(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著為發(fā)動(dòng)機(jī)提供可靠工作環(huán)境的重任，是保證發(fā)動(dòng)機(jī)以高性能安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)之一?？諝庀到y(tǒng)的主要功能是確定、控制和保證發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件及有關(guān)系統(tǒng)的內(nèi)部工作環(huán)境及熱狀態(tài)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)輪盤來講，輪盤的溫度直接決定了盤心、腹板等強(qiáng)度約束尺寸。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)精細(xì)化要求的提高，深入的了解并掌握壓氣機(jī)盤腔溫升對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)是十分重要的。

長期以來，國內(nèi)外一直對(duì)旋轉(zhuǎn)盤腔的流動(dòng)和換熱給予了很大的重視，從大空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的自由盤到各種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)-靜系和轉(zhuǎn)-轉(zhuǎn)系盤腔內(nèi)的流場、盤面阻力和換熱盤腔均進(jìn)行了大量的數(shù)值和試驗(yàn)研究，獲得了較為詳細(xì)的流動(dòng)與換熱規(guī)律，對(duì)了解這類流動(dòng)與換熱的機(jī)理積累了較為豐富的資料，取得了很多成果。

在數(shù)值計(jì)算方面：國外Chew和Vaughand[1]用混合長度模型對(duì)封閉盤腔內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與Daily和Nece[2]的試驗(yàn)結(jié)果相符。在對(duì)層流流動(dòng)和換熱進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，Chew[3]先后用高雷諾數(shù)k-ε湍流模型和混合長度湍流模型對(duì)徑向出流的無密封冠靜子-轉(zhuǎn)子腔內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。其結(jié)果表明，對(duì)該系統(tǒng)混合長度模型較高雷諾數(shù)k-ε更好。Chew和Vaughan用混合長度模型對(duì)轉(zhuǎn)子-靜子腔內(nèi)的計(jì)算結(jié)果也表明，混和長度模型計(jì)算盤腔內(nèi)的湍流流動(dòng)在工程設(shè)計(jì)中已足夠準(zhǔn)確。Lapworth和Chew[4]用混合長度模型數(shù)值求解雷諾平均N-S方程，得出盤腔幾何形狀對(duì)盤腔內(nèi)流動(dòng)和換熱的影響，將結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較，計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)與試驗(yàn)十分吻合，并指出了溫度場的邊界條件比盤的結(jié)構(gòu)對(duì)努賽爾數(shù)的影響更大。國內(nèi)北航、南航和西工大三所高校采用試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法，在簡化模型的基礎(chǔ)上，對(duì)多種轉(zhuǎn)-靜系渦輪盤腔的流動(dòng)與換熱進(jìn)行了研究。吉洪湖、張靖周等[5]對(duì)封閉轉(zhuǎn)盤-靜盤系統(tǒng)的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。他們?cè)诤诵膮^(qū)采用高雷諾數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁區(qū)采用單方程或雙方程模型，利用SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近。在此基礎(chǔ)上，張靖周、吉洪湖[6]等對(duì)具有徑向進(jìn)氣的轉(zhuǎn)盤-靜盤系統(tǒng)的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)、無量綱流動(dòng)速率對(duì)盤腔內(nèi)流動(dòng)換熱過程的影響。馮青等[7]對(duì)轉(zhuǎn)盤-靜盤系統(tǒng)進(jìn)行的相似分析表明：轉(zhuǎn)盤-靜盤腔內(nèi)層流流場主要受進(jìn)口流量數(shù)、旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)、盤腔間隙系數(shù)、密封間隙系數(shù)和進(jìn)口孔徑比五個(gè)參數(shù)影響，并采用SIMPLE算法對(duì)轉(zhuǎn)盤-靜盤系統(tǒng)層流流場進(jìn)行了計(jì)算。高文君等[9,11]分別采用非定常雷諾時(shí)均方法和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)典型靜止盤腔的瞬態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)出口幾何條件對(duì)靜止盤腔的響應(yīng)特性有顯著的影響。王遠(yuǎn)東等[10,12]針對(duì)典型徑向引氣軸向出氣旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)及加入導(dǎo)流板后的引氣結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了盤腔旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)出口壓比和導(dǎo)流板數(shù)目對(duì)流動(dòng)特性的影響。

