壓氣機(jī)試驗(yàn)器雙涵排氣蝸殼設(shè)計及數(shù)值模擬

孫立 劉習(xí)川

1. 中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所 湖南 株洲 412002；

2. 中小型航空發(fā)動機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)試驗(yàn)室 湖南 株洲 412002

引言

作為航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件運(yùn)行轉(zhuǎn)速大、工作壓比高，其性能需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和評估[1-3]。

風(fēng)扇/壓氣機(jī)試驗(yàn)件出口氣流近似等流速進(jìn)入排氣蝸殼，排氣蝸殼在設(shè)計上要保證試驗(yàn)件出口流場的均勻性，減小對風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能的影響[4]。

雙涵排氣蝸殼主要用于風(fēng)扇氣動性能試驗(yàn)，由于風(fēng)扇的級數(shù)少，壓比低，要求其具有更小的氣動損失，在結(jié)構(gòu)允許的條件下，盡量減少蝸殼氣流速度。本文設(shè)計適用于風(fēng)扇氣動性能試驗(yàn)的雙涵排氣蝸殼，并對其氣動性能進(jìn)行了數(shù)值計算。

1 雙涵排氣蝸殼流道及結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的雙涵排氣蝸殼采用軸向進(jìn)氣，側(cè)向排氣的結(jié)構(gòu)形式，按照等流速原則計算排氣蝸殼內(nèi)涵和外涵的流道截面幾何參數(shù)。為兼顧試驗(yàn)臺安裝和試驗(yàn)要求，減小蝸殼軸向尺寸及蝸殼內(nèi)部流動損失，蝸殼流道截面設(shè)計為偏心圓。蝸殼內(nèi)部布置周向支板及出口過渡段支板以增強(qiáng)蝸殼強(qiáng)度，同時為保證內(nèi)、外涵出口管路的安裝空間，內(nèi)、外涵道出口呈夾角布置。

安裝機(jī)匣是試驗(yàn)件出口與蝸殼本體的過渡連接段，通過法蘭安裝面與試驗(yàn)件、雙涵蝸殼本體螺栓連接，并作為承力件，通過四個安裝耳與支撐底座連接。機(jī)匣環(huán)流道面采用光滑圓弧設(shè)計，并與試驗(yàn)件出口轉(zhuǎn)接段及蝸殼本體流道相切。

利用UG軟件進(jìn)行三維造型，X軸為進(jìn)氣方向，Y軸為出口方向，雙涵排氣蝸殼本體及安裝機(jī)匣三維模型如圖1所示。

圖1 雙涵排氣蝸殼幾何模型

2 排氣蝸殼的數(shù)值模擬計算

2.1 網(wǎng)格劃分與計算設(shè)置

使用ICEM CFD軟件分別對內(nèi)、外涵流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于排氣蝸殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在處理復(fù)雜幾何外形具有明顯優(yōu)勢。在近壁面及支板區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，壁面第一層網(wǎng)格厚度0.2mm，其中，外涵流體域網(wǎng)格總量為179.3萬，內(nèi)涵流體域網(wǎng)格總量為175.6萬，如圖2所示。

圖2 排氣蝸殼流體域網(wǎng)格模型

使用ANYSY CFX軟件對流體域流場進(jìn)行數(shù)值計算。流體區(qū)域介質(zhì)設(shè)置為理想氣體，氣流為絕熱流動，流體與管路不發(fā)生熱交換。

湍流模型設(shè)置為SST模型。進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，分別給定內(nèi)、外涵質(zhì)量流量以及總溫，出口設(shè)置為靜壓出口邊界條件，數(shù)值為101325Pa。

2.2 流場分析

圖3給出了外、內(nèi)涵排氣蝸殼YOZ面速度分布圖，安裝機(jī)匣及環(huán)狀流道前部結(jié)構(gòu)過渡平緩，氣流平穩(wěn)均勻，隨著流動的進(jìn)行，由于沿程附面層逐漸增厚及轉(zhuǎn)彎段、支板對氣流的作用，進(jìn)入蝸殼支板后流動趨于復(fù)雜。在軸向轉(zhuǎn)徑向的過渡區(qū)域，氣流摻混作用影響大于平直區(qū)域。

