林阿強,劉高文,*,吳衡,暢然,馮青

1. 西北工業(yè)大學 動力與能源學院, 西安 710129 2. 西北工業(yè)大學 陜西省航空動力系統(tǒng)熱科學重點實驗室, 西安 710072 3. 新奧能源動力科技(上海)有限公司, 上海 200241

高性能燃氣渦輪發(fā)動機是國家綜合實力的重要象征。提高渦輪前燃氣溫度是改善發(fā)動機性能的主要途徑,但面臨著渦輪盤和渦輪葉片等熱端部件的工作性能惡化趨勢,直接影響發(fā)動機的安全可靠性。針對高壓渦輪動葉在極高熱流環(huán)境中,存在高速旋轉動葉的高效冷卻難度大問題,一方面需要提高葉片材料的耐溫極限,另一方面需要加強渦輪動葉的冷卻防護。為提升動葉的冷卻效果,前人開展以氣膜冷卻、肋強化換熱、內部沖擊和陶瓷基材料鑄型技術等為代表的動葉冷卻研究。此外,還可通過提高渦輪二次空氣系統(tǒng)中預旋供氣系統(tǒng)性能,改善供氣品質,進而提升渦輪動葉冷卻效果。理論上,發(fā)動機高壓渦輪的預旋系統(tǒng)可降低70～100 K的冷氣相對總溫。隨著渦輪燃氣溫度升高,二次流空氣系統(tǒng)對下游葉片冷卻的影響越發(fā)不可忽視。鑒于此,預旋供氣系統(tǒng)性能對渦輪動葉冷卻效果具有潛在優(yōu)勢,有必要進一步開展預旋供氣系統(tǒng)性能的研究。

渦輪二次空氣系統(tǒng)包含復雜的轉-靜系和轉-轉系盤腔結構系統(tǒng),預旋供氣系統(tǒng)(Pre-swirl system)是二次空氣系統(tǒng)一個重要的組成部分,既要保證渦輪轉子葉片對冷氣流量的需求,又要具有高品質冷氣。對預旋供氣系統(tǒng)的研究始于20世紀80年代。1998—2000年期間,歐洲重點開展了燃氣渦輪內冷空氣系統(tǒng)(ICAS-GT)的研究,并在2001—2005年開展二期計劃(ICAS-GT2),將預旋供氣系統(tǒng)作為重要的研究領域。為深入研究預旋供氣系統(tǒng),前人往往將其拆分為一系列獨立的元件。在流量和溫降特性方面,El-Oun和Owen通過雷諾相似原理的理論分析發(fā)現(xiàn),預旋噴嘴出口氣流旋轉比與溫降效應成正比關系。Alexiou和Mathioudakis基于理論和數(shù)值結果對比研究,給出了轉-靜盤腔中力矩的工程計算方法。劉松齡和陶智通過簡化預旋腔內的影響因素,根據(jù)動量方程和能量方程給出計算摻混氣流絕對總溫和旋轉比的方法。劉高文等研究發(fā)現(xiàn)增大系統(tǒng)壓比有助于提高預旋孔流量系數(shù)和預旋效率,并且減小預旋角度同樣有助于提高預旋效率。李軍等研究了結構優(yōu)化對預旋供氣系統(tǒng)性能的影響。陳堯和馮青實驗分析了幾何因素和氣動參數(shù)對孔式預旋噴嘴流動特性的影響。針對預旋噴嘴作為預旋供氣系統(tǒng)核心元件,劉育心等研究了噴嘴流量系數(shù)和預旋效率的影響因素,指出無量綱葉高和噴嘴數(shù)目對流量系數(shù)和預旋效率有明顯影響,而對下游轉動部件影響較小。胡偉學等數(shù)值分析了噴嘴不同徑向角度的氣動損失特性,唐國慶等提出并設計了一種低損失融合式預旋噴嘴,雷昭等針對預旋噴嘴的開度調節(jié)來研究全周進氣和部分進氣對供氣流量、壓力及溫度等性能參數(shù)的影響。由此可見,改善預旋供氣系統(tǒng)性能對提高供氣流量和系統(tǒng)溫降的品質具有重要作用。

