渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸向進(jìn)氣組件優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真分析

曾強(qiáng)　葛嚴(yán) 王勛

摘 要：文章針對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣組件進(jìn)行了降輪廓及減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)兩種方案流道在不同流量狀態(tài)下的流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值仿真及結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)比分析，對(duì)比分析結(jié)果表明優(yōu)化方案進(jìn)氣組件流道進(jìn)出口總壓損失系數(shù)與原方案相當(dāng)，流道最大直徑減小約7.4%，結(jié)構(gòu)減重約10%。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)；進(jìn)氣組件；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0090-02

進(jìn)氣組件是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，其主要作用是為壓氣機(jī)提供一定速度的穩(wěn)定、均勻氣流[2]，并為燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子前軸承提供支撐。某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)由附件傳動(dòng)裝置、進(jìn)氣組件、三級(jí)軸流加一級(jí)離心組合式壓氣機(jī)、環(huán)形回流燃燒室、兩級(jí)軸流式燃?xì)鉁u輪、兩級(jí)軸流式自由渦輪和排氣裝置等組成[1]。文章在原進(jìn)氣組件方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保持原有氣動(dòng)性能和功能不變，降低進(jìn)氣組件輪廓尺寸，減輕重量。

1 原方案仿真與試驗(yàn)分析

1.1 進(jìn)氣組件原方案簡(jiǎn)介

如圖1所示，進(jìn)氣組件流道采用5個(gè)均布支板進(jìn)行支撐；進(jìn)氣組件上方設(shè)置附件傳動(dòng)裝置安裝座，中央傳動(dòng)軸從進(jìn)氣組件支板穿過(guò)為附件傳動(dòng)齒輪提供功率輸入；進(jìn)氣組件下方設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)輔助安裝節(jié)；中央設(shè)置燃?xì)獍l(fā)生器前軸承腔和相關(guān)滑油潤(rùn)滑功能，中央前端設(shè)置軸承腔密封組件和導(dǎo)流錐；此外，進(jìn)氣組件還集成發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱、防冰裝置、水洗裝置等功能裝置。

1.2 進(jìn)氣組件原方案流道仿真

采用FLUENT對(duì)進(jìn)氣組件進(jìn)行三維流場(chǎng)仿真，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。如圖2所示，由于進(jìn)氣組件流道為軸對(duì)稱形式，故計(jì)算1/5扇形區(qū)域模型，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行流道模型網(wǎng)格劃分，對(duì)流道壁面及支板處進(jìn)行附面層加密處理，網(wǎng)格總量為127萬(wàn)左右。入口給定總壓、總溫邊界，出口給定目標(biāo)流量邊界，分別計(jì)算不同流量情況下進(jìn)氣組件流道進(jìn)出口的總壓損失系數(shù)（見(jiàn)圖3）。

1.3 進(jìn)氣組件原方案氣動(dòng)試驗(yàn)

針對(duì)原方案進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，在進(jìn)氣組件前端增加導(dǎo)流盆進(jìn)行導(dǎo)流，進(jìn)氣組件后端設(shè)置旋轉(zhuǎn)測(cè)量裝置進(jìn)行出口參數(shù)測(cè)量。如圖3所示，進(jìn)氣組件流道進(jìn)出口總壓損失仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，進(jìn)氣組件流道仿真計(jì)算模型和方法可作為進(jìn)氣組件氣動(dòng)性能評(píng)估和對(duì)比的依據(jù)。

2 優(yōu)化方案氣動(dòng)性能分析

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

在原方案基礎(chǔ)上，降低流道徑向高度，縮小中央傳動(dòng)錐齒輪組件尺寸，減小支板軸向長(zhǎng)度及最大厚度等方面進(jìn)行降輪廓設(shè)計(jì)，同時(shí)保持與壓氣機(jī)接口尺寸不變，保證出口截面參數(shù)盡量一致，以減小對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

2.2 優(yōu)化方案氣動(dòng)仿真計(jì)算

如圖4所示，外流道壁面最大徑向高度降低7.4%，內(nèi)流道流道最大徑向高度降低11.1%，同時(shí)支板長(zhǎng)度減小33.6%，支板最大厚度減小24%，將支板最大厚度作為中央傳動(dòng)軸的穿過(guò)位置。

