張建超，王鎖芳

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016)

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

張建超，王鎖芳

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016)

為探索提高預(yù)旋溫降的途徑，在光滑共轉(zhuǎn)腔徑向預(yù)旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種共轉(zhuǎn)腔內(nèi)帶導(dǎo)流片的徑向預(yù)旋結(jié)構(gòu)。對這2種模型開展數(shù)值模擬，得到預(yù)旋系統(tǒng)內(nèi)部流場。通過研究得到以下結(jié)論:在徑向預(yù)旋結(jié)構(gòu)中設(shè)置導(dǎo)流片可以提高預(yù)旋溫降，對提高發(fā)動機(jī)性能有重要意義;導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)尺寸對溫降有較大影響;導(dǎo)流片模型和光滑共轉(zhuǎn)腔模型流場的主要區(qū)別在共轉(zhuǎn)腔內(nèi)，對導(dǎo)流片上游的影響范圍有限;導(dǎo)流片將流經(jīng)導(dǎo)流片間的流體整流到旋流比接近1，其間周向相對速度較小;哥氏力對導(dǎo)流片間的流動結(jié)構(gòu)有重要影響。

徑向預(yù)旋;導(dǎo)流片;流場;航空發(fā)動機(jī)

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的冷卻空氣通常采用預(yù)旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行供氣。冷氣引自壓氣機(jī)，通過空氣系統(tǒng)通道引到預(yù)旋噴嘴。預(yù)旋噴嘴是一組葉柵或斜孔，其出口的方向與下游渦輪盤的旋轉(zhuǎn)方向一致，在預(yù)旋噴嘴內(nèi)氣流經(jīng)過膨脹加速靜溫降低，同時相對渦輪盤的相對速度也降低，降低了熱端部件感受到的相對總溫，即對冷氣產(chǎn)生“冷卻”，從而提高對熱端部件的冷卻效果。

預(yù)旋噴嘴出口氣流除具有很大的周向分速度外，還具有相對較大的軸向或徑向分速度，據(jù)此將預(yù)旋系統(tǒng)分為軸向預(yù)旋系統(tǒng)和徑向預(yù)旋系統(tǒng)。目前研究人員主要針對軸向預(yù)旋系統(tǒng)開展工作。Geis、Dittmann等［1－3］研究了直導(dǎo)式預(yù)旋系統(tǒng)的溫降特性。Chew等［4］研究了預(yù)旋系統(tǒng)的綜合性能。Karabay等［5］針對蓋板式預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究獲得了相對準(zhǔn)確的理論計(jì)算式。Lewis等［6－7］分析了直導(dǎo)式預(yù)旋系統(tǒng)流動與換熱的機(jī)理，并就預(yù)旋噴嘴徑向位置變化對預(yù)旋系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。Ciampoli等［8］對直導(dǎo)式預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。國內(nèi)的王鎖芳等［9］針對直導(dǎo)式預(yù)旋盤腔研究了預(yù)旋進(jìn)氣徑向位置、盤間距等幾何因素對換熱的影響，并開展了對預(yù)旋降溫和流阻規(guī)律方面的研究。何振威［10］、朱曉華［11］等研究了簡化蓋板式預(yù)旋系統(tǒng)的溫降和流阻特性。Leland［12］提出一種有別于傳統(tǒng)軸向預(yù)旋系統(tǒng)的徑向預(yù)旋結(jié)構(gòu)，采用徑向向低半徑位置吹氣的方法進(jìn)行預(yù)旋，通過導(dǎo)流盤將氣流引入渦輪動葉根部，但沒有說明其特性。

本文簡化了航空發(fā)動機(jī)的徑向預(yù)旋結(jié)構(gòu)，對帶光滑共轉(zhuǎn)腔的徑向預(yù)旋系統(tǒng)(以下簡稱光滑共轉(zhuǎn)腔模型)進(jìn)行了數(shù)值方法驗(yàn)證，并設(shè)計(jì)了一種共轉(zhuǎn)腔內(nèi)帶導(dǎo)流片的改進(jìn)徑向預(yù)旋結(jié)構(gòu)(導(dǎo)流片模型)。通過數(shù)值計(jì)算獲得2種模型的內(nèi)部流場，對比分析導(dǎo)流片模型改善預(yù)旋性能的機(jī)制。

1 計(jì)算模型與數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型

本文研究的徑向預(yù)旋系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 光滑共轉(zhuǎn)腔模型和導(dǎo)流片模型