在流阻和壓力特性方面,Bricaud等實驗研究了預旋供氣系統(tǒng)的氣體動力損失和熱力學損失。預旋噴嘴的流阻特性成為了關注對象。Mirzamoghadam等研究發(fā)現(xiàn)徑向和軸向預旋噴嘴的流量系數(shù)相差在2%以內。Javiya等對圓柱式、氣動孔式及葉片式預旋噴嘴進行了對比研究,指出葉型流道可顯著改善預旋噴嘴性能。針對葉型式預旋噴嘴,柴軍生和劉育心等研究總結出,葉型式預旋噴嘴具有出口氣流角度變化小、總壓損失系數(shù)小的特點。薛彪和陳堯通過數(shù)值模擬和實驗測量,獲得了預旋噴嘴流量系數(shù)及預旋效率隨預旋角度及預旋噴嘴長徑比的變化規(guī)律。針對轉動孔和轉動盤腔元件的流阻特性,Popp和Dittmann等分別開展了蓋板式和直接式預旋供氣系統(tǒng)的接受孔流量特性研究,定義了絕對坐標系和相對坐標系下轉動孔流量系數(shù)。在相對坐標系下流量系數(shù)可以不考慮轉子做功問題,轉動孔流量系數(shù)小于1。預旋噴嘴下游預旋腔內出現(xiàn)較大的總壓損失,該總壓損失隨流量和噴嘴出口旋轉比的增大而增大,隨噴嘴數(shù)目的增大而減??；隨著接受孔進口旋轉比接近1,接受孔流量系數(shù)逐漸增大?；谙嗨品治龇?馮青等開展了轉靜腔流阻特性研究。王鎖芳等揭示了旋轉雷諾數(shù)和無量綱流量對徑向預旋供氣系統(tǒng)溫降和流阻特性的影響?；陟胤治龇?吳衡等發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)溫降程度與熵增具有強關聯(lián),當熵增為0時溫降達到最大；并且預旋系統(tǒng)存在著溫降與功耗的關聯(lián)。龔文彬和丁水汀等從熱力學理論出發(fā),建立了預旋噴嘴、封嚴篦齒等流阻元件的質量流量模型和熵產(chǎn)模型,揭示了流阻元件的損失機理。由此可見,預旋供氣系統(tǒng)并不僅僅是一個簡單的通流結構,其流阻熵增特性與供氣流量、溫度特性有著關聯(lián)機制。

以上闡述了國內外對預旋供氣系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,針對系統(tǒng)供氣流量和溫降換熱特性,國內外已進行大量的研究。關于流阻和壓比特性研究中,主要關注預旋噴嘴、接受孔、轉動盤腔等單一元件的流動特性,而對預旋供氣系統(tǒng)整體壓比的主要影響因素尚未有明確的結論。盡管前期西北工業(yè)大學劉高文等綜合了實驗測量、數(shù)值仿真、理論推導的研究方法,對預旋供氣系統(tǒng)性能進行了詳細研究；但關于預旋供氣系統(tǒng)內壓比和熵增的關聯(lián)及其影響因素仍需系統(tǒng)性開展機理分析。由此,本文在文獻[44]理論評估燃氣渦輪發(fā)動機預旋系統(tǒng)溫降和功耗的研究基礎上,采用理論推導方法,新穎性得到隨供氣流量和渦輪盤轉速變化時預旋供氣系統(tǒng)壓比和熵增特性強關聯(lián)的數(shù)學關聯(lián)式。并通過將系統(tǒng)壓比分解為靜子系和轉子系壓比,深入揭示系統(tǒng)內壓力和熵增特性的主要影響因素及其作用機制。為改善系統(tǒng)供氣壓力品質,評述了國內外對預旋供氣系統(tǒng)內置葉輪流道影響的研究現(xiàn)狀,指出預旋供氣系統(tǒng)實質上與壓氣機和渦輪并無區(qū)別,是一個旋轉驅動的做功系統(tǒng)。基于此,結合本文理論推導結論,評估預旋供氣系統(tǒng)內葉輪增壓效應和作用機制。本文結論對預旋供氣系統(tǒng)和帶有葉輪轉動件部件的優(yōu)化設計具有重要的理論和工程指導意義。

