采用冷氣射流調(diào)節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓部件流量的數(shù)值研究

楊榮菲，李云朋，仲冬冬，葛寧

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

0 引言

對(duì)轉(zhuǎn)渦輪較常規(guī)渦輪能顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、減少陀螺力矩，而取消低壓導(dǎo)葉的對(duì)轉(zhuǎn)渦輪，更能減少發(fā)動(dòng)機(jī)軸向尺寸及冷氣需求量。因此，無導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)受到各國航空工業(yè)界的廣泛重視。由于無導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓轉(zhuǎn)子出口通常為全展向、全超音[1]，在通過調(diào)節(jié)尾噴管開度時(shí)僅影響低壓渦輪流動(dòng)狀態(tài)，無法調(diào)節(jié)高壓渦輪進(jìn)口流量。針對(duì)該問題，發(fā)展合適的對(duì)轉(zhuǎn)渦輪流量控制方法以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)變工況流量調(diào)節(jié)的需求，是將對(duì)轉(zhuǎn)渦輪推廣到工程應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。

目前，渦輪流量調(diào)節(jié)方法主要包括機(jī)械式引入障礙物到流道中、可調(diào)導(dǎo)葉、引入第二股冷氣射流等，其中可調(diào)導(dǎo)葉曾被認(rèn)為是最有效的渦輪流量控制方法[2]。雛偉偉等[3-4]研究了1+1/2高壓渦輪中高壓導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)對(duì)流量、流場(chǎng)以及損失的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉角度增加15°或減少8°，渦輪流量變化為25%左右，而且導(dǎo)葉調(diào)節(jié)過程中端區(qū)泄露損失是影響渦輪性能的一個(gè)重要因素[5]。

雖然可調(diào)導(dǎo)葉具有高效率、寬范圍流量調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，但其工程應(yīng)用面臨著一系列問題，包括：不利于冷氣流路布置、端區(qū)預(yù)留間隙產(chǎn)生的泄露流會(huì)增加流動(dòng)損失、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加額外質(zhì)量[6]等。為了規(guī)避這些問題，在幾何不變的前提下，采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)方法來控制渦輪流量不失為一種工程中預(yù)期可實(shí)現(xiàn)的研究方向。氣動(dòng)調(diào)節(jié)是通過在渦輪導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)子流道中噴氣來實(shí)現(xiàn)減小流通面積從而減小渦輪進(jìn)口流量的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量無影響、減少了渦輪設(shè)計(jì)難度。閏晨等[7]利用端區(qū)定常射流，張少波等[8]采用非定常脈沖射流來控制渦輪流量。結(jié)果表明：渦輪導(dǎo)葉喉部為最佳噴氣位置，在端區(qū)位置與主流成鈍角定常噴氣對(duì)渦輪流量的調(diào)節(jié)能力強(qiáng)于銳角或直角，流量最多可減少9%；脈沖噴氣的流量控制效果與定常噴氣相當(dāng)，但對(duì)渦輪效率有小幅改善作用。

雖然國內(nèi)在對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)調(diào)節(jié)方面開展了一些研究，但對(duì)葉片表面射流孔進(jìn)行氣動(dòng)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)研究較少，射流孔布局、角度設(shè)置仍存在經(jīng)驗(yàn)性。因此，本文對(duì)比研究了對(duì)轉(zhuǎn)渦輪中高壓部件導(dǎo)葉壓力面、吸力面布置不同軸向位置射流孔按照不同射流角度、射流流量噴氣時(shí)渦輪流量的變化情況，為渦輪氣動(dòng)調(diào)節(jié)中參數(shù)設(shè)置提供指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象和數(shù)值驗(yàn)證

1.1 研究對(duì)象及數(shù)值方法

以某對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓部件為研究對(duì)象，如圖1所示。采用Autogrid5自動(dòng)生成HOH結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，不考慮葉尖間隙，對(duì)固壁處進(jìn)行網(wǎng)格加密以保證第一層網(wǎng)格y+<1。

圖1 計(jì)算模型示意圖

數(shù)值模擬采用課題組自主開發(fā)的CFD軟件NUAA-Turbo2.0[9]。該程序求解守恒型可壓縮N-S控制方程，對(duì)流空間離散采用三階WENO格式[10]、SST湍流模型[11]，并采用多核并行(MPI)計(jì)算。定常計(jì)算邊界條件：亞音速進(jìn)口給定總溫、總壓、氣流角以及出口背壓，葉片表面為絕熱無滑移固壁，計(jì)算域周向采用周期性邊界，轉(zhuǎn)/靜交界面為一維無反射[12]的摻混面方法，射流采用源項(xiàng)法[13]。

