張峻峰

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110015)

渦輪冷卻空氣增壓裝置是燃氣輪機內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在渦輪冷氣系統(tǒng)中，冷卻空氣由靜止機匣輸送到旋轉(zhuǎn)渦輪盤時壓力損失較大，使得旋轉(zhuǎn)渦輪盤的冷氣出口溫度升高，降低冷氣對葉

片表面和端壁的冷卻性能。冷氣增壓裝置能夠降低冷氣與旋轉(zhuǎn)渦輪盤的相對速度，減小冷氣流動損失，從而降低旋轉(zhuǎn)渦輪盤出口冷氣溫度。增壓技術(shù)在節(jié)能、提高效率等方面具有無可比擬的優(yōu)點［1］，因此，冷氣增壓裝置的研究至關(guān)重要。研究人員對預旋噴嘴進行過大量研究，Michael S． Feyedelem［2］等人利用多普勒測速儀和流場顯示儀器研究了在三種旋流系數(shù)以及混合弗魯?shù)吕字Z數(shù)下，圓形旋流噴嘴所產(chǎn)生的平行或位于自由平面下方的湍流場。柴軍生［3］等人針對發(fā)動機中普遍使用的葉柵型預旋結(jié)構(gòu)，采用商業(yè)軟件CFX 對某種葉柵型預旋噴嘴流動進行了數(shù)值模擬計算，分析了葉柵型預旋噴嘴的流動特點，總結(jié)了一套關(guān)于葉柵型預旋結(jié)構(gòu)的流體動力計算和預旋相關(guān)參數(shù)的計算方法;劉高文［4］等人分別對預旋角度為20°的直孔和擴口孔型噴嘴進行了數(shù)值模擬和實驗測量，研究了包括速度場、出氣速度、出氣角度、流量系數(shù)、預旋效率和溫降，并對單獨模型的孔流量系數(shù)進行了實驗測量;高獻娟［5］等人研究了某發(fā)動機雙層結(jié)構(gòu)多葉片的預旋噴嘴的研制過程，以及零件材料和成型工藝;劉波［6］等人根據(jù)某型預旋噴嘴設(shè)計了試驗件，并通過真實尺寸預旋噴嘴流動特性試驗，獲得了預旋噴嘴流量系數(shù)隨壓比的變化曲線和出口總壓沿柵距的變化曲線，為某型預旋噴嘴設(shè)計提供了重要的技術(shù)支持;薛彪［7］等人研究了預旋噴嘴長徑比對噴嘴流量系數(shù)初期角度和流場均勻性的影響。Liao［8］等人對第一級渦輪預旋噴嘴進行了研究，結(jié)果表明亞比對整個流場有較大影響，但轉(zhuǎn)速對流場影響不大。Tian［9］等人對比了兩種高壓渦輪增壓裝置，并得出在這種渦輪中噴嘴轉(zhuǎn)角在70°左右時，噴嘴有較好的氣動效果，其中流量系數(shù)大于0．99，偏轉(zhuǎn)角小于1．3°。

冷氣增壓裝置如圖1 所示，氣體在該結(jié)構(gòu)中減壓加速，并改變出口方向接近為旋轉(zhuǎn)渦輪盤的轉(zhuǎn)動方向，降低二者的周向速度差值。旋轉(zhuǎn)域出口的冷氣直接進入葉片內(nèi)部進行葉身的內(nèi)部和外部冷卻，因此冷氣溫度的高低直接影響渦輪葉片的換熱性能。本文以預旋噴嘴的冷氣域和旋轉(zhuǎn)渦輪盤內(nèi)部冷氣通道為研究對象，分析冷氣增壓裝置的作用過程，主要研究在有無預旋噴嘴和不同出氣角度預旋噴嘴的情況下，計算域中冷氣的流動特性和旋轉(zhuǎn)域出口冷氣溫度的變化規(guī)律，以期初步指導預旋噴嘴與旋轉(zhuǎn)渦輪盤的匹配。

圖1 冷氣增壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖［10］

1 幾何模型及數(shù)值模擬方法

圖2 兩種噴嘴模型

1．1 幾何模型

本文各取一個周期的模型為計算域，其示意圖如圖2 所示。計算模型包括靜止冷氣域和旋轉(zhuǎn)冷氣域兩部分。建立兩種數(shù)值計算模型，第一種不帶預旋噴嘴，規(guī)定靜止域冷氣出口角為90°;第二種帶預旋噴嘴，其中預旋噴嘴的出氣角度可變，與周向的夾角為15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°。預旋噴嘴為109 個，旋轉(zhuǎn)動葉為90 個。