1 研究對象和參數(shù)化定義

燃氣渦輪發(fā)動機二次空氣系統(tǒng)為渦輪高溫熱防護、燃氣入侵和封嚴提供重要屏障,直接關系到發(fā)動機安全和可靠工作。圖1給出典型渦輪二次空氣系統(tǒng)內冷源空氣流路循環(huán),高壓冷卻空氣源通常由壓氣機級間引出。由圖所示,預旋供氣系統(tǒng)是二次空氣系統(tǒng)重要的組成部分,直接為極端熱流沖擊環(huán)境的高轉速渦輪動葉提供冷卻氣源,而高品質冷卻氣源對提升渦輪動葉熱防護效果至關重要。預旋供氣系統(tǒng)涉及由渦輪靜子盤和轉子盤形成轉動/靜止組合腔室的復雜流動狀態(tài),氣流經(jīng)過渦輪靜子盤上預旋噴嘴的膨脹加速及偏轉作用,產(chǎn)生與轉盤轉動方向相同的周向速度,并通過復雜轉-靜系和轉-轉系流動作用的功熱轉換后,為渦輪動葉提供滿足要求的供氣流量、供氣溫度和供氣壓力。其中,系統(tǒng)供氣增壓特性是保障冷卻氣源供給的動力?；诖?本文重點研究燃氣渦輪發(fā)動機預旋供氣系統(tǒng)的壓比、流阻特性與溫度、供氣流量的影響機制及其內在關聯(lián)。

圖1 典型渦輪二次空氣系統(tǒng)流路示意圖[46]Fig.1 Schematic diagram of typical flow path in secondary air cooling system of turbine[46]

1.1 研究對象

典型的預旋供氣系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)的特點在于預旋噴嘴位于低半徑處,為減小氣流徑向外流的損失,在渦輪轉盤上附著一蓋板盤,蓋板盤與渦輪盤之間形成轉-轉腔,稱作蓋板腔,氣流于蓋板腔中徑向外流。為使氣流順利流入蓋板腔,蓋板盤于預旋噴嘴所在半徑位置處預留通孔,稱作接受孔。預旋腔為典型的轉-靜腔,存在封嚴內流和外流,并通過篦齒實現(xiàn)內外封嚴。由于預旋噴嘴所在半徑位置較低,蓋板式預旋供氣系統(tǒng)可較好地控制預旋腔處內外封嚴的面積,實現(xiàn)更好的封嚴效果。相對于直接式預旋系統(tǒng),其結構更復雜,損失元件更多,冷卻效果較差。而預旋系統(tǒng)內更高的預旋增壓效應將對系統(tǒng)的供氣品質十分有益。

為便于進行理論分析,圖2給出系統(tǒng)內各界面編號：S0為系統(tǒng)進口界面,S1為預旋噴嘴出口界面,S2為預旋腔中間界面,S3為系統(tǒng)出口界面。本文以S1界面作為系統(tǒng)的轉-靜系交界面。

圖2 蓋板式預旋供氣系統(tǒng)簡化示意圖Fig.2 Simplified schematic diagram of cover-plate type pre-swirl system

1.2 預旋供氣系統(tǒng)坐標系轉換和工況定義

(1)

式中：為靜溫；為定壓比熱；為渦輪盤旋轉角速度；為半徑；、和分別為絕對坐標系下軸向、徑向和周向速度。

相對總溫與絕對總溫()的關系式為

(2)

(3)

根據(jù)文獻[47],將系統(tǒng)溫降無量綱化：

(4)

為研究變工況對系統(tǒng)特性的影響,通過無量綱速度系數(shù)表征系統(tǒng)供氣流量的工況條件,而無量綱轉子馬赫數(shù)表征渦輪盤轉速的工況條件?？紤]到絕熱條件下靜止的預旋噴嘴內靜溫變化較大而總溫保持不變,可直接由進口總溫計算獲得。無量綱速度系數(shù)表示為

(5)

式中：為氣流速度；為臨界速度,取決于氣體總溫,而非氣體靜溫；為氣體絕熱指數(shù)；為氣體常數(shù)。

考慮到供氣孔內部氣流會隨轉盤同步轉動,供氣孔半徑位置處的轉盤線速度近似認為是供氣孔內部氣流的速度。參照馬赫數(shù)定義的形式,確定無量綱轉子馬赫數(shù),可理解為發(fā)動機換算轉速和供氣孔半徑位置相關系數(shù)的函數(shù)關系式,具體表達式為

(6)