圖1(a)為徑向預(yù)旋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，上游引自壓氣機(jī)的冷氣在預(yù)旋噴嘴內(nèi)膨脹加速后進(jìn)入預(yù)旋腔，供氣導(dǎo)流盤上開接收孔，安裝在旋轉(zhuǎn)盤軸上與旋轉(zhuǎn)盤軸一起旋轉(zhuǎn)，氣流穿過接收孔進(jìn)入導(dǎo)流流道，最終從冷氣出口進(jìn)入渦輪葉片。圖1(b)為本文數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)采用的簡化模型。預(yù)旋系統(tǒng)的幾何參數(shù)如圖所示，預(yù)旋系統(tǒng)的內(nèi)外半徑分別為a=40 mm，b=80 mm，預(yù)旋進(jìn)口位置安裝有24個預(yù)旋噴嘴，徑向位置Rp=rp/b=0.675，預(yù)旋角θ=20°;預(yù)旋腔寬度L'/b=0.175。進(jìn)氣導(dǎo)流盤安裝在旋轉(zhuǎn)部件上，與軸和旋轉(zhuǎn)盤之間構(gòu)成共轉(zhuǎn)同心軸和共轉(zhuǎn)盤腔，在預(yù)旋噴嘴正對的位置有24個接收孔，其進(jìn)口徑向位置Rb=rb/b=0. 575;同心軸段長L/b=0. 5;冷氣出口徑向位置Ro= ro/b=0.937 5;共轉(zhuǎn)同心軸和共轉(zhuǎn)盤腔的間距均為G=srr/b=0.062 5;預(yù)旋噴嘴、接收孔及冷卻出口的面積比為Ap∶Ab∶Ao=1∶28.4∶7.1。圖1(c)為導(dǎo)流片模型示意圖，導(dǎo)流片是徑向直導(dǎo)流片，在軸向上充滿共轉(zhuǎn)腔，導(dǎo)流片厚度固定，數(shù)目N=48，由徑向安裝位置rdf和長度ldf約束結(jié)構(gòu)。

1.2 數(shù)值方法

本文研究的模型結(jié)構(gòu)具有軸對稱性，為減小計(jì)算量選取模型1/24的流體域作為計(jì)算域，建立三維計(jì)算模型。采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，壁面和進(jìn)出口位置用三棱柱網(wǎng)格進(jìn)行局部加密(如圖2)。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性試驗(yàn)，選定22萬左右的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。采用Fluent軟件對研究對象進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，選用Renormalization Group k－ε (RNG k－ε)雙方程湍流模型加標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面y+在40～70之間;密度、動量、湍動能、湍動能耗散率以及能量的離散格式均為一階迎風(fēng);壓力－速度耦合采用Semi－Implicit Method for Pressure Linked Equations(SIMPLE)算法;解收斂的標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)性方程殘差精度小于10－4，能量方程殘差精度小于10－6，其他各方程殘差均小于10－3，重要物理量的殘差變化趨于平直。

圖2 網(wǎng)格示意圖

1.3 邊界條件

預(yù)旋進(jìn)口為壓力進(jìn)口邊界，給定總壓，在柱坐標(biāo)系里給定氣流方向的徑向和切向分量，使氣流沿預(yù)旋噴嘴進(jìn)入轉(zhuǎn)靜腔，冷氣出口為壓力出口邊界。

在相同邊界條件下對2種模型分別進(jìn)行計(jì)算。

1.4 數(shù)值方法的驗(yàn)證

定義無量綱溫降、無量綱壓降分別為

式中:cp為空氣的定壓比熱;為預(yù)旋孔進(jìn)口處空氣的總溫;T*out，r為出流孔進(jìn)口處空氣的相對總溫; rb為接收孔徑向位置;ω為轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角速度。

圖3為徑向預(yù)旋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的無量綱溫降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)變化的計(jì)算值與相同尺寸的模型在相同工況下試驗(yàn)值的對比，結(jié)果表明二者的變化趨勢一致且數(shù)值上最大相對誤差不超過20%，因此計(jì)算方法可行，本文的數(shù)值模擬均采用上述計(jì)算方法。

圖3 徑向預(yù)旋結(jié)構(gòu)溫降計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算結(jié)果與流場分析

圖4是預(yù)旋溫降隨導(dǎo)流片尺寸的變化曲線，圖中粗實(shí)線是光滑共轉(zhuǎn)腔模型在相同條件下的溫降?？梢钥闯?對大多數(shù)導(dǎo)流片尺寸而言，導(dǎo)流片模型的溫降要高于光滑共轉(zhuǎn)腔模型。對于處于不同徑向安裝位置Rdf=rdf/b的導(dǎo)流片模型，預(yù)旋溫降均隨著導(dǎo)流片長度的增加而增大。

