(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

0 引言

航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)擔負著為發(fā)動機提供可靠工作環(huán)境的重任，是保證發(fā)動機以高性能安全運行的重要系統(tǒng)之一。空氣系統(tǒng)的主要功能是確定、控制和保證發(fā)動機主要零部件及有關(guān)系統(tǒng)的內(nèi)部工作環(huán)境及熱狀態(tài)。對于旋轉(zhuǎn)輪盤來講，輪盤的溫度直接決定了盤心、腹板等強度約束尺寸。隨著發(fā)動機設計精細化要求的提高，深入的了解并掌握壓氣機盤腔溫升對發(fā)動機設計是十分重要的。

長期以來，國內(nèi)外一直對旋轉(zhuǎn)盤腔的流動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行了大量的數(shù)值和試驗研究，獲得了較為詳細的流動與換熱規(guī)律，對了解這類流動與換熱的機理積累了較為豐富的資料，取得了很多成果。

在數(shù)值計算方面：國外Chew和Vaughand[1]用混合長度模型對封閉盤腔內(nèi)的流動進行計算，其結(jié)果與Daily和Nece[2]的試驗結(jié)果相符。在對層流流動和換熱進行研究的基礎(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徑向出流的無密封冠靜子-轉(zhuǎn)子腔內(nèi)流動進行了數(shù)值計算。其結(jié)果表明，對該系統(tǒng)混合長度模型較高雷諾數(shù)k-ε更好。Chew和Vaughan用混合長度模型對轉(zhuǎn)子-靜子腔內(nèi)的計算結(jié)果也表明，混和長度模型計算盤腔內(nèi)的湍流流動在工程設計中已足夠準確。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盤腔內(nèi)流動和換熱的影響，將結(jié)果與試驗結(jié)果比較，計算結(jié)果的趨勢與試驗十分吻合，并指出了溫度場的邊界條件比盤的結(jié)構(gòu)對努賽爾數(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和數(shù)值計算方法，在簡化模型的基礎(chǔ)上，對多種轉(zhuǎn)-靜系渦輪盤腔的流動與換熱進行了研究。吉洪湖、張靖周等[5]對封閉轉(zhuǎn)盤-靜盤系統(tǒng)的流動特性進行了數(shù)值模擬研究。他們在核心區(qū)采用高雷諾數(shù)的標準k-ε模型，近壁區(qū)采用單方程或雙方程模型，利用SIMPLE算法進行計算，計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)比較接近。在此基礎(chǔ)上，張靖周、吉洪湖[6]等對具有徑向進氣的轉(zhuǎn)盤-靜盤系統(tǒng)的流動和傳熱進行了數(shù)值模擬，研究了旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)、無量綱流動速率對盤腔內(nèi)流動換熱過程的影響。馮青等[7]對轉(zhuǎn)盤-靜盤系統(tǒng)進行的相似分析表明：轉(zhuǎn)盤-靜盤腔內(nèi)層流流場主要受進口流量數(shù)、旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)、盤腔間隙系數(shù)、密封間隙系數(shù)和進口孔徑比五個參數(shù)影響，并采用SIMPLE算法對轉(zhuǎn)盤-靜盤系統(tǒng)層流流場進行了計算。高文君等[9,11]分別采用非定常雷諾時均方法和實驗手段對典型靜止盤腔的瞬態(tài)響應特性進行研究，發(fā)現(xiàn)進出口幾何條件對靜止盤腔的響應特性有顯著的影響。王遠東等[10,12]針對典型徑向引氣軸向出氣旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)及加入導流板后的引氣結(jié)構(gòu)，通過實驗的方法研究了盤腔旋轉(zhuǎn)速度、進出口壓比和導流板數(shù)目對流動特性的影響。