2 系統(tǒng)壓比和熵增的作用機制和理論分析

2.1 系統(tǒng)壓比和熵增的作用機制

渦輪動葉冷卻除對冷卻氣的流量和溫度品質有需求外,對冷卻氣的壓力品質同樣有迫切需求。在預旋供氣系統(tǒng)進口,壓力主要受壓氣機出口參數(shù)的影響。而在預旋供氣系統(tǒng)內部,預旋噴嘴處的膨脹加速以及預旋供氣系統(tǒng)轉動部分的轉子做功會對冷卻氣壓力產(chǎn)生顯著影響,進而影響渦輪葉片冷卻通道進口處的供給壓力。由于之前的研究對預旋供氣系統(tǒng)重點關注的是供氣流量和溫降特性,而對壓比和熵增特性的研究較少。鑒于此,為明確預旋供氣系統(tǒng)增壓與熵增的機理,本文在前人所得理論的基礎上,對絕熱條件下預旋供氣系統(tǒng)壓比和熵增相互關系進行深入推導分析,并揭示系統(tǒng)壓比、靜子系壓比和轉子系壓比的影響因素及其熵增的關聯(lián)機制,進一步評估壓比-熵增關聯(lián)模型對預旋供氣系統(tǒng)性能的影響機制。

(7)

(8)

=

(9)

易知,系統(tǒng)壓比為靜子系壓比和轉子系壓比的乘積,即

=·

(10)

考慮到燃氣渦輪發(fā)動機預旋供氣系統(tǒng)的工質為高溫壓縮純凈空氣,空氣的壓縮因子在1～1.01 范圍,可將流動工質近似為理想氣體。為研究系統(tǒng)元件的阻力特性,在定比熱條件下,將系統(tǒng)出口相對系統(tǒng)進口的熵增定義為系統(tǒng)熵增Δ,即

(11)

同理,可獲得噴嘴出口相對噴嘴進口熵增的靜子系熵增Δ,以及系統(tǒng)出口相對噴嘴出口熵增的轉子系熵增Δ。絕熱條件下,預旋供氣系統(tǒng)內熵增變化反映了內部的流動損失情況。為便于理論分析,將熵增無量綱化,分別為系統(tǒng)、靜子系和轉子系的無量綱熵增,即

(12)

(13)

2.2 系統(tǒng)壓比-熵增關聯(lián)的理論分析

考慮到系統(tǒng)同一狀態(tài)點總、靜參數(shù)的轉化為等熵過程,由式(11)可得：

(14)

進而由式(7)和式(14)可確定系統(tǒng)壓比的計算式為

(15)

(16)

于是,式(16)等號右側溫比項具體為

(17)

由系統(tǒng)無量綱溫降的定義式(4),可得

(18)

結合式(18),此時式(17)可轉化為

(19)

將式(19)代入式(16)得到

(20)

(21)

值得注意的是,本文是基于無量綱溫降已知的條件下推導確定理想系統(tǒng)壓比,然而理想系統(tǒng)壓比并不對應理想系統(tǒng)無量綱溫降。由式(21)可知,理想系統(tǒng)壓比取決于轉子馬赫數(shù)和系統(tǒng)無量綱溫降。

根據(jù)式(21)關聯(lián)函數(shù),圖3給出了不同轉子馬赫數(shù)工況時理想系統(tǒng)壓比隨系統(tǒng)無量綱溫降的變化情況。由圖可知,當小于0時,恒大于1.0且隨增大而增大；而當大于0時,恒小于1.0且隨增大而減小。當不變時,隨著逐漸增大,逐漸減小?？梢?增大溫降意味著理想系統(tǒng)壓比(增壓效果)降低,溫降的提高是以犧牲預旋供氣系統(tǒng)的整體增壓性能為代價的。

一方面,理想系統(tǒng)壓比和溫降的關系突出了預旋供氣系統(tǒng)進口引氣壓力的重要性。系統(tǒng)出口壓力需求一定的條件下,更大的進口引氣壓力意味著預旋供氣系統(tǒng)對增壓性能的要求更低,預旋供氣系統(tǒng)可實現(xiàn)的溫降也更大。另一方面,理想系統(tǒng)壓比和溫降的關系也對預旋供氣系統(tǒng)的優(yōu)化設計提出要求。預旋供氣系統(tǒng)的優(yōu)化不僅應考慮增大溫降,也應綜合考慮壓力以及溫度各自對下游葉片冷卻的具體影響大小,并選擇合適的參數(shù)。