1.2 數(shù)值方法驗(yàn)證

1) 源項(xiàng)法可靠性驗(yàn)證

源項(xiàng)法無需對(duì)離散孔劃分網(wǎng)格，只需在指定位置加入如質(zhì)量、動(dòng)量、能量及湍動(dòng)能源項(xiàng)即可，在保證精度的同時(shí)可大大減少計(jì)算量。為驗(yàn)證源項(xiàng)法的準(zhǔn)確性，本文使用BURD和SIMON[14-15]的平板氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)據(jù)。選用長徑比2.3的試驗(yàn)結(jié)果，其中射流角度為35°，射流孔D=19mm，主流速度為11m/s，速度比為1，主流溫度293K，射流溫度303K。計(jì)算域從孔上游5D到下游15D、高度5D、寬度3D。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后最終網(wǎng)格量為48萬，如圖2所示，流向、法向和展向上節(jié)點(diǎn)為225×65×33，其中流向和展向網(wǎng)格均勻分布，固壁法向網(wǎng)格加密，保證第一層網(wǎng)格y+<1。

圖2 網(wǎng)格示意圖

氣膜冷卻效率η定義為

式中：T∞為主流；Tw為絕熱壁面溫度；Tc表示射流溫度。

圖3是射流孔下游X/D=2.5、3.75展向位置冷卻效率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比?？煽闯鰯?shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，說明源項(xiàng)法能有效預(yù)測(cè)射流與主流的摻混。

圖3 展向絕熱效率分布

2) 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

靜子和轉(zhuǎn)子網(wǎng)格沿不同方向加密，計(jì)算得到不同網(wǎng)格量下渦輪進(jìn)口流量和導(dǎo)葉50%葉高葉片表面相對(duì)靜壓分布，如圖4-圖5所示(因本刊黑白印刷，如有疑問可咨詢作者。)?？梢钥闯霎?dāng)網(wǎng)格量達(dá)到271.7萬以上時(shí)，渦輪流量基本不變，葉片表面相對(duì)靜壓分布基本重合，因此可認(rèn)為本文選用的271.7萬網(wǎng)格量滿足網(wǎng)格無關(guān)性。

圖4 渦輪流量隨網(wǎng)格量的變化

圖5 導(dǎo)葉50%葉高相對(duì)靜壓分布

1.3 算例說明

為了研究冷氣射流孔調(diào)節(jié)渦輪流量的可行性，以葉片表面無射流的對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓級(jí)設(shè)計(jì)工況為基準(zhǔn)，在導(dǎo)葉吸力面、壓力面分別沿展向布置17個(gè)直徑1mm的射流孔，射流孔位置為10%～90%軸向弦長、射流角度分別為30°、50°、90°、120°、150°，按照壓氣機(jī)出口總溫給定射流總溫，射流流量分別給定為1%、3%、5%、7%、8.4%渦輪設(shè)計(jì)點(diǎn)流量，數(shù)值計(jì)算不同射流參數(shù)下渦輪進(jìn)口流量相較于基準(zhǔn)工況的改變情況，用符號(hào)Rc表示：

式中：m表示渦輪進(jìn)口流量；下標(biāo) “f” 、“c”分別為基準(zhǔn)工況和冷氣射流工況。

2 結(jié)果與討論

2.1 基準(zhǔn)工況流場(chǎng)分析

圖6為無射流時(shí)葉中截面相對(duì)馬赫數(shù)云圖?？梢钥吹轿?cè)激波向下游發(fā)展并與尾跡作用；壓力面?zhèn)葍?nèi)伸激波打在相鄰葉片吸力面并產(chǎn)生反射。轉(zhuǎn)子吸力面距前緣約55%軸向弦長處產(chǎn)生一道壓縮波，與轉(zhuǎn)子尾緣壓力面?zhèn)犬a(chǎn)生的內(nèi)伸激波相交后與下游尾跡相交。這在常規(guī)渦輪中是沒有的，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)渦輪中喉道位置在葉片尾緣附近，葉柵通道中氣流是亞音速流動(dòng)的。

圖6 馬赫數(shù)云圖

2.2 壓力面射流對(duì)渦輪影響

圖7為最大冷氣量8.4%時(shí)壓力面不同噴射位置(相對(duì)軸向弦長x/Cx)和射流角度對(duì)渦輪流量的影響?？梢钥吹较嗤錃饬肯聹u輪流量調(diào)節(jié)效果與射流位置基本無關(guān)，射流角增加有利于增大流量調(diào)節(jié)范圍?？紤]到導(dǎo)葉前緣附近溫度較高需要進(jìn)行氣膜冷卻，因此選取靠近尾緣溫度較低的位置布置射流孔進(jìn)行氣動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖7 壓力面射流流量8.4%時(shí)渦輪流量變化

