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

關鍵詞：航空發(fā)動機；徑向預旋；供氣孔角度；溫降；流阻；流量系數

中圖分類號：V231.3""文獻標志碼：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)。徑向預旋系統(tǒng)是為渦輪葉片提供高品質冷氣的系統(tǒng)。結構由預旋噴嘴、轉靜腔、接受孔、共轉腔和供氣孔組成。其原理為：冷氣通過預旋噴嘴膨脹加速后靜溫降低并發(fā)生偏轉，使冷氣相對于渦輪盤的速度減小，進而降低了冷氣的相對總溫，為渦輪葉片提供更高品質的冷氣，故提高預旋系統(tǒng)的性能對于渦輪葉片的冷卻具有重要意義。

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

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

在預旋系統(tǒng)旋轉域的研究中，張建超和鄧麗君等［10-11］證明添加導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)現長度增大預旋系統(tǒng)性能降低；而徑向位置增加，預旋系統(tǒng)的壓損減小，溫降增加。

供氣孔是徑向預旋系統(tǒng)中的重要元件，其結構參數影響冷氣的品質，由上文分析可知，在公開的文獻中未見對徑向預旋系統(tǒng)供氣孔角度的研究，而帶角度的供氣孔可以改變系統(tǒng)內部氣體的流動，進而影響系統(tǒng)性能。故本文在不同預旋角和旋轉雷諾數的條件下，采用數值方法研究了供氣孔周向傾角對徑向預旋系統(tǒng)溫降及流阻的影響，并進行理論探索與分析，為徑向預旋系統(tǒng)未來的結構優(yōu)化設計打下基礎。

1"計算模型及方法

1.1"計算模型

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

圖2為供氣孔角度與預旋角示意圖。供氣孔角度α為供氣孔與轉盤面的夾角，本文中其取值為75°、90°、100°、120°、135°、150°。預旋角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為該徑向預旋系統(tǒng)主要結構尺寸的示意圖。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為共轉盤腔的寬度，Ls為供氣孔的長度，b為共轉盤腔的最大旋轉半徑。

1.2"計算方法及驗證

采用ANSYS Mesh對模型進行非結構網格劃分并添加邊界層，第一層邊界層高度0.05mm，網格增長率為1.2，經驗證滿足計算要求。對網格數為10萬～150萬的模型進行網格無關性驗證，結果表明網格數超過90萬后，溫降系數的變化率不超過0.2%。為保證精度和節(jié)省計算資源，采用網格數量為110萬的模型進行計算。

文獻［13］中的計算模型與本文同為徑向預旋系統(tǒng)，故利用其試驗數據進行湍流模型驗證。將本文的計算方法對文獻中的模型進行計算，所得結果如圖4所示。RNG k-ε模型所得結果與試驗值最為接近，故本文選擇此模型進行計算。

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

1.3"參數定義

1）旋轉雷諾數：ReΦ=ρωb2μ（1）

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

2）旋流比：Sr=VΦωr（2）

式中：VΦ為氣流周向速度，m/s；r為氣流當地半徑，m。

3）溫降系數：Ψ=T*in-T*out，relT*in（3）

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

4）無量綱質量流量：CW=m·μb（4）

式中m·為出口氣流實際質量流量，kg/s。

5）無量綱總溫降［13］：Θ=T*in-T*outT*in-Tin（5）

式中Tin與T*out為進口氣流靜溫和出口氣流總溫，K。

6）流量系數：CD=m·m·i（6）

式中m·i為氣流的理想流量，kg/s。

2"計算結果分析與討論

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。可以看出，進入供氣孔前氣流旋流比小于1。當供氣孔角度較小時，氣流流進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，供氣孔的導向作用增強，旋渦的范圍逐漸減小，流阻隨之降低，旋流比分布趨于均勻。當供氣孔角度達到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旋噴嘴截面的流線和馬赫數云圖。氣流經過預旋噴嘴后膨脹加速，發(fā)生偏轉使周向速度增加，降低氣流在旋轉域的旋流比，有利于氣流在旋轉域內的流動。供氣孔角度增加后，氣流在預旋噴嘴出口處的馬赫數隨之增加。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旋渦范圍減小，流通性增強，流動過程中產生的耗散減弱。在供氣孔內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，這就使得孔內氣流的相對總溫變化幅度較小。

在不同旋轉雷諾數和預旋角下，溫降系數隨供氣孔角度變化關系如圖8所示。在不同的旋轉雷諾數下，供氣孔角度增加，溫降系數都隨之增加。由文獻［5］可知，此工況下系統(tǒng)進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。旋轉雷諾數為1.04×107時，不同預旋角下溫降系數增幅分別為14.6%、15.1%和19.3%。旋轉雷諾數增加，溫降系數先增加后降低。這是由于旋轉雷諾數增加后，氣流離心溫升較低。而在高旋轉雷諾數的情況下，旋流比小于1，轉盤壁面對氣流所做的功明顯增加，導致氣流升溫，溫降系數明顯降低。

在相同的旋轉雷諾數下，隨著預旋角的增加，溫降系數均有所降低。這是由于預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盤轉速之間差距增加，轉盤對氣流做功增加，從而降低了系統(tǒng)溫降系數。

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的影響。在不同的旋轉雷諾數下，供氣孔的流量系數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；而供氣孔流量系數隨著旋轉雷諾數的增加而降低，這是由于在低旋轉雷諾時，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種旋轉雷諾數下，供氣孔的流量系數相較于90°時最大增加了59.1%、64.9%、57.6%、49.8%。

θ=15°時徑向預旋系統(tǒng)無量綱質量流量隨供氣孔角度變化關系如圖10所示。隨著供氣孔角度增加，系統(tǒng)無量綱質量流量增加。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)無量綱質量流量均提高。在不同的旋轉雷諾數下，無量綱質量流量分別提高了1.3%、1.6%、1.9%、2.1%。旋轉雷諾數增加，無量綱質量流量隨之增加。這是由于旋轉雷諾數增加后，盤腔壁面對氣流的泵送作用增加，使系統(tǒng)的無量綱質量流量增加。

3"結語

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

2）供氣孔內氣流溫度隨供氣孔角度增加而降低，溫降系數隨著供氣孔角度的增加而增加。旋轉雷諾數為1.04×107 時，溫降系數最大增加了19.3%。

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

參考文獻：

［1］ MEIERHOFER B，FRANKLIN 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.

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收稿日期：20221011