圖3 理想系統(tǒng)壓比與系統(tǒng)無量綱溫降的關系Fig.3 Relation between ideal system pressure ratio and system dimensionless temperature drop

聯(lián)合式(20)和式(21)得到系統(tǒng)壓比與理想系統(tǒng)壓比的關聯(lián)式：

(22)

于是,依據(jù)式(22),定義實際系統(tǒng)壓比與理想系統(tǒng)壓比的比值為系統(tǒng)壓比效率(),即

(23)

為此,系統(tǒng)熵增的大小受預旋供氣系統(tǒng)內部結構以及氣流參數(shù)等多重因素影響,其影響機制十分復雜。

2.3 轉-靜系壓比-熵增關聯(lián)的理論分析

系統(tǒng)轉動元件熵增主要有兩大因素,一個是主流和旋流分界面處較大的速度梯度,一個是氣流對壁面的沖擊。為揭示預旋供氣系統(tǒng)內壓力與熵增特性的影響機制和關聯(lián)性,有必要將以預旋噴嘴為主要作用機制的靜子系和以預旋腔、蓋板腔、接受孔、供氣孔為主要作用機制的轉子系作為對象開展研究。

2.3.1 靜子系壓比-熵增的關聯(lián)機制

(24)

式(24)等號右側的溫比可轉化為

(25)

對于絕熱系統(tǒng),根據(jù)能量守恒定律,預旋噴嘴前后溫度差可表示為

(26)

式中：為靜子系噴嘴所做的功。顯然,預旋噴嘴做功為0,將式(26)簡化為

(27)

將式(27)代入式(25)后,整理為

(28)

于是,再將式(28)代入式(24),得到

(29)

(30)

依據(jù)式(30),理想靜子系壓比隨噴嘴出口氣流速度系數(shù)的變化如圖5所示,其中主要受預旋供氣系統(tǒng)的流量影響。理想靜子系壓比為噴嘴出口氣流速度系數(shù)的函數(shù),隨的增大而減小,但不隨轉子馬赫數(shù)和系統(tǒng)溫降的變化而變化。當=0即流量為0時,壓比為=1；當=1即為臨界狀態(tài)時,臨界壓比為=0.528。

由圖5可知,在噴嘴出口速度系數(shù)=0～1.0范圍內,理想靜子系壓比的范圍為=0.528～1.0。為描述靜子系壓比-流量與靜子系熵增的具體關聯(lián),依據(jù)式(29)和圖5得到靜子系熵增云圖,如圖6所示。隨著噴嘴速度系數(shù)(流量工況)或靜子系壓比增大,靜子系熵增逐漸降低,靜子系無量綱熵增最高值為0.64。一方面,在維持預旋供氣系統(tǒng)供氣流量工況不變時,靜子系壓比越大,所產(chǎn)生的熵增損失越??；另一方面,在維持靜子系壓比不變時,系統(tǒng)供氣流量越大,所產(chǎn)生的熵增損失也越小。由此可見,具有高性能預旋噴嘴的結構可有效降低流動損失。結合圖5和圖6 可知,在考慮靜子系內熵增損失存在時,隨著系統(tǒng)供氣流量增加,靜子系壓比和熵增損失均逐漸降低。

圖5 靜子系理想壓比特性的二維變化Fig.5 Two-dimensional variation of ideal pressure ratio characteristics of stationary component

圖6 隨靜子系壓比-流量變化的熵增云圖Fig.6 Contours of entropy increase with variation of pressure ratio-mass flow rate of stationary component

聯(lián)合式(29)和式(30),靜子系壓比效率可定義為實際靜子系壓比與理想靜子系壓比的比值，即

(31)

2.3.2 轉子系壓比-熵增的關聯(lián)機制

如圖2所示,在蓋板式預旋供氣系統(tǒng)中,氣流經(jīng)過預旋噴嘴處的膨脹加速后,會流經(jīng)預旋腔以及一系列轉動元件,最后流入渦輪轉盤。由于存在轉子做功以及半徑位置的變化,噴嘴下游氣流的壓力同樣發(fā)生較大變化?？紤]到預旋腔靜止部分壓力變化不大,更高的轉子壓比對預旋供氣系統(tǒng)十分有益。一方面,下游葉片冷卻通道對供氣壓力的要求使得預旋供氣系統(tǒng)轉子壓比不能過小。另一方面,若預旋供氣系統(tǒng)出口壓力已滿足供氣壓力的需求,在出口壓力不需進一步提高的條件下,更大的轉子壓比也意味著預旋腔處的壓力更低,噴嘴前后落壓比更大。此時,噴嘴前后更大的落壓比意味著氣流在預旋噴嘴的膨脹加速更充分,進而可獲得更大的溫降。式(9)給出轉子系壓比為系統(tǒng)出口靜壓與噴嘴出口靜壓之比。結合式(10)、式(20)和式(29)三者的關系,可得出轉子系壓比的表達式為

