基于網(wǎng)絡(luò)法分析的增壓燃機(jī)輪盤流場(chǎng)特性研究

王穎++鄒月明++宋乃秋

摘 要：渦輪盤的溫度場(chǎng)分布通道內(nèi)的流場(chǎng)特性影響燃機(jī)性能。通過(guò)建立某增壓驅(qū)動(dòng)型燃?xì)廨啓C(jī)的一維穩(wěn)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)法空氣系統(tǒng)模型，基于動(dòng)量方程、連續(xù)方程、能量方程組成的非線性方程組，分析輪盤的溫度場(chǎng)分布通道內(nèi)的流場(chǎng)特性，得到流場(chǎng)的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布，以及各個(gè)強(qiáng)勢(shì)內(nèi)的平均溫度。這對(duì)燃機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：空氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)法 流場(chǎng)分析 溫度分布

中圖分類號(hào)：TK262 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（b）-0125-03

高溫燃?xì)庠谌~片通道中膨脹做功，經(jīng)渦輪盤將力矩傳遞到渦輪轉(zhuǎn)軸，渦輪盤通有冷卻空氣進(jìn)行冷卻。因此，輪盤通道內(nèi)的流場(chǎng)特性影響了整個(gè)燃機(jī)的性能，許多研究者都致力于該方面的研究，基于理論分析、模擬仿真等進(jìn)行了大量的探索性研究，得到了一些有價(jià)值的研究成果[1，2]。一般，其空氣系統(tǒng)從壓氣機(jī)的適當(dāng)位置抽取冷卻空氣，通過(guò)主流道的內(nèi)、外側(cè)各種通流元件，按設(shè)計(jì)的流路以及壓力、溫度和流量流動(dòng)等流動(dòng)參數(shù)從確定的主流道的若干部位排出，與主流匯合或直接泄漏到機(jī)體外部排入大氣。這里考慮空氣系統(tǒng)主要功能有以下幾方面。

（1）供給并控制渦輪冷卻葉片的冷卻空氣，保證葉片冷氣進(jìn)口具有要求的壓力和溫度。

（2）冷卻渦輪轉(zhuǎn)子主要部件（葉片、輪盤和軸等），保持工作時(shí)允許的溫度狀態(tài)。

（3）冷卻渦輪靜子（導(dǎo)向葉片、機(jī)匣、外環(huán)等），保持工作時(shí)允許的溫度狀態(tài)。

這里著重分析渦輪盤的冷卻計(jì)算和熱力計(jì)算。通過(guò)此部分計(jì)算，獲得渦輪盤的最高溫度和盤內(nèi)溫度分布，以便進(jìn)行強(qiáng)度分析，熱量從渦輪盤的邊緣徑向傳入渦輪盤，盤側(cè)面冷氣的流動(dòng)與換熱直接決定了渦輪盤的最高溫度與溫度分布。冷氣流經(jīng)渦輪盤后，溫度升高，出口溫度的升高又直接影響通流下一部件的換熱，確定冷卻空氣的進(jìn)出口溫度，為后續(xù)計(jì)算提供初始條件。

然而，目前對(duì)于增壓燃機(jī)研究的公開文獻(xiàn)比較少，因此，該方面的研究具有一定的積極意義。文章基于網(wǎng)絡(luò)法建立增壓燃機(jī)一維空氣系統(tǒng)模型，分析得到輪盤通道內(nèi)的流場(chǎng)特性，包括溫度場(chǎng)分布、壓力場(chǎng)分布以及各個(gè)強(qiáng)勢(shì)內(nèi)的平均溫度。

1 模型簡(jiǎn)化和分析計(jì)算

1.1 基本理論模型

二次空氣系統(tǒng)的熱力網(wǎng)絡(luò)法分析數(shù)學(xué)模型為n+m維由動(dòng)量方程、連續(xù)方程、能量方程組成的非線性方程組。

冷卻空氣流量連續(xù)方程：

mi （1）

動(dòng)量方程：

（2）

能量方程：

（3）

1.2 模型簡(jiǎn)化

文章對(duì)增壓型燃機(jī)渦輪盤結(jié)構(gòu)（如圖1所示）進(jìn)行建模分析。建立增壓型燃機(jī)渦輪盤二維軸對(duì)稱模型，由于在渦輪盤上有一些用于冷卻氣體流通的氣孔，渦輪盤并不是完整意義上的軸對(duì)稱模型，需要對(duì)這些氣孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，使其成為一個(gè)完整的計(jì)算域。

燃?xì)鉁u輪空氣冷卻系統(tǒng)最常見(jiàn)的輪盤冷卻換熱方式是在盤側(cè)間隙通道內(nèi)，有冷卻空氣供給和無(wú)冷卻空氣供給情況下，徑向吹風(fēng)和噴射吹風(fēng)的湍流狀態(tài)下的對(duì)流換熱情況。實(shí)際上輪盤側(cè)表面的對(duì)流換熱計(jì)算主要還是應(yīng)用建立在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的理論解和根據(jù)一定工作條件下獲得的試驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)系式。通常用努塞爾準(zhǔn)則關(guān)系表示：

（4）

式中：R為定性尺寸。

對(duì)在空氣中旋轉(zhuǎn)的輪盤，假設(shè)側(cè)面邊界層內(nèi)速度和溫度分布規(guī)律相同（按冪指數(shù)分布）。相應(yīng)冷卻空氣與輪盤表面的溫度之差的沿徑向分布規(guī)律為。在湍流狀態(tài)下自由盤的側(cè)面換熱規(guī)律為：

（5）

旋轉(zhuǎn)輪盤側(cè)表面換熱強(qiáng)度主要取決于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)、外流的旋流系數(shù)和通道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、冷氣進(jìn)口狀態(tài)參數(shù)等，具體如表1所示。

2 計(jì)算結(jié)果

考慮壓氣機(jī)排氣和四級(jí)抽氣流路分配情況，具體如圖2所示。

根據(jù)總體計(jì)算結(jié)果，高壓壓氣機(jī)排氣壓力總壓范圍為1.6～2.0 MPa，總溫為745 K，4級(jí)級(jí)間抽氣壓力總壓范圍為0.9～1.1 MPa，溫度為598 K，和二維渦輪盤溫度場(chǎng)分布，為流場(chǎng)計(jì)算提供初始邊界條件進(jìn)行壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析，如圖3所示。

各個(gè)腔室溫度分布如表2所示。

3 結(jié)論

文章通過(guò)建立某增壓驅(qū)動(dòng)型燃?xì)廨啓C(jī)的一維穩(wěn)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)法空氣系統(tǒng)模型，基于動(dòng)量方程、連續(xù)方程、能量方程組成的非線性方程組，分析輪盤的溫度場(chǎng)分布通道內(nèi)的流場(chǎng)特性，得到的結(jié)論如下。

（1）壓氣機(jī)排氣在腔室1中的冷卻效果較好。腔室5和腔室6中由于有兩部分流量通過(guò)，冷卻效果增強(qiáng)。

（2）通過(guò)求解能量方程，得到典型結(jié)構(gòu)腔室的換熱系數(shù)和溫度分布，和三維計(jì)算相比較，溫度分布基本相同。

該研究所得到流場(chǎng)的溫度場(chǎng)分布、壓力場(chǎng)分布以及各個(gè)強(qiáng)勢(shì)內(nèi)的平均溫度，對(duì)燃機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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