李 昂 張宇坤 張 赟

（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

某型渦輪用以帶動(dòng)壓氣機(jī)、螺旋槳及附件工作，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心組成部件，排氣裝置由于支板的存在，對(duì)尾流具有一定程度的影響作用，二者性能的提升與改進(jìn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。然而渦輪惡劣的工作環(huán)境往往導(dǎo)致常規(guī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)難度較高，相較之下，發(fā)動(dòng)機(jī)部件數(shù)值模擬技術(shù)［2～5］成為一種可能。通過(guò)現(xiàn)有CFD技術(shù)進(jìn)行渦輪及排氣裝置內(nèi)流場(chǎng)仿真計(jì)算分析，可以獲取豐富的一體化流場(chǎng)參數(shù)及工作特性，進(jìn)而分析渦輪速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布狀況，為進(jìn)一步研究渦輪各項(xiàng)性能奠定基礎(chǔ)。此外由于排氣裝置對(duì)尾流的影響作用，進(jìn)行排氣裝置流場(chǎng)計(jì)算亦有必要［6～9］。

本文通過(guò)CFD仿真技術(shù)，對(duì)某型渦輪及排氣裝置進(jìn)行一體化流場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)仿真模擬過(guò)程，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，獲取真實(shí)準(zhǔn)確的一體化流場(chǎng)參數(shù)，為渦輪研制及改型工作提供參考借鑒。

2 一體化流場(chǎng)計(jì)算模型

計(jì)算模型的精確程度對(duì)流場(chǎng)分析具有十分明顯的影響效果。通過(guò)相關(guān)參數(shù)化建模方法及網(wǎng)格劃分，形成高精度三維流場(chǎng)計(jì)算模型，是流場(chǎng)計(jì)算前處理工作中的重要環(huán)節(jié)。

2.1 計(jì)算模型構(gòu)建

以工藝圖紙及UG模型為基礎(chǔ)，獲取建立模型所需要的渦輪各級(jí)葉片葉型曲線及內(nèi)外機(jī)匣數(shù)據(jù)參數(shù)，建立線型模型，進(jìn)而進(jìn)行計(jì)算域網(wǎng)格劃分。

排氣裝置焊有五個(gè)類似渦輪葉片的空心翼型支板，故采用與渦輪相同的葉輪機(jī)械建模流程。

針對(duì)渦輪各級(jí)工作葉片加裝輪轂及封嚴(yán)裝置，可以有效減少潛流損失及漏氣損失，提高渦輪效率。為保證計(jì)算精度并簡(jiǎn)化建模過(guò)程，以輪轂上端面及封嚴(yán)環(huán)下端面型線作為流場(chǎng)壁面型線。

首先通過(guò)工程圖確定該型渦輪各零部件尺寸參數(shù)、相對(duì)位置、各級(jí)工作/整流葉片葉型型線數(shù)據(jù)，以及排氣裝置支板及內(nèi)外壁面參數(shù)。通過(guò)Gambit軟件完成各級(jí)葉片及支板型線的反設(shè)計(jì)及重構(gòu)，如圖1所示。

為滿足后續(xù)統(tǒng)一的葉輪機(jī)械網(wǎng)格劃分要求，以Gambit得到的初步模型為基礎(chǔ)，并以渦輪各個(gè)葉高的型線為輸入，利用BladeGen交互式渦輪機(jī)械葉片設(shè)計(jì)工具，加以人工輔助識(shí)別，反設(shè)計(jì)各級(jí)葉片及其計(jì)算區(qū)域，生成前處理軟件可以識(shí)別的葉型及流面數(shù)據(jù)，進(jìn)而擬合出用于網(wǎng)格劃分的葉型文件。

