供氣孔角度對徑向預(yù)旋系統(tǒng)特性影響的數(shù)值研究

摘"要：為降低航空發(fā)動機(jī)徑向預(yù)旋系統(tǒng)的流阻，增加溫降，研究供氣孔內(nèi)的流動特性，建立徑向預(yù)旋系統(tǒng)三維模型，在不同預(yù)旋角和旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)條件下，采用數(shù)值方法研究不同供氣孔角度下預(yù)旋系統(tǒng)的特性。結(jié)果表明：隨著供氣孔角度的增加，孔內(nèi)的旋渦逐漸減小，孔內(nèi)流通性得到改善；系統(tǒng)溫降系數(shù)增加，在高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下增幅較大，最大可提高19.3%；供氣孔的流量系數(shù)有顯著提高，最大可提高64.9%，降低了系統(tǒng)的流阻，從而預(yù)旋噴嘴出口流量系數(shù)及系統(tǒng)無量綱質(zhì)量流量均有所提高。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；徑向預(yù)旋；供氣孔角度；溫降；流阻；流量系數(shù)

中圖分類號：V231.3""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""文章編號：1671-5276（2024）02-0096-05

Numerical Study on Influence of Supply Hole Angle on Radial Pre-swirl System

CHAI Jinmeng， WANG Suofang， SHEN Wenjie

（College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：In order to reduce the flow resistance and increase the temperature drop of the aero-engine radial pre-swirl system， the flow characteristics inside the supply hole was studied and a three-dimensional model of the radial pre-swirl system was established. The numerical simulation was conducted to study the features of different pre-swirl systems at different pre-swirl nozzle angles and in rotational Reynolds numbers. The results show that as the angle of the supply hole increases， the vortex inside the hole gradually decreases， which improves the flowability of the supply hole. Temperature drop coefficient increases with the supply hole increases， and the increase of temperature drop coefficient is larger in high rotational Reynolds number， up to 19.3%. After the angle of supply hole is increased， the discharge coefficient is significantly improved， up to 64.9%， which reduces the flow resistance of the system， thus the discharge coefficient of the pre-swirl nozzle outlet and the system dimensionless mass flow rate being improved.

Keywords：aero-engine；radial pre-swirl；supply hole angle；temperature drop；flow resistance；discharge coefficient

0"引言

因航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度的上升，給渦輪葉片等熱端部件冷卻帶來了挑戰(zhàn)。徑向預(yù)旋系統(tǒng)是為渦輪葉片提供高品質(zhì)冷氣的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)由預(yù)旋噴嘴、轉(zhuǎn)靜腔、接受孔、共轉(zhuǎn)腔和供氣孔組成。其原理為：冷氣通過預(yù)旋噴嘴膨脹加速后靜溫降低并發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使冷氣相對于渦輪盤的速度減小，進(jìn)而降低了冷氣的相對總溫，為渦輪葉片提供更高品質(zhì)的冷氣，故提高預(yù)旋系統(tǒng)的性能對于渦輪葉片的冷卻具有重要意義。

20世紀(jì)歐洲研究人員開始了對預(yù)旋系統(tǒng)的研究。MEIERHOFER B等［1］首先通過試驗(yàn)證明了預(yù)旋系統(tǒng)能顯著提高氣體的溫降，而后國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)旋系統(tǒng)的各個元件進(jìn)行了研究。在預(yù)旋噴嘴方面，DITTMANN M等［2］通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)預(yù)旋噴嘴流量系數(shù)的變化規(guī)律及其影響因素。胡偉學(xué)、劉育心等［3-4］分別研究了直孔型、葉柵型和葉型孔式預(yù)旋噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

在接受孔方面研究分為直孔型結(jié)構(gòu)改進(jìn)和設(shè)計(jì)新孔型兩個方向，陳帆、侯偉韜和韋光禮等［5-7］分別對直孔型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，找到了溫降性能較優(yōu)的結(jié)構(gòu)。LIU Y X、張凱等［8-9］各設(shè)計(jì)了葉柵型和狹縫型接受孔并證明了新結(jié)構(gòu)溫降性能的優(yōu)越性。

在預(yù)旋系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)域的研究中，張建超和鄧麗君等［10-11］證明添加導(dǎo)流葉片可以提高系統(tǒng)溫降。鄭笑天［12］研究了供氣孔長度和徑向位置的影響，發(fā)現(xiàn)長度增大預(yù)旋系統(tǒng)性能降低；而徑向位置增加，預(yù)旋系統(tǒng)的壓損減小，溫降增加。

