航空發(fā)動機典型徑向預(yù)旋噴嘴流量特性試驗研究

鄧維

摘 ?要：本文對航空發(fā)動機典型的葉片式徑向預(yù)旋噴嘴的流量特性進行了試驗研究，獲得了該噴嘴的總壓損失和換算流量隨壓比的變化關(guān)系，并分析得到了不同壓比下噴嘴的流量系數(shù)。研究結(jié)果表明，噴嘴的總壓損失隨著壓比的增大而增大;在一定范圍內(nèi)噴嘴的換算流量隨著壓比的增大而不斷增加，當(dāng)達到臨界狀態(tài)后，噴嘴的流量系數(shù)趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：徑向;預(yù)旋;噴嘴;試驗研究

對于目前的航空發(fā)動機渦輪冷卻系統(tǒng)而言，為了提升其冷卻效果，通常采用進氣預(yù)旋的方式。國內(nèi)外許多學(xué)者對預(yù)旋系統(tǒng)內(nèi)的流動和換熱做了大量研究。Meierhofer和Franklin[1]最早測量了預(yù)旋系統(tǒng)中預(yù)旋對接收孔內(nèi)冷氣溫度的影響;胡偉學(xué)[2]、鄭慶[3]等分別采用數(shù)值分析和試驗方法分析了不同徑氣角度對預(yù)旋特性的影響。但國內(nèi)外對預(yù)旋系統(tǒng)的試驗研究中通常會對實際結(jié)構(gòu)進行很大程度的簡化，雖然這樣做使得研究結(jié)果的通用性增強，但這是以犧牲專用性為代價的。本文對一個典型的葉片式預(yù)旋系統(tǒng)進行了試驗研究，獲得了壓比對噴嘴進出口總壓損失和流量特性的影響以及不同壓比下噴嘴的流量系數(shù)。

1 試驗系統(tǒng)介紹

1.1 試驗裝置

為了對預(yù)旋噴嘴的進口氣流條件進行模擬以及對其流通流量和進、出口壓力參數(shù)進行監(jiān)測，本試驗設(shè)計了一套試驗裝置，其簡化示意圖如圖1所示。

1.2 試驗件

本試驗所采用的預(yù)旋噴嘴為徑向葉片式噴嘴，葉片數(shù)量為18個，喉部面積為19.38mm2，整個噴嘴的流通面積為348.84mm2。

1.3 試驗狀態(tài)

在典型的發(fā)動機空氣系統(tǒng)中，預(yù)旋噴嘴的進口高壓冷氣一般在400℃以上，而溫度因素對預(yù)旋噴嘴的流通能力和總壓損失影響相對較小，因此為了降低試驗難度，試驗選在常溫狀態(tài)下進行。為了更好的將試驗結(jié)果與真實發(fā)動機狀態(tài)下噴嘴的流量特性進行對比，需要將流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量即換算流量，其定義如式（1）。

2 試驗結(jié)果及分析

評價一個預(yù)旋噴嘴設(shè)計好壞的依據(jù)一般包括其進出口流體的溫降、進出口總壓損失以及流通能力等。本試驗中難以測得準(zhǔn)確的出口流體相對總溫，因以無法獲得噴嘴進出口溫降結(jié)果。圖2為壓比對噴嘴進出口總壓損失的影響，從圖中可以看出：隨著壓比增大，氣流的速度增大，增加了氣體的摩擦及氣動損失，因此噴嘴的總壓損失不斷增加，且基本上呈線性增大的趨勢。

圖3為壓比對換算流量的影響，從圖中可以看出：在一定范圍內(nèi)，隨著壓比增大，換算流量不斷增大;在小壓比時換算流量增速較快，隨著壓比增大換算流量的增速不斷變慢，當(dāng)壓比接近臨界狀態(tài)時，噴嘴喉部速度已經(jīng)接近聲速，此時已達到噴嘴的最大流通能量，再增加進口壓力流量也不再變化。

3 流量系數(shù)計算分析

本文采用的理論流量計算公式如式（2）所示。

圖4給出了本試驗采用噴嘴結(jié)構(gòu)的流量系數(shù)隨著壓比變化的趨勢。從圖中可以看出：當(dāng)壓比小于1.3時，流量系數(shù)基本保持在0.63左右，此時增大壓比流量系數(shù)增加不明顯;但當(dāng)壓比大于1.3時，流量系數(shù)隨著壓比增加而不斷增大直至接近臨界狀態(tài)，此時，流量系數(shù)基本不再隨著壓比增大，而是穩(wěn)定在0.85左右。

4 結(jié)論

本文對典型的葉片式徑向預(yù)旋噴嘴的流量特性進行了試驗研究，得到如下結(jié)論：

1）隨著壓比增大，預(yù)旋噴嘴的總壓損失不斷增加，且近似呈線性增大的趨勢。

2）在一定范圍內(nèi)，隨著壓比增大，換算流量不斷增大;在小壓比時換算流量增速較快，隨著壓比增大換算流量的增速不斷變慢，當(dāng)壓比增大到接近臨界狀態(tài)時，換算流量基本不變。

3）當(dāng)壓比較小時，流量系數(shù)基本保持在一個比較低的水平;但當(dāng)壓比逐漸增大時，流量系數(shù)隨著壓比增加而不斷增大直至接近臨界狀態(tài)，此時，流量系數(shù)基本不再隨著壓比增大，而是基本保持不變。

參考文獻

[1] ?Meierhofer B.，and Franklin C.J.An investigation of a preswirled cooling airflow to a turbine disc by measuring the air temperature in the rotating channels[A]. ASME Paper，81-GT-132，1981

[2] ?胡偉學(xué)，王鎖芳，毛莎莎.預(yù)旋噴嘴徑向角度對預(yù)旋特性影響的數(shù)值研究[J].航空動力學(xué)報，2019，34（1）：84-91.

[3] ?鄭慶，馮青，陳堯，張博.收縮形預(yù)旋噴嘴流場的實驗研究[J].機械與電子，2014（3）：14-17.