排氣裝置支板物理構(gòu)型類似于渦輪靜子葉片，因此排氣裝置的建模過(guò)程也利用了以上葉型轉(zhuǎn)化技術(shù)。

結(jié)果顯示，該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪為典型反力式渦輪，級(jí)數(shù)多于大多數(shù)常規(guī)渦輪，流動(dòng)組織略為復(fù)雜。各級(jí)輪盤葉片大致相同，三級(jí)葉片形成的氣流通道由前向后逐級(jí)變大，葉柵通道呈收斂狀。排氣裝置由排氣段及尾錐體兩部分構(gòu)成，氣流通道逐漸擴(kuò)張。

2.2 網(wǎng)格劃分

利用TurboGrid直接讀入BladeGen軟件提供的各級(jí)葉片幾何型線文件并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格的生成。首先對(duì)區(qū)域進(jìn)行拓?fù)浞謮K，根據(jù)葉片形狀和使用要求生成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；進(jìn)而沿葉高生成混合格式高質(zhì)量網(wǎng)格。為提高計(jì)算效率，網(wǎng)格數(shù)量控制在80萬(wàn)左右。

2.3 求解方法

1）求解器的選擇

該型渦輪及排氣裝置一體化流場(chǎng)計(jì)算采用CFX求解器，同時(shí)采用定比熱完全氣體作為計(jì)算工質(zhì)的理論模型，在計(jì)算過(guò)程中不計(jì)化學(xué)反應(yīng)及組分輸運(yùn)。三維時(shí)均N-S方程組［10～11］為

標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播，是基于湍流能量方程和擴(kuò)散速率方程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

湍流模型［12］為

其中Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Гk和Гω表明k和ω的擴(kuò)散率。

2）設(shè)置邊界條件

渦輪流場(chǎng)仿真分析以旋轉(zhuǎn)葉輪部件流場(chǎng)計(jì)算為主，依據(jù)CFX提供的非相容計(jì)算域網(wǎng)格交界面處理技術(shù)，將渦輪動(dòng)靜區(qū)域交接面設(shè)置為混合平面，進(jìn)而進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算。相鄰區(qū)域流場(chǎng)數(shù)據(jù)在動(dòng)、靜區(qū)域交界面作周向加權(quán)平均，并作為邊界條件進(jìn)行傳遞，同時(shí)通過(guò)混合消除流域通道之間由于周向變化而導(dǎo)致的不穩(wěn)定（如尾流、激波、分流等），保證計(jì)算的穩(wěn)定性，求得穩(wěn)態(tài)解，并滿足計(jì)算精度及前后處理工作需求。

另一方面，混合平面法利用渦輪周期性邊界，僅計(jì)算一個(gè)葉排通道即可得出流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，大幅縮減計(jì)算量，提高計(jì)算效率。

機(jī)匣及輪轂均設(shè)置為壁面，且假設(shè)葉片及輪轂壁面絕熱且無(wú)滑移現(xiàn)象，輪轂及葉片壁面共同轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)匣壁面及余下部分設(shè)置為靜止。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 渦輪特性參數(shù)

渦輪不同工作狀態(tài)的改變主要由以下幾項(xiàng)參數(shù)引起：渦輪轉(zhuǎn)速n、渦輪前燃?xì)饪倻豑3*、總壓P3*及渦輪后反壓P4。通過(guò)給定不同的參數(shù)初始值，可計(jì)算該型渦輪不同工作狀態(tài)下的流場(chǎng)參數(shù)。

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛工況參數(shù)設(shè)置渦輪轉(zhuǎn)速n為額定轉(zhuǎn)速，渦輪前燃?xì)饪倻豑3*為設(shè)計(jì)值，渦輪落壓比=7.3，氣體常數(shù)=1.3。

計(jì)算結(jié)果顯示，起飛工作狀態(tài)下渦輪總絕熱效率為93.15%，相較于臺(tái)架測(cè)試效率高出2%左右，建模過(guò)程中對(duì)渦輪輪轂及封嚴(yán)裝置的簡(jiǎn)化導(dǎo)致渦輪特性有所提高，效率增大；出口總溫為824.587K，未超過(guò)該型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)起飛工作狀態(tài)下渦輪后最大允許溫度893K；經(jīng)計(jì)算，渦輪入口燃?xì)饬髁繛?0.17kg/s，較符合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試車設(shè)計(jì)狀態(tài)燃?xì)饬髁繀?shù)。