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

1 計算模型及邊界條件

1.1 幾何模型

本文的研究對象參考某渦扇發(fā)動機壓氣機盤腔,由壓氣機一級盤前進氣，渦輪盤后出氣。整個盤腔共有7個壓氣機輪盤、1個渦輪輪盤，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，計算邊界設定如圖2所示。進口邊界設置為流量進口，共6組，分別為20 g/s、30 g/s、50 g/s、70 g/s、90 g/s、100 g/s。出口邊界設置為壓力邊界條件。湍流模型選用標準k-ε，考慮粘性耗散。工質(zhì)為理想可壓氣體，動力粘度和導熱系數(shù)基于Sutherlands公式使用腔內(nèi)定性溫度計算，并在計算過程中保持不變。壁面溫度采用經(jīng)驗系數(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)值仿真模型驗證

2.1 模型簡化

本文的計算模型來源于某大推力渦扇發(fā)動機，尺寸較大，開展三維數(shù)值仿真需要的網(wǎng)格數(shù)量巨大，這會耗費較多的計算資源和計算時間。考慮到渦扇發(fā)動機典型的軸對稱結(jié)構(gòu)，將計算模型簡化為二維軸對稱模型，如圖3所示。

簡化后的幾何模型與真實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；

采用軸對稱原則，去掉了輪盤之間的連接螺栓。

2.2 模型校驗

2.2.1 數(shù)值仿真方法校驗

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

2.2.2 二維螺栓簡化方法校驗

定義旋鈕系數(shù)βΦ

βΦ=Vr/(ωr)

式中Vr——氣流的切向速度/m·s-1；

ω——輪盤的旋轉(zhuǎn)速度/rad·s-1；

r——輪盤當?shù)匕霃?m。

旋鈕系數(shù)βΦ表征了氣流與輪盤的速度差異，對輪盤的風阻具有重要意義。圖7給出了仿真計算模型內(nèi)部的βΦ的分布，圓點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[1]現(xiàn)象一致)，這些位置的螺栓與空氣相對速度小于20 m/s，攪拌很弱，盤心流路所有螺栓風阻均可忽略(全部盤總風阻：設計工況下，風阻功率約為8 kW)，螺栓簡化方法得到校驗。

3 計算結(jié)果分析

3.1 盤腔流動特征

在進口流量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，輪盤對氣流做功，各級盤腔的靜壓從盤心到盤緣單調(diào)上升，驗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。隨著壓氣機級數(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 進口壓力對進出口溫升的影響

定義進出口溫升ΔT

ΔT=Tout*-Tin*

式中Tout*——盤腔出口總溫/K；

Tin*——盤腔進口總溫/K。

調(diào)節(jié)進口流量，得到了進出口溫升ΔT與進口壓力的關(guān)系，如圖11所示?？梢钥闯鲞M出口溫升與進口壓力基本成線性關(guān)系，進口壓力(流量)越大，進出口溫升越小。但溫升對流量(進口壓力)相對不敏感(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。溫升原因主要是風阻。雖然存在換熱，但設計工況下凈換熱量比風阻低一個量級(從下游盤吸熱，向上游盤放熱。且沿程風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，大流量工況下總風阻功率仍約為8 kW左右，流量增加導致沿程溫度降低，且更大的Rez增強了沿程換熱，導致沿程換熱因素占主導(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，導致溫升的原因是風阻和換熱的綜合作用。

(4)如果流量進一步減小到20 g/s，風阻功率仍為8 kW左右，氣體和盤的凈換熱將變成負值(氣體向盤放熱，約1.4 kW)。風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)值仿真計算，可以得出以下結(jié)論：

(1)本文針對某壓氣機多級盤心流路結(jié)構(gòu)，采用ANSYS Fluent 15.0開展數(shù)值研究，結(jié)果表明：應用二維數(shù)值計算能夠較為準確地模擬軸向通流盤腔的流動現(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)隨著盤腔進口壓力的提高，盤腔進出口溫升增加，但溫升對流量的變化敏感度較低。