靜止冷氣域的進口高度為1．4 mm，上部的端壁封嚴間隙為0． 6 mm，下部的篦齒封嚴間隙為0．5 mm;旋轉(zhuǎn)冷氣域的出口直徑為5 mm，出口處的旋轉(zhuǎn)半徑為493 mm。注意，為了在后面的計算中體現(xiàn)旋轉(zhuǎn)冷氣域的周期性，該旋轉(zhuǎn)域中包括一個與靜止域連接的圓環(huán)旋轉(zhuǎn)域，厚度為0．5 mm。

1．2 數(shù)值模擬方法

1．2．1 邊界條件

在靜止冷氣域，進口條件給定總壓2．735 MPa，進口總溫為788 K，法向氣流方向，進口湍流度為5%;上部端壁封嚴的出口邊界為靜壓1．042 MPa，下部篦齒封嚴的出口邊界為靜壓1．029 MPa;與旋轉(zhuǎn)域接觸的壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為9 200 r/min;左右壁面設(shè)置為周期性邊界。在旋轉(zhuǎn)冷氣域，設(shè)置轉(zhuǎn)速為9 200 r/min，冷氣出口邊界給定靜壓，大小為1.66 MPa;圓環(huán)狀旋轉(zhuǎn)域的左右壁面設(shè)置為周期性邊界。湍流模型為標準 模型，其余壁面采用默認設(shè)置。

1．2．2 網(wǎng)格劃分

本文主要研究增壓裝置對冷氣流阻和出口溫度的影響，流體域壁面不涉及換熱的計算研究，因此計算域均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。規(guī)定靜止域的全局網(wǎng)格尺度為3，預旋噴嘴表面的網(wǎng)格因子為0．05，進口、端壁出口、篦齒封嚴和靜動交界面處的壁面網(wǎng)格因子為0．1，端壁出口的靜動壁面網(wǎng)格因子為0．2，其余壁面的網(wǎng)格因子為默認設(shè)置。網(wǎng)格示意圖如圖3所示。

圖3 靜止域網(wǎng)格示意圖

規(guī)定旋轉(zhuǎn)域的全局網(wǎng)格尺度為2，動靜交界面的網(wǎng)格因子為0．15，保證旋轉(zhuǎn)域和靜止域的交界面網(wǎng)格尺度一致，其余壁面的網(wǎng)格因子為0．5。圖4為計算域的網(wǎng)格示意圖。

圖4 旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格示意圖

2 冷氣增壓裝置的作用過程

旋轉(zhuǎn)域出口的冷氣直接進入葉片內(nèi)部進行葉身的內(nèi)部和外部冷卻，因此冷氣溫度的高低直接影響渦輪葉片的換熱性能。圖5 給出了預旋噴嘴出氣角度與旋轉(zhuǎn)域冷氣出口絕對滯止溫度的關(guān)系，其中alpha 為靜止域進口段內(nèi)預旋導葉冷氣出口方向與額線的夾角。alpha 為0°時，表示冷氣垂直沖擊旋轉(zhuǎn)渦輪盤。可以看出，冷氣預旋能夠有效降低渦輪盤的冷氣出口絕對滯止溫度，降低幅值在30 ～60 K。在一定范圍內(nèi)，出口冷氣絕對滯止溫度隨預旋角度的增大線性降低;當預旋角度進一步增大時，出口冷氣絕對滯止溫度先降低后升高。因此，冷氣預旋角度并非越大越好，本文工況下預旋角度為65°(alpha約為25°)時冷氣的出口絕對滯止溫度最低，能夠較好改善氣體冷卻能力。

由圖6 可以看出不同方案的的出口總壓差別不大，靜壓隨預旋角度的提高而先降低后略微升高。由于總壓是靜壓和動能的疊加，分析可知冷氣預旋能夠有效促使冷氣的壓力能轉(zhuǎn)化為動能，從而降低了與旋轉(zhuǎn)渦輪盤的周向速度差值，削弱了沖擊損失。同時可以看出預旋噴嘴略微增加了進口段的總壓損失。

圖5 出氣角度與冷氣出口絕對滯止溫度的關(guān)系圖

圖6 出氣角度與靜止域進口段出口的靜壓、總壓的關(guān)系圖

圖7 不同方案的靜止域進口段總壓損失

為了進一步分析冷氣的特性變化過程，給出不同出氣角方案的靜止域進口段總壓損失，如圖7 所示。分析可知，隨著預旋角度的增大，靜止域進口段的總壓損失先降低后升高。在本文所給的預旋角度方案中總壓損失一直在升高，同時預旋角度為75°時總壓損失甚至高于未加預旋噴嘴方案的總壓損失?？倝簱p失體現(xiàn)了可用能的降低，轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，使得氣體靜溫升高。因此，由圖7 可知，流經(jīng)靜止域的進口段后，相比于未加預旋噴嘴方案，本文所有預旋方案的冷氣溫度隨預旋角度的增大而逐漸升高。結(jié)合圖6 分析可知，預旋噴嘴能夠降低旋轉(zhuǎn)域中冷氣溫度，這種降低幅度必然大于靜止域進口段中的升高幅度，使得旋轉(zhuǎn)域出口的冷氣溫度隨預旋角度增大而降低。