分析上述工作，基本均是采用典型的一級(jí)盤腔結(jié)構(gòu)開展研究，模型的流動(dòng)換熱情況與實(shí)際情況差異較大，由此獲得的相關(guān)成果在實(shí)際工程應(yīng)用中存在一定的技術(shù)限制。本文針對(duì)某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的多級(jí)盤腔系統(tǒng)采用數(shù)值仿真方法開展流動(dòng)換熱研究，以期較為準(zhǔn)確的考察改型壓氣機(jī)盤腔系統(tǒng)的流動(dòng)換熱特性。

1 計(jì)算模型及邊界條件

1.1 幾何模型

本文的研究對(duì)象參考某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤腔,由壓氣機(jī)一級(jí)盤前進(jìn)氣，渦輪盤后出氣。整個(gè)盤腔共有7個(gè)壓氣機(jī)輪盤、1個(gè)渦輪輪盤，盤腔高度約200 mm、長度約940 mm，如圖1所示。

1.2 邊界條件

本文采用ANSYS Fluent 15.0開展數(shù)值仿真研究，計(jì)算邊界設(shè)定如圖2所示。進(jìn)口邊界設(shè)置為流量進(jìn)口，共6組，分別為20 g/s、30 g/s、50 g/s、70 g/s、90 g/s、100 g/s。出口邊界設(shè)置為壓力邊界條件。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε，考慮粘性耗散。工質(zhì)為理想可壓氣體，動(dòng)力粘度和導(dǎo)熱系數(shù)基于Sutherlands公式使用腔內(nèi)定性溫度計(jì)算，并在計(jì)算過程中保持不變。壁面溫度采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)確定[13]，具體邊界條件如圖2所示。

表1壁面邊界條件

邊界號(hào)邊界類型壁面平均溫度/K(1)(2)旋轉(zhuǎn)壁面487(3)(4)旋轉(zhuǎn)壁面522(5)(6)旋轉(zhuǎn)壁面547(7)(8)旋轉(zhuǎn)壁面574(9)(10)旋轉(zhuǎn)壁面607(11)(12)旋轉(zhuǎn)壁面642(13)(14)旋轉(zhuǎn)壁面631(15)(16)旋轉(zhuǎn)壁面430(17)(18)旋轉(zhuǎn)壁面484(19)(20)旋轉(zhuǎn)壁面753

2 數(shù)值仿真模型驗(yàn)證

2.1 模型簡化

本文的計(jì)算模型來源于某大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，尺寸較大，開展三維數(shù)值仿真需要的網(wǎng)格數(shù)量巨大，這會(huì)耗費(fèi)較多的計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間?？紤]到渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)典型的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將計(jì)算模型簡化為二維軸對(duì)稱模型，如圖3所示。

簡化后的幾何模型與真實(shí)模型存在的不同之處主要為空氣流路中離散的孔及輪盤連接螺栓：

采用等面積簡化原則簡化為二維模型中的縫隙(圖3中深色圓圈)，具體簡化位置以及簡化效果如圖4、圖5所示；

采用軸對(duì)稱原則，去掉了輪盤之間的連接螺栓。

2.2 模型校驗(yàn)

2.2.1 數(shù)值仿真方法校驗(yàn)

首先開展了基礎(chǔ)試驗(yàn)的對(duì)比校驗(yàn)，利用本文的數(shù)值仿真方法完成了文獻(xiàn)[1]中軸向通流盤腔試驗(yàn)工況的計(jì)算，對(duì)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。文獻(xiàn)[1]中進(jìn)氣雷諾數(shù)Rez=40 000、間隙比G=0.267的試驗(yàn)工況是最接近本文的基礎(chǔ)試驗(yàn)工況。數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析如圖6所示，圖中展示了旋鈕系數(shù)的徑向分布?？梢园l(fā)現(xiàn)應(yīng)用二維數(shù)值模擬的方法能夠比較準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)出軸向通流盤腔的試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值仿真方法得到驗(yàn)證。

2.2.2 二維螺栓簡化方法校驗(yàn)

定義旋鈕系數(shù)βΦ

βΦ=Vr/(ωr)