供氣孔是徑向預(yù)旋系統(tǒng)中的重要元件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)影響冷氣的品質(zhì)，由上文分析可知，在公開的文獻(xiàn)中未見對徑向預(yù)旋系統(tǒng)供氣孔角度的研究，而帶角度的供氣孔可以改變系統(tǒng)內(nèi)部氣體的流動，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。故本文在不同預(yù)旋角和旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的條件下，采用數(shù)值方法研究了供氣孔周向傾角對徑向預(yù)旋系統(tǒng)溫降及流阻的影響，并進(jìn)行理論探索與分析，為徑向預(yù)旋系統(tǒng)未來的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

1"計(jì)算模型及方法

1.1"計(jì)算模型

本文研究的徑向預(yù)旋系統(tǒng)模型如圖1所示。模型分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域，將預(yù)旋腔在徑向方向的中間截面定義為轉(zhuǎn)靜交界面?；谀Ｐ途哂兄芷谛缘奶攸c(diǎn)，為節(jié)省計(jì)算資源，取模型整體的1/6為實(shí)際計(jì)算域，該范圍內(nèi)含預(yù)旋噴嘴3個，接受孔8個，供氣孔8個。

圖2為供氣孔角度與預(yù)旋角示意圖。供氣孔角度α為供氣孔與轉(zhuǎn)盤面的夾角，本文中其取值為75°、90°、100°、120°、135°、150°。預(yù)旋角θ為噴嘴出口中心線與靜盤切線方向的夾角，其取值為15°、30°、45°。

圖3為該徑向預(yù)旋系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)尺寸的示意圖。圖中出口半徑位置Rn與供氣孔中心半徑位置Rs的比值Rn/Rs= 0.63，與接受孔出口半徑位置Rr比值Rn/Rr = 1.13，預(yù)旋噴嘴直徑Dn與供氣孔直徑Ds比值Dn/Ds=0.69，與接受孔直徑Dr比值Dn/Dr= 0.91。Scr為共轉(zhuǎn)盤腔的寬度，Ls為供氣孔的長度，b為共轉(zhuǎn)盤腔的最大旋轉(zhuǎn)半徑。

1.2"計(jì)算方法及驗(yàn)證

采用ANSYS Mesh對模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分并添加邊界層，第一層邊界層高度0.05mm，網(wǎng)格增長率為1.2，經(jīng)驗(yàn)證滿足計(jì)算要求。對網(wǎng)格數(shù)為10萬～150萬的模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)超過90萬后，溫降系數(shù)的變化率不超過0.2%。為保證精度和節(jié)省計(jì)算資源，采用網(wǎng)格數(shù)量為110萬的模型進(jìn)行計(jì)算。

文獻(xiàn)［13］中的計(jì)算模型與本文同為徑向預(yù)旋系統(tǒng)，故利用其試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行湍流模型驗(yàn)證。將本文的計(jì)算方法對文獻(xiàn)中的模型進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如圖4所示。RNG k-ε模型所得結(jié)果與試驗(yàn)值最為接近，故本文選擇此模型進(jìn)行計(jì)算。

采用CFX軟件對上述模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解計(jì)算，入口給定總壓1360kPa，進(jìn)口總溫750K；出口給定靜壓為800kPa。旋轉(zhuǎn)域的轉(zhuǎn)速范圍為7 500r/min～1 7500r/min。轉(zhuǎn)靜交界面使用Frozen Rotor進(jìn)行處理，網(wǎng)格連接方式為GGI。壁面均為絕熱無滑移壁面，采用Scalable壁面函數(shù)。

1.3"參數(shù)定義

1）旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)：ReΦ=ρωb2μ（1）

式中：ω為旋轉(zhuǎn)域的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；ρ為空氣密度，kg/m3；μ為空氣運(yùn)動黏度，Pa·s。