采用與原方案相同的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和湍流模型對(duì)優(yōu)化方案流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。從圖5可以看出，初始優(yōu)化方案支板處由于通道相對(duì)變窄，氣流馬赫數(shù)突增，所以需對(duì)支板根部流道進(jìn)行微調(diào)，增加支板最厚處的通道高度，調(diào)整后流場(chǎng)突增情況得到較大改善。從圖6可以看出，由于壓氣機(jī)進(jìn)口截面內(nèi)流道徑向高度降低，出口截面馬赫數(shù)比原方案更低。

計(jì)算各個(gè)相同流量狀態(tài)下的進(jìn)出口總壓損失，從圖7可以看出優(yōu)化方案與原方案流道總壓損失相當(dāng)。

從圖8可以看出隨著支板最大厚度減小，側(cè)面流場(chǎng)高馬赫數(shù)區(qū)域減小，支板尾跡影響區(qū)變小，從圖9可以看出，優(yōu)化方案進(jìn)氣組件出口截面總壓分布與原方案基本一致，這是因?yàn)閮?yōu)化方案支板輕微后移，出口截面尾跡影響與原方案基本相當(dāng)，氣流經(jīng)由壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉通道參混后對(duì)壓氣機(jī)性能的影響較小。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

原進(jìn)氣組件方案中央的軸承腔無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出組件，軸承腔空間利用率較低，在內(nèi)流道壁面降低后，需對(duì)軸承腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為緊湊。

由于內(nèi)流道壁面降低與原方案從動(dòng)錐齒輪單側(cè)支撐雙排球軸承頂部干涉，如圖10所示，將軸承方案改為兩側(cè)支撐獨(dú)立球軸承，可避免軸承干涉問(wèn)題，且降低了單個(gè)軸承的徑向載荷。

如圖11所示，原方案燃?xì)獍l(fā)生器前軸承鼠籠彈支采用外翻式安裝邊安裝在進(jìn)氣機(jī)匣法蘭面上，彈支從進(jìn)氣機(jī)匣軸承腔前端裝入，零級(jí)導(dǎo)葉安裝座從進(jìn)氣機(jī)匣軸承腔后端裝入。由于流道徑向高度降低，進(jìn)氣機(jī)匣軸承腔前端開(kāi)口變小，原有彈支安裝無(wú)法從前端裝入，彈支改為內(nèi)翻式結(jié)構(gòu)，并采用擴(kuò)口自鎖螺母固定，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子軸承保持不變。

流道直徑及軸承腔輪廓尺寸減小，間接縮小了導(dǎo)流錐及軸承腔密封組件的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)縮短了進(jìn)氣組件軸向長(zhǎng)度，通過(guò)以上改進(jìn)措施，進(jìn)氣組件優(yōu)化方案重量比原方案降低約10%。

3 結(jié)論

本文對(duì)某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)軸向進(jìn)氣組件進(jìn)行降輪廓及減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)這兩種設(shè)計(jì)方案氣動(dòng)仿真及結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析，得到以下結(jié)論：（1）相比于原方案，優(yōu)化方案外流道壁面最大徑向高度降低7.4%，內(nèi)流道流道最大徑向高度降低11.1%，同時(shí)支板長(zhǎng)度減小33.6%，支板最大厚度減小24%，重量降低約10%；（2）優(yōu)化方案流道進(jìn)出口總壓損失與原方案相當(dāng)，隨著流量增大，總壓損失系數(shù)均逐漸減??；（3）優(yōu)化方案支板尾跡影響區(qū)變小，出口截面馬赫數(shù)比原方案更低，總壓分布與原方案基本一致。

本文所述優(yōu)化設(shè)計(jì)思路及分析研究結(jié)果對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣組件方案設(shè)計(jì)具有參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾強(qiáng)，謝買祥.某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣裝置設(shè)計(jì)[J].南華動(dòng)力，2015（4）：22-25.

[2] 尚義主編.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.