式中Vr——?dú)饬鞯那邢蛩俣?m·s-1；

ω——輪盤的旋轉(zhuǎn)速度/rad·s-1；

r——輪盤當(dāng)?shù)匕霃?m。

旋鈕系數(shù)βΦ表征了氣流與輪盤的速度差異，對(duì)輪盤的風(fēng)阻具有重要意義。圖7給出了仿真計(jì)算模型內(nèi)部的βΦ的分布，圓點(diǎn)位置即是螺栓存在的位置?？梢园l(fā)現(xiàn)螺栓所處的高半徑位置旋流系數(shù)普遍高于0.94(此結(jié)論與文獻(xiàn)[1]現(xiàn)象一致)，這些位置的螺栓與空氣相對(duì)速度小于20 m/s，攪拌很弱，盤心流路所有螺栓風(fēng)阻均可忽略(全部盤總風(fēng)阻：設(shè)計(jì)工況下，風(fēng)阻功率約為8 kW)，螺栓簡化方法得到校驗(yàn)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 盤腔流動(dòng)特征

在進(jìn)口流量30 g/s的條件下，盤腔流路的靜壓分布如圖8所示，流體域溫度場如圖9所示，壁面的熱流方向如圖10所示?？梢钥闯?，在旋轉(zhuǎn)離心力作用下，輪盤對(duì)氣流做功，各級(jí)盤腔的靜壓從盤心到盤緣單調(diào)上升，驗(yàn)證了上述高半徑位置旋流系數(shù)普遍高于0.94的分析結(jié)果。隨著壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的增加，氣流溫度逐漸升高，熱流密度的方向發(fā)生了變化。

3.2 進(jìn)口壓力對(duì)進(jìn)出口溫升的影響

定義進(jìn)出口溫升ΔT

ΔT=Tout*-Tin*

式中Tout*——盤腔出口總溫/K；

Tin*——盤腔進(jìn)口總溫/K。

調(diào)節(jié)進(jìn)口流量，得到了進(jìn)出口溫升ΔT與進(jìn)口壓力的關(guān)系，如圖11所示。可以看出進(jìn)出口溫升與進(jìn)口壓力基本成線性關(guān)系，進(jìn)口壓力(流量)越大，進(jìn)出口溫升越小。但溫升對(duì)流量(進(jìn)口壓力)相對(duì)不敏感(流量翻倍，溫升未減半)。在大流量和小流量工況下盤心流路溫升主因不同，分類討論如下：

(1)小流量工況(30 g/s)溫升主因分析：溫升265 K。溫升原因主要是風(fēng)阻。雖然存在換熱，但設(shè)計(jì)工況下凈換熱量比風(fēng)阻低一個(gè)量級(jí)(從下游盤吸熱，向上游盤放熱。且沿程風(fēng)阻溫升減小了氣流和盤的溫差)。最主要的原因是流量較小，約8 kW的總風(fēng)阻功率足以使溫度升高265 K。

(2)大流量工況下(100 g/s)溫升主因分析：溫升196 K，大流量工況下總風(fēng)阻功率仍約為8 kW左右，流量增加導(dǎo)致沿程溫度降低，且更大的Rez增強(qiáng)了沿程換熱，導(dǎo)致沿程換熱因素占主導(dǎo)(約為12 kW)。綜合效果是：與小流量工況相比，大流量工況總溫升下降不多。

(3)中等流量工況下(50～90 g/s)，溫升約為240～207 K，導(dǎo)致溫升的原因是風(fēng)阻和換熱的綜合作用。

(4)如果流量進(jìn)一步減小到20 g/s，風(fēng)阻功率仍為8 kW左右，氣體和盤的凈換熱將變成負(fù)值(氣體向盤放熱，約1.4 kW)。風(fēng)阻和換熱的綜合作用使溫升上升幅度不大，約為280 K。

4 結(jié)論

通過本文的數(shù)值仿真計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

(1)本文針對(duì)某壓氣機(jī)多級(jí)盤心流路結(jié)構(gòu)，采用ANSYS Fluent 15.0開展數(shù)值研究，結(jié)果表明：應(yīng)用二維數(shù)值計(jì)算能夠較為準(zhǔn)確地模擬軸向通流盤腔的流動(dòng)現(xiàn)象，本文的數(shù)值方法具有良好的模擬精度，簡化模型的可信度較高。

(2)隨著盤腔進(jìn)口壓力的提高，盤腔進(jìn)出口溫升增加，但溫升對(duì)流量的變化敏感度較低。