2）旋流比：Sr=VΦωr（2）

式中：VΦ為氣流周向速度，m/s；r為氣流當(dāng)?shù)匕霃?，m。

3）溫降系數(shù)：Ψ=T*in-T*out，relT*in（3）

式中：T*in為進(jìn)口氣流總溫，K；T*out，rel為出口氣流相對總溫，K。

4）無量綱質(zhì)量流量：CW=m·μb（4）

式中m·為出口氣流實(shí)際質(zhì)量流量，kg/s。

5）無量綱總溫降［13］：Θ=T*in-T*outT*in-Tin（5）

式中Tin與T*out為進(jìn)口氣流靜溫和出口氣流總溫，K。

6）流量系數(shù)：CD=m·m·i（6）

式中m·i為氣流的理想流量，kg/s。

2"計(jì)算結(jié)果分析與討論

2.1"氣流流動特性

圖5為θ=15°、ReΦ=8.9×106時，供氣孔截面的流線和旋流比云圖?？梢钥闯觯M(jìn)入供氣孔前氣流旋流比小于1。當(dāng)供氣孔角度較小時，氣流流進(jìn)供氣孔后沿著下壁面流出，同時受到上壁面的阻礙，在上壁面附近形成旋渦，從而產(chǎn)生耗散使流速降低流動受阻。但隨著供氣孔角度的增加，供氣孔的導(dǎo)向作用增強(qiáng)，旋渦的范圍逐漸減小，流阻隨之降低，旋流比分布趨于均勻。當(dāng)供氣孔角度達(dá)到150°后，旋渦消失。

圖6為θ=15°、ReΦ=1.0×107時，不同供氣孔角度下預(yù)旋噴嘴截面的流線和馬赫數(shù)云圖。氣流經(jīng)過預(yù)旋噴嘴后膨脹加速，發(fā)生偏轉(zhuǎn)使周向速度增加，降低氣流在旋轉(zhuǎn)域的旋流比，有利于氣流在旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的流動。供氣孔角度增加后，氣流在預(yù)旋噴嘴出口處的馬赫數(shù)隨之增加。由圖6可知，供氣孔角度增加改善了系統(tǒng)的流通性，降低了系統(tǒng)流阻，故在噴嘴出口處氣流的馬赫數(shù)有所增加。

2.2"溫降特性

圖7所示為θ=15°、ReΦ=1.0×107時供氣孔截面的相對總溫云圖。由圖可知隨著供氣孔角度增加，孔內(nèi)氣流的相對總溫逐漸降低。這是由于供氣孔角度的增加使得孔內(nèi)旋渦范圍減小，流通性增強(qiáng)，流動過程中產(chǎn)生的耗散減弱。在供氣孔內(nèi)部氣流的相對總溫變化幅度不大，從其孔型來看，由于供氣孔為圓形直通型孔，由對稱性可知孔壁對氣流的作用在圓周方向上相同且使氣流會隨孔旋轉(zhuǎn)，這就使得孔內(nèi)氣流的相對總溫變化幅度較小。

在不同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和預(yù)旋角下，溫降系數(shù)隨供氣孔角度變化關(guān)系如圖8所示。在不同的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，供氣孔角度增加，溫降系數(shù)都隨之增加。由文獻(xiàn)［5］可知，此工況下系統(tǒng)進(jìn)出口溫差取決于噴嘴出口氣流旋流比。供氣孔角度的增加，降低了系統(tǒng)流阻，使噴嘴出口氣流流速升高，旋流比隨之增加，從而提高了系統(tǒng)的溫降系數(shù)。旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)為1.04×107時，不同預(yù)旋角下溫降系數(shù)增幅分別為14.6%、15.1%和19.3%。旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)增加，溫降系數(shù)先增加后降低。這是由于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)增加后，氣流離心溫升較低。而在高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的情況下，旋流比小于1，轉(zhuǎn)盤壁面對氣流所做的功明顯增加，導(dǎo)致氣流升溫，溫降系數(shù)明顯降低。

在相同的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，隨著預(yù)旋角的增加，溫降系數(shù)均有所降低。這是由于預(yù)旋角增加使得噴嘴出口氣流的速度降低，使氣流周向速度與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速之間差距增加，轉(zhuǎn)盤對氣流做功增加，從而降低了系統(tǒng)溫降系數(shù)。

2.3"流阻特性

圖9所示為θ=15°時供氣孔角度對其流量系數(shù)的影響。在不同的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，供氣孔的流量系數(shù)均隨著供氣孔角度的增加而增加。從圖中可知供氣孔角度增加，供氣孔內(nèi)旋渦逐漸消失，改善了其流通性，從而提高了有效流通面積；而供氣孔流量系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加而降低，這是由于在低旋轉(zhuǎn)雷諾時，供氣孔截面的氣流旋流比更接近于1，供氣孔具有較優(yōu)的流通性。在4種旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，供氣孔的流量系數(shù)相較于90°時最大增加了59.1%、64.9%、57.6%、49.8%。