(32)

(33)

(34)

根據(jù)式(33)和式(34),轉子系壓比效率可定義為轉子系實際壓比與轉子系理想壓比的比值。

(35)

上述分析表明,轉子系壓比-熵增特性關聯(lián)機制較為復雜,不僅與轉盤轉速、供氣流量工況有關,還與系統(tǒng)溫降相關聯(lián)。

3 系統(tǒng)壓比-熵增特性的關聯(lián)評估

3.1 壓比-熵增特性的關聯(lián)機制

針對轉子系,由式(33)確定轉子系壓比的關聯(lián)參數(shù)較多,其中系統(tǒng)無量綱溫降本身既受轉速()影響也受流量()影響?？梢?式(33) 無法明確說明轉速和流量對系統(tǒng)壓比的具體影響方式。

通過對氣流的預旋作用,預旋供氣系統(tǒng)可降低渦輪轉子感受到的氣流的相對總溫,進而實現(xiàn)溫降。在預旋供氣系統(tǒng)內,慣性力既影響徑向速度又影響周向速度,而黏性力主要影響周向速度。為評估預旋溫降效應,引入無量綱參數(shù)氣流旋轉比,其定義為氣流周向速度()與轉盤線速度(=)的比值。El-Oun和Owen通過理論推導表明,系統(tǒng)的溫降主要取決于預旋噴嘴出口旋轉比()。預旋噴嘴出口處氣流旋轉比越大,預旋溫降效應越大。若已知預旋噴嘴出口氣流出氣角,依據(jù)文獻[11]可進一步推導獲得的關聯(lián)式為

(36)

同時,根據(jù)式(4)整理可得：

(37)

式中：/為預旋半徑比(Pre-swirl Radius Ratio),即預旋噴嘴所在半徑位置和供氣孔所在半徑位置的比值。文獻[49-50]指出無量綱預旋半徑比/是系統(tǒng)中一個重要的結構尺寸參數(shù),對系統(tǒng)性能有著顯著的影響。

聯(lián)合式(36)和式(37)可推導到：

(38)

依據(jù)式(38),圖7顯示隨供氣流量()和轉盤轉速()工況變化的系統(tǒng)溫降()特性云圖,其中給定噴嘴出口氣流出氣角為=12°。由圖可知,在高速度系數(shù)和高轉子馬赫數(shù)工況時,并未出現(xiàn)高系統(tǒng)溫降,這是由于預旋供氣系統(tǒng)中涉及旋轉盤腔中的轉-靜盤腔、轉-轉盤腔,存在著復雜的功熱轉換問題。系統(tǒng)溫降隨著預旋噴嘴出口速度系數(shù)與轉子馬赫數(shù)之間比值(即/)的增大而線性增大；也就是說,隨增加而增大,而隨增大而減小。

結合式(38),進一步分解式(33)中系統(tǒng)無量綱溫降。于是,轉子系壓比可表達為

(39)

圖7 系統(tǒng)溫降特性與流量-轉速關聯(lián)的三維變化Fig.7 Three-dimensional variation of system temperature drop with mass flow and rotation speed

(40)

根據(jù)式(40),圖8給出理想轉子壓比隨噴嘴出口速度系數(shù)以及轉子馬赫數(shù)的變化情況,其中給定噴嘴出口氣流出氣角為=12°。分析圖8可知理想轉子壓比分布的變化規(guī)律:首先,在高轉速、小流量或低轉速、大流量的區(qū)域,理想轉子壓比最大；接著,在高轉速、大流量的區(qū)域,較??；最后,在低轉速、小流量區(qū)域,最小。高轉速、小流量工況下噴嘴出口旋轉比較?。坏娃D速、大流量工況時,噴嘴出口旋轉比較大。然而,過小和過大的噴嘴出口旋轉比對預旋供氣系統(tǒng)轉子部分的設計都會帶來困難。

由圖8可