圖3 排氣蝸殼YOZ面速度分布云圖

經(jīng)過計算，外涵蝸殼內(nèi)部平均速度在75m/s左右，最大速度121m/s，內(nèi)涵蝸殼內(nèi)部平均速度在70m/s左右，最大速度152m/s，平均速度均低于排氣蝸殼經(jīng)驗(yàn)流速80m/s，但內(nèi)涵蝸殼內(nèi)的氣流速度不均勻性高于外涵蝸殼。蝸殼內(nèi)部的速度分布沿徑向分布不均勻，出口側(cè)支板附近的氣流流速高于其余位置，支板后方的尾跡區(qū)發(fā)展影響了排氣蝸殼內(nèi)氣流的流動與摻混。

2.3 進(jìn)口截面參數(shù)分布

圖4給出了內(nèi)、外涵排氣蝸殼進(jìn)口截面的總壓分布云圖，可以看出外涵蝸殼的進(jìn)口靜壓低于內(nèi)涵蝸殼，這是由于外涵流道的流量較大，進(jìn)口氣流速度高，且靠近蝸殼出口側(cè)的氣流速度高于其他區(qū)域。

圖4 排氣蝸殼進(jìn)口總壓分布云圖

計算得到外涵蝸殼進(jìn)口平均總壓為110219Pa，內(nèi)涵蝸殼進(jìn)口平均總壓為114808Pa。試驗(yàn)件出口，即排氣蝸殼進(jìn)口的總壓不均勻度不超過10%[5]。計算得到外涵蝸殼進(jìn)口的總壓不均勻度為27.1%，內(nèi)涵蝸殼進(jìn)口的總壓不均勻度為5.7%。

由于安裝機(jī)匣的存在，導(dǎo)致內(nèi)涵蝸殼進(jìn)口離蝸殼本體較遠(yuǎn)，蝸殼內(nèi)的流場擾動難以對壓氣機(jī)出口的流場不均勻性造成影響，因此內(nèi)涵蝸殼進(jìn)口的總壓不均勻度明顯好于外涵蝸殼。

在實(shí)際試驗(yàn)狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)接段的減速擴(kuò)壓作用，試驗(yàn)件出口流速會大于排氣系統(tǒng)進(jìn)口流速，壓氣機(jī)試驗(yàn)件出口的總壓不均勻度會小于本文計算的排氣系統(tǒng)進(jìn)口總壓不均勻度[6]。

2.4 蝸殼流動損失分析

氣流在蝸殼內(nèi)的損失包括流體黏性導(dǎo)致的沿程摩擦損失和支板、蝸殼流道造成氣流損失，本文定義排氣蝸殼損失系數(shù)σ*為：

本文計算了不同流量下內(nèi)、外涵排氣蝸殼的損失系數(shù)，如圖5所示。

圖5 排氣蝸殼損失系數(shù)

可以看出，內(nèi)、外涵排氣蝸殼因?yàn)榱髁吭龃髮?dǎo)致內(nèi)部氣體流速上升，流動損失增大，且流動損失的增長速率也越快，體現(xiàn)在流動損失曲線斜率與流量變化正相關(guān)。從圖中可以看出，在設(shè)計范圍內(nèi)，內(nèi)涵排氣蝸殼的流動損失小于0.13，外涵排氣蝸殼的流動損失小于0.25，這是由于內(nèi)涵蝸殼內(nèi)部氣流速度相對較小，流動損失小于外涵蝸殼。

4 結(jié)束語

（1）排氣蝸殼內(nèi)部導(dǎo)流葉片對流場具有改善作用，外涵蝸殼內(nèi)部平均速度在75m/s左右，內(nèi)涵蝸殼內(nèi)部平均速度在70m/s左右，均低于排氣蝸殼經(jīng)驗(yàn)流速80m/s。

（2）安裝機(jī)匣導(dǎo)致內(nèi)涵蝸殼進(jìn)口的總壓不均勻度明顯好于外涵蝸殼，其中外涵蝸殼進(jìn)口的總壓不均勻度為27.1%，內(nèi)涵蝸殼進(jìn)口的總壓不均勻度為5.7%。

（3）蝸殼內(nèi)部流動速度越大，損失越大，流動損失曲線斜率與流量變化正相關(guān)，內(nèi)涵排氣蝸殼的流動損失小于0.13，外涵排氣蝸殼的流動損失小于0.25。