θ=15°時徑向預(yù)旋系統(tǒng)無量綱質(zhì)量流量隨供氣孔角度變化關(guān)系如圖10所示。隨著供氣孔角度增加，系統(tǒng)無量綱質(zhì)量流量增加。這是由于供氣孔角度增加提高了其有效流通面積，系統(tǒng)流阻降低，從而使系統(tǒng)無量綱質(zhì)量流量均提高。在不同的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，無量綱質(zhì)量流量分別提高了1.3%、1.6%、1.9%、2.1%。旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)增加，無量綱質(zhì)量流量隨之增加。這是由于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)增加后，盤腔壁面對氣流的泵送作用增加，使系統(tǒng)的無量綱質(zhì)量流量增加。

3"結(jié)語

1）隨著供氣孔角度的增加，供氣孔對氣流的導(dǎo)向作用逐漸增強(qiáng)，孔內(nèi)的旋渦逐漸減小，旋流比分布逐漸均勻，供氣孔流通性增強(qiáng)，從而降低系統(tǒng)的流動阻力，使預(yù)旋噴嘴出口馬赫數(shù)隨之增加。

2）供氣孔內(nèi)氣流溫度隨供氣孔角度增加而降低，溫降系數(shù)隨著供氣孔角度的增加而增加。旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)為1.04×107 時，溫降系數(shù)最大增加了19.3%。

3）供氣孔流量系數(shù)和系統(tǒng)無量綱質(zhì)量流量隨供氣孔角度增加而增加。預(yù)旋角為15°時供氣孔流量系數(shù)最大可提高64.9%，無量綱質(zhì)量流量最大可提高2.1%。

參考文獻(xiàn)：

［1］ MEIERHOFER B，F(xiàn)RANKLIN C J. An investigation of a preswirled cooling airflow to a turbine disc by measuring the air temperature in the rotating channels［C］. ［S.I.］： Asme， 1981.

［2］ DITTMANN M，GEIS T，SCHRAMM V，et al. Discharge coefficients of a preswirl system in secondary air systems［J］. Journal of Turbomachinery，2002，124（1）：119-124.

［3］ 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.

［4］ 劉育心，劉高文，吳衡，等. 葉型孔式預(yù)旋噴嘴流動特性數(shù)值研究［J］. 推進(jìn)技術(shù)，2016，37（2）：332-338.

［5］ 陳帆，王鎖芳，張光宇，等. 接受孔角度對預(yù)旋系統(tǒng)流動特性影響的數(shù)值研究［J］. 推進(jìn)技術(shù)，2018，39（7）：1549-1555.

［6］ 侯偉韜，王新軍，李炎棟. 接收孔周向傾角對預(yù)旋轉(zhuǎn)靜盤腔流動特性的影響［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報，2019，53（11）：27-33.

［7］ 韋光禮，王鎖芳，陸海，等. 帶進(jìn)氣角度接受孔徑向預(yù)旋流動特性數(shù)值研究［J］. 機(jī)械制造與自動化，2022，51（5）：16-20.

［8］ LIU Y X，LIU G W，KONG X Z，et al. Design and numerical analysis of a vane shaped receiver hole in a cover-plate preswirl system［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2019，141（4）：041001.

［9］ 張凱，王鎖芳，侯曉亭，等. 狹縫型接受孔對徑向預(yù)旋系統(tǒng)的影響［J］. 航空動力學(xué)報，2020，35（5）：983-991.

［10］ 張建超，王鎖芳. 帶導(dǎo)流片的徑向預(yù)旋系統(tǒng)流動結(jié)構(gòu)數(shù)值研究［J］. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，28（1）：43-48.

［11］ 鄧麗君，朱宇. 帶內(nèi)部葉輪結(jié)構(gòu)的渦輪盤腔流動與溫降特性研究［J］. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2021，53（4）：562-569.

［12］ 鄭笑天. 流路結(jié)構(gòu)對預(yù)旋盤腔氣流流動影響研究［D］. 南京：南京航空航天大學(xué)，2020.

［13］ 余建軍. 徑向預(yù)旋流動特性研究［D］. 南京：南京航空航天大學(xué)，2017.

收稿日期：20221011