數(shù)據(jù)表明，計(jì)算結(jié)果符合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)下渦輪工作特性，具有較高精度，滿足性能分析需求。

3.2 工作流場(chǎng)分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛狀態(tài)下渦輪流場(chǎng)進(jìn)行分析，為下一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考基礎(chǔ)。

圖5中渦輪基元級(jí)流場(chǎng)溫度及壓力變化趨勢(shì)合理，順流動(dòng)方向壓力逐級(jí)降低，燃?xì)忭槈毫鲃?dòng)，葉背靜壓低于葉盆靜壓。溫度逐級(jí)降低，經(jīng)排氣裝置后溫度下降至800K以下。

結(jié)果表明，該渦輪為亞音速渦輪，渦輪處于亞臨界工作狀態(tài)，二級(jí)導(dǎo)流葉片葉背后緣最先接近擁塞。該型發(fā)動(dòng)機(jī)為常規(guī)等轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)，不同于常規(guī)渦輪，該燃?xì)鉁u輪二級(jí)葉輪接近擁塞，從而允許渦輪前燃?xì)饪倝哼M(jìn)一步提高，進(jìn)而避免當(dāng)壓氣機(jī)壓比升高時(shí)，因一級(jí)葉輪進(jìn)入阻塞狀態(tài)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

3.3 流動(dòng)特性分析

渦輪50%葉高處葉片前緣小圓半徑較大，渦輪葉柵對(duì)氣流攻角的敏感性較低，能夠避免較大的攻角變化范圍使葉型損失急劇增長(zhǎng)。

另一方面，燃?xì)庠跍u輪葉柵流動(dòng)過(guò)程中，由于粘性作用，沿葉背及葉盆生成附面層，進(jìn)而在尾緣處產(chǎn)生尾流，葉柵后尾流與主流的摻混，產(chǎn)生一定的尾跡損失。同時(shí)該型渦輪通過(guò)加裝輪轂及封嚴(yán)裝置，能夠有效避免因葉頂漏氣造成的潛流損失及漏氣損失。

通過(guò)增大渦輪壓比及渦輪前溫度可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，但同時(shí)會(huì)對(duì)渦輪的工作造成一定影響?？梢钥闯?，三級(jí)工作葉片氣流出口角度較于氣動(dòng)設(shè)計(jì)值有一定程度的偏離，并非沿軸向流出渦輪，同時(shí)燃?xì)庖砸欢ǖ钠劢嵌韧ㄟ^(guò)排氣裝置排出時(shí)，于支板處形成漩渦，產(chǎn)生流動(dòng)損失。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某型渦輪及排氣裝置建立主體幾何模型并進(jìn)行三維流場(chǎng)仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

1）本文所建立的渦輪及排氣裝置一體化流場(chǎng)計(jì)算模型能夠較好模擬出該型渦輪設(shè)計(jì)工作狀態(tài)下壓力、溫度、速度流場(chǎng)分布情況，計(jì)算結(jié)果直觀反映出渦輪工作狀態(tài)，為進(jìn)一步進(jìn)行渦輪性能分析提供數(shù)據(jù)參考。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)起飛工況下渦輪處于亞臨界工作狀態(tài)，渦輪特性參數(shù)基本合理，可以滿足前端部件軸功率需求。

3）燃?xì)饬鲃?dòng)過(guò)程中存在一定的尾跡損失，同時(shí)軸向出口角度偏差對(duì)渦輪工作效率具有一定程度的影響。優(yōu)良的渦輪往往通過(guò)合理的葉型設(shè)計(jì)保證出口氣流沿軸向排出，適當(dāng)調(diào)整葉片末端扭曲程度，對(duì)渦輪有一定的改善作用。