖10 引氣量隨壓比變化（12個導(dǎo)流板）

分析和比較圖8～10可以發(fā)現(xiàn)：依然出現(xiàn)了小壓比、高轉(zhuǎn)速下的倒流現(xiàn)象。但是同圖4相比，加裝導(dǎo)流板之后負(fù)值出現(xiàn)的臨界進(jìn)出口壓比數(shù)值在逐步提升。這表明，由于板式減渦器的安裝，使得其徑向入流能力增強(qiáng)，即抗擊轉(zhuǎn)盤泵吸效應(yīng)的能力強(qiáng)，使得這個臨界轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值在增加。

圖11為不同導(dǎo)流板數(shù)量下引氣量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。可以看到：引氣量隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨進(jìn)出口壓比的增加而增大。

圖11 引氣量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

圖12為進(jìn)出口壓比均為1.06工況下，引氣量隨導(dǎo)流板個數(shù)的變化關(guān)系?？梢钥吹剑阂龤饬康目傮w變化趨勢隨導(dǎo)流板的增加而增加，并隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。然而引氣量與導(dǎo)流板個數(shù)的關(guān)系并非線性。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r／min時(shí)，4塊板引氣量較0塊板引氣量略微下降，但當(dāng)導(dǎo)流板增加到6塊與12塊時(shí)，引氣量有較為顯著的增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r／min時(shí)，4塊板引氣量相比于0塊板引氣量增加了約21%，6塊板引氣量相比于4塊板引氣量，引氣量增加約27%，12塊板引氣量相比于6塊板引氣量僅增加約11%。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r／min時(shí)，導(dǎo)流板由0塊增加到4塊時(shí)，引氣量由0增加至0.055 kg／s，變化明顯，4塊板引氣量相比于0塊板引氣量增加約27%，12塊板引氣量相比于6塊板引氣量增加約20%?？梢娨龤饬髁侩S導(dǎo)流板個數(shù)的增加逐漸增加，但增長的趨勢逐漸緩慢。

圖12 引氣量隨導(dǎo)流板個數(shù)變化關(guān)系

3 結(jié)論

本文針對典型壓氣機(jī)內(nèi)流引氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流動特性的實(shí)驗(yàn)研究，利用旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺完成了簡單盤腔與導(dǎo)流板式減渦器結(jié)構(gòu)的流動特性研究，得到了旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)口總壓等參數(shù)對引氣效果的影響規(guī)律，并進(jìn)一步研究了鼓筒上開孔個數(shù)對引氣量的影響以及鼓筒上直接開孔、不同個數(shù)導(dǎo)流板的引氣效果。具體結(jié)論如下：

1）簡單盤腔（即在鼓筒上直接打孔）的方案中，隨著轉(zhuǎn)速的增加，引氣量明顯下降。

2）隨著進(jìn)出口壓比的增加，引氣流量逐步提升。

3）簡單盤腔的引氣量隨鼓筒開孔個數(shù)的增加而提升。

4）當(dāng)導(dǎo)流板的個數(shù)增加后，由于導(dǎo)流效應(yīng)高，引氣效果逐步提升，但增長的趨勢逐漸緩慢。

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（責(zé)任編輯楊文青）

Experimental Research on the Gas Flow Characteristics of the Co-rotational Disc Cavity w ith bafflers

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

To analyze the effect of vortex-reducers with bafflers，the influences of the rotational speed of cavity，the ratio of inlet pressure to outlet pressure and the number of bafflers is analyzed in the experiment.The study showed that firstly，under the working condition of a certain speed，with the increasing of the ratio of inlet pressure to outlet pressure，the mass flow rate going through cavity increased；secondly，with the rotational speed increasing，themass flow rate decreased significantly ina linear trend basically；thirdly，compared with the simple cavity，because of the installation of the vortex-reducer with bafflers，the mass flow rate going through radially increased，with the change of the number of bafflers，the mass flow rate increased with the increase of the number of bafflers.

offtake compressor；vortex-reducer；co-rotational disc cavity；air system

V231.1

A

1674－8425（2016）12－0055－08

10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.009

2016－03－16

王遠(yuǎn)東（1992—），男，江蘇宿遷人，碩士，主要從事航空渦輪發(fā)動機(jī)高溫部件冷卻方面的研究，E-mail：275801937＠qq.com。

王遠(yuǎn)東，金峰，王志雄.導(dǎo)流板式減渦器對共轉(zhuǎn)盤腔流動特性影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2016（12）：55－62.

format：WANG Yuan-dong，JIN Feng，WANG Zhi-xiong.Experimental Research on the Gas Flow Characteristics of the Co-rotational Disc Cavity with bafflers［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2016（12）：55－62.

WANG Yuan-dong1，2，JIN Feng1，2，WANG Zhi-xiong1，2