以下對導(dǎo)流片數(shù)目N=48，導(dǎo)流片徑向安裝位置Rdf=rdf/b=0.625，長度Ldf=ldf/b=0.25的導(dǎo)流片模型(導(dǎo)流片正對出流孔)在給定條件下通過計(jì)算得到的內(nèi)部流場，結(jié)合光滑共轉(zhuǎn)腔模型的流場進(jìn)行對比分析。

圖4 預(yù)旋溫降隨導(dǎo)流片尺寸的變化曲線

圖5是導(dǎo)流片模型和光滑共轉(zhuǎn)腔模型的流線圖。從圖5可以看出:導(dǎo)流片模型和光滑共轉(zhuǎn)腔模型的流動在進(jìn)入共轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的徑流段前區(qū)別不大，主要區(qū)別在共轉(zhuǎn)腔內(nèi);進(jìn)入光滑共轉(zhuǎn)腔時流體的周向速度大于旋轉(zhuǎn)系，逐漸減小到和共轉(zhuǎn)系相同，而后絕對速度低于共轉(zhuǎn)系，即相對共轉(zhuǎn)系反向旋轉(zhuǎn);在導(dǎo)流片模型里，流體的周向相對速度沒有清晰的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而是通過導(dǎo)流片和壁面構(gòu)成的通道沿徑向向高半徑的出流孔輸送，周向流動僅限于導(dǎo)流片間的局域，流出導(dǎo)流片后的流動與光滑共轉(zhuǎn)腔相同。

圖5 流線圖(4個周期)

以下對2種模型的共轉(zhuǎn)腔中截面上的物理場進(jìn)行分析。

2種模型截面上的靜溫與靜壓分布類似，如圖6所示，均呈分層分布，由低半徑向高半徑逐漸增大。導(dǎo)流片模型的共轉(zhuǎn)腔和半徑進(jìn)口處均低于光滑共轉(zhuǎn)腔，導(dǎo)流片通道出口的靜溫和靜壓均高于光滑共轉(zhuǎn)腔模型，這種變化是因?yàn)樾D(zhuǎn)腔表面對流過的流體做功，提高了溫度和壓力。導(dǎo)流片模型中出流孔附近的溫度和壓力比光滑共轉(zhuǎn)腔模型均勻。導(dǎo)流片通道兩側(cè)的壓力略有不同，上游一側(cè)的壓力略高于同半徑處的另一側(cè)。

圖6 靜溫和靜壓云圖

光滑共轉(zhuǎn)腔內(nèi)從進(jìn)口到出流孔的范圍內(nèi)，隨著半徑增加，旋流比逐漸減小。在導(dǎo)流片模型中，流體的旋流比隨著半徑的增加逐漸減小，進(jìn)入導(dǎo)流片通道后流體和壁面進(jìn)行功交換，使二者幾乎同步旋轉(zhuǎn)，整個導(dǎo)流片區(qū)域里旋流比均在1附近，而后又隨半徑的增加而減小。導(dǎo)流片出口附近的流動與光滑共轉(zhuǎn)腔模型相比不太均勻，在周向上存在上下游的差別，如圖7所示。

圖7 旋流比分布

流體在旋轉(zhuǎn)系里的相對運(yùn)動誘發(fā)了哥氏力，如圖8所示。由周向相對運(yùn)動產(chǎn)生徑向哥氏力，低半徑處旋流比大于1，周向相對速度與旋轉(zhuǎn)系轉(zhuǎn)向一致，根據(jù)右手定則可知徑向哥氏力沿徑向的反方向，隨著周向相對速度的降低徑向哥氏力逐漸減小;旋流比小于1后，周向相對速度與旋轉(zhuǎn)方向相反并逐漸增加，徑向哥氏力也反向并逐漸增大。在導(dǎo)流片模型中，由于導(dǎo)流片通道內(nèi)流體的周向運(yùn)動被抑制，相對速度較小，使徑向哥氏力也維持在較低的水平上。與光滑共轉(zhuǎn)腔相比，導(dǎo)流片模型中高半徑處流體受到的徑向哥氏力遠(yuǎn)低于光滑共轉(zhuǎn)腔，有利于減小供氣壓力損失。