圖8 給出了靜止域進口段和旋轉(zhuǎn)域的靜壓恢復系數(shù)，以研究壓力能和動能的轉(zhuǎn)化過程。由圖分析可知，預旋噴嘴的出現(xiàn)促使靜止域進口段中壓力能向動能的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化幅度與預旋角度成正比，這種轉(zhuǎn)化能力隨著預旋角度的提高先增強后變?nèi)?。在旋轉(zhuǎn)域中，冷氣預旋使得動能向壓力能轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化幅度也與預旋角度成正比，同時這種轉(zhuǎn)化能力則隨著預旋角度的提高先基本不變?nèi)缓笥兴档汀?/p>

由圖8 可知，靜止域進口段和旋轉(zhuǎn)域的靜壓恢復系數(shù)變化規(guī)律不同，無法指導整個計算域中冷氣的性能參數(shù)變化，因此給出計算域的靜壓恢復系數(shù)的變化，如圖9 所示。由圖9 可以看出，預旋噴嘴能夠促進整體壓力能向動能的轉(zhuǎn)化，而且隨著預旋角度的提高，轉(zhuǎn)化幅度先增大后變小。

圖9 不同方案的計算域靜壓恢復系數(shù)

靜止域中二次流的強弱和范圍能夠反映冷氣在該區(qū)域的流動損失。圖10 給出了反映冷氣二次流動的渦區(qū)范圍對比圖，取無預旋噴嘴的90°和有預旋噴嘴的30°、20°方案進行對比分析?？梢钥闯隼錃忸A旋能夠有效降低靜止域中部的二次流強度，尤其是圓圈內(nèi)表示冷氣沖擊旋轉(zhuǎn)渦輪盤時產(chǎn)生的二次流范圍明顯變小。預旋噴嘴的吸力側(cè)表面存在少量渦區(qū)，端區(qū)的狹窄封嚴通道出現(xiàn)部分二次流，不利于整體流阻損失的降低。

圖10 靜止域渦區(qū)示意圖

圖11 旋轉(zhuǎn)域的渦區(qū)示意圖

對比分析30°和20°方案，可看出圓圈內(nèi)渦區(qū)的結(jié)構(gòu)略微不同，使得兩種方案流阻損失不同。綜合分析，預旋噴嘴能夠削弱整體靜止域中二次流的影響。

圖11 給出了旋轉(zhuǎn)域中冷氣通道的渦區(qū)分布。取無預旋噴嘴90°、和有預旋噴嘴的30°、20°三個方案進行分析，可以看出冷氣預旋明顯不利于該區(qū)域的流阻損失的降低。相比于90°方案，預旋方案中冷氣通道折轉(zhuǎn)段和后半段的渦區(qū)范圍明顯增大，如上部的圓圈內(nèi)所示;冷氣通道進口處渦區(qū)范圍明顯變大，增大了冷氣的流阻損失。對比30°和20°方案，后者的渦區(qū)范圍略大于前者，但由于綜合圖8 中靜止域中的流阻損失，使得圖6 中20°方案的整體效果略優(yōu)于30°方案。

圖12 靜動交界面的極限流下分布

圖12 給出了三種方案下旋轉(zhuǎn)域與靜止域接觸的旋轉(zhuǎn)壁面中下部表面的極限流線分布。相比于未有冷氣預旋的圖12(a)極限流線分布，圖12(b)和圖12(c)的冷氣預旋方案中壁面的極限流線更接近于周向，表明這兩種方案中冷氣與旋轉(zhuǎn)壁面的周向速度差值更小，削弱了氣體與旋轉(zhuǎn)壁面的直接沖擊作用，進一步說明圖11 的結(jié)論。

3 結(jié)論

研究了渦輪冷卻氣體增壓裝置的作用過程，分析冷氣預旋對整體冷卻性能的影響，得出以下結(jié)論:

(1)預旋噴嘴能夠有效降低冷氣的出口靜溫，改善冷氣的冷卻能力。

(2)在一定范圍內(nèi)，隨著冷氣預旋角度的增大，旋轉(zhuǎn)域的冷氣出口溫度不斷降低;預旋角度超出一定范圍后，冷氣出口溫度略微升高，但仍低于未預旋方案的冷氣出口溫度。

(3)冷氣預旋能夠降低靜止域的流阻損失，卻使旋轉(zhuǎn)域的流阻損失有所升高，因此冷氣預旋能夠降低旋轉(zhuǎn)域冷氣出口溫度主要得益于靜止域中流阻損失的降低。

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