圖8 壓力面80%軸向弦長處噴氣時(shí)渦輪流量變化

選取距導(dǎo)葉前緣80%軸向弦長處噴射冷氣，計(jì)算不同射流角和冷氣量下渦輪進(jìn)口流量變化(圖8)?？梢钥吹嚼錃饬繛?%時(shí)進(jìn)口流量?jī)H減小了1%，基本無法起到氣動(dòng)調(diào)節(jié)作用。銳角噴射時(shí)不同冷氣量下渦輪流量變化基本相同，當(dāng)射流角度增加到90°、120°時(shí)渦輪流量隨冷氣量變化明顯，特別是當(dāng)冷氣量較大時(shí)，120°射流角射流引起的渦輪流量減小量是銳角射流時(shí)的將近一倍，進(jìn)一步增加射流角度至150°時(shí)渦輪流量調(diào)節(jié)效果并沒有較大改善，因此壓力面最佳射流角為90°～120°，冷氣量越大渦輪流量調(diào)節(jié)效果越好。

圖9為葉中截面馬赫數(shù)云圖，其中圖9(a)為基準(zhǔn)工況，圖9(b)-圖9(d)為射流角、冷氣量改變工況。可以看出，射流以高于當(dāng)?shù)厮俣葒娚溥M(jìn)主流道，射流本身以及射流下游的低速區(qū)形成堵塞，在射流軌跡與相鄰葉片吸力面之間形成喉道，見圖中馬赫數(shù)為1的等值線，射流角越大、冷氣量越大，導(dǎo)葉喉道面積減小越多，對(duì)應(yīng)于渦輪進(jìn)口流量減小量增加。

圖9 壓力面80%軸向弦長噴氣時(shí)葉中截面馬赫數(shù)

2.3 吸力面射流對(duì)渦輪影響

對(duì)比圖7和圖10可看出，相較壓力面射流，相同噴氣流量下，吸力面射流位置對(duì)渦輪流量調(diào)節(jié)的影響更大，喉道下游射流引起渦輪流量改變量基本為零；喉道上游射流均能調(diào)節(jié)渦輪流量，其中喉道上游附近位置(距前緣50%、60%軸向弦長)射流對(duì)渦輪流量調(diào)節(jié)最敏感，此處除了流量調(diào)節(jié)范圍達(dá)到最大外，射流角增加引起的流量調(diào)節(jié)范圍增加量也最大。

選取50%軸向弦長處噴氣，計(jì)算不同射流角和冷氣量下渦輪流量變化見圖11。由圖可看出，相同射流角下渦輪流量變化量隨冷氣量增加而線性增加，相同冷氣量下渦輪流量變化量隨射流角增加先快速增加后緩慢增加。當(dāng)射流角增加到120°時(shí)，進(jìn)一步增加射流角引起的渦輪流量變化不大，因此120°為最佳射流角。相較壓力面，吸力面噴射冷氣對(duì)渦輪流量的改變量更大，特別是吸力面射流角120°、冷氣量8.4%時(shí)渦輪流量減小15%，是壓力面相同射流條件下渦輪流量減小量的1.5倍。

圖10 吸力面噴氣流量8.4%時(shí)渦輪流量變化

圖11 吸力面50%軸向弦長處噴氣時(shí)渦輪流量變化

圖12為導(dǎo)葉吸力面不同射流角度及冷氣量下葉中截面馬赫數(shù)云圖。對(duì)比圖9可看出，類似于壓力面射流通過流道堵塞實(shí)現(xiàn)渦輪流量調(diào)節(jié)的機(jī)理，射流軌跡與相鄰葉片壓力面之間的區(qū)域形成了渦輪喉道，隨射流角增加，射流軌跡遠(yuǎn)離吸力面引起渦輪喉道面積減??；隨冷氣量減小，射流流動(dòng)由超音速降為亞音速，射流軌跡受主流影響并更加貼近吸力面，引起渦輪喉道面積增加，同時(shí)亞音速射流削弱相鄰葉排壓力面內(nèi)伸波撞擊在吸力面上的激波強(qiáng)度，使得反射波消失。

圖12 吸力面50%軸向弦長處噴氣時(shí)葉中截面馬赫數(shù)

3 結(jié)語

以對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高壓級(jí)為研究對(duì)象，采用源項(xiàng)法數(shù)值研究了導(dǎo)葉吸力面、壓力面不同位置、角度射流孔以不同冷氣量調(diào)節(jié)渦輪流量的可行性，結(jié)論如下：

1) 壓力面不同位置射流均可調(diào)節(jié)渦輪流量，且調(diào)節(jié)效果基本相同；在壓力面近尾緣附近溫度較低區(qū)適合布置射流孔，渦輪流量調(diào)節(jié)效果與射流角、射流流量正相關(guān)，最佳射流角度為90°～120°。

2) 吸力面射流調(diào)節(jié)渦輪流量時(shí)，渦輪流量對(duì)射流位置敏感，渦輪喉道上游附近為最佳射流位置，渦輪流量的調(diào)節(jié)量隨射流角、冷氣量的增加而增加，最佳射流角為120°。

3) 相同射流參數(shù)下，吸力面射流較壓力面射流對(duì)渦輪流量調(diào)節(jié)效果更好，流動(dòng)機(jī)理來源于射流軌跡及其下游低速區(qū)域形成的堵塞減少了渦輪喉道面積。