圖8 中截面上的哥氏力分布

流體的徑向相對運(yùn)動誘發(fā)了周向哥氏力。光滑共轉(zhuǎn)腔里流體的徑向相對速度始終指向高半徑，周向哥氏力與旋轉(zhuǎn)方向一致，能提高周向速度。在導(dǎo)流片模型中，徑向運(yùn)動先誘發(fā)周向哥氏力將流體推向上游的導(dǎo)流片，受到導(dǎo)流片阻礙后向高半徑方向流動，從而影響通道內(nèi)的速度分布，如圖9(a)所示。從圖9(b)也可以看出:速度型的峰值在離開壁面一小段距離處，相同半徑處速度的分布并不均勻，同一模型里的相同周期內(nèi)的2個導(dǎo)流片通道內(nèi)的速度分布也不相同，同時沿軸向和周向均有較大變化，軸向上的速度極值在旋轉(zhuǎn)盤表面，周向上的極值在右側(cè)導(dǎo)流片通道的上游表面附近。

圖9 導(dǎo)流片模型的共轉(zhuǎn)腔內(nèi)哥氏力對流動的影響

2.2 導(dǎo)流片模型提高預(yù)旋溫降的原理

預(yù)旋系統(tǒng)出流孔處的相對總溫可以表示為

可見Sr越接近1，流體在出流孔的相對總溫越低，降溫效果越好。對現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)而言，大多數(shù)工況下Sr均小于1。在徑向預(yù)旋系統(tǒng)的共轉(zhuǎn)腔內(nèi)加裝徑向?qū)Я髌?，?dǎo)流片將穿過導(dǎo)流片間的流體加速到與共轉(zhuǎn)盤腔接近同步，使其間的流體Sr趨近于1。此時，導(dǎo)流片出口半徑以上流體的Sr雖然隨半徑的增加而降低，但與光滑共轉(zhuǎn)腔模型相比仍有較大提高，從而降低了由周向相對速度產(chǎn)生的動溫部分，提高了溫降。

3 結(jié)論

本文用數(shù)值方法獲得了共轉(zhuǎn)腔帶導(dǎo)流片的徑向預(yù)旋系統(tǒng)的流場，并與光滑共轉(zhuǎn)腔模型的流場進(jìn)行對比分析。通過本文的研究，得到以下結(jié)論:

1)在徑向預(yù)旋結(jié)構(gòu)中設(shè)置導(dǎo)流片可以提高預(yù)旋溫降，對提高發(fā)動機(jī)性能有重要意義。

2)導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)尺寸對流場影響較大。

3)導(dǎo)流片模型和光滑共轉(zhuǎn)腔模型流場的主要區(qū)別在共轉(zhuǎn)腔，對上游的影響有限;導(dǎo)流片將流經(jīng)導(dǎo)流片間的流體整流到旋流比接近1，其間周向相對速度較小。

4)哥氏力對導(dǎo)流片間的流動有重要影響。導(dǎo)流片抑制了周向相對速度，從而降低了徑向哥氏力，有利于將流體沿徑向輸送到高半徑處;周向哥氏力將流體推向?qū)Я髌砻妫M(jìn)而在導(dǎo)流片間形成二次流。

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［12］Leland J.Radtke.Radial inflow blade cooling system: US，3990812［P］.1976－09－11.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Numerical Investigation on Flow Structure of Radial Pre-sw irl System w ith Deflector Vanes

ZHANG Jian－chao，WANG Suo－fang
(College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

To improve temperature reduction through pre－swirl system，a radial pre－swirl system with deflector vanes in co－rotating cavity was designed based on typical radial pre－swirl system.Numerical simulation was carried out on both models，and flow field was obtained.Conclusions have been summarized as follows:installation of deflector vanes in co－rotating cavity does improve temperature reduction，which is significant for aero－engine’s improvement.There is important influence on temperature reduction for the structure of deflector vanes.Differences between twomodels show that there is little effect on flow field in upper stream，swirl ratio of the fluid flow across these vanes is adjusted approach 1，while the relative tangential velocity is small in the co－rotating cavity，and Coriolis forces affect flow structure among the vanes significantly.

radial pre－swirl;deflector vanes;flow structure;aero－engine

V231.1

A

1674－8425(2014)01－0043－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.009

2013－06－12

張建超(1984—)，男，河南漯河人，博士研究生，主要從事發(fā)動機(jī)內(nèi)部流動與冷卻方向的研究。

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(bào):自然科學(xué)版，2014 (1):43－48.

format:ZHANG Jian－chao，WANG Suo－fang.Numerical Investigation on Flow Structure of Radial Pre－swirl System with Deflector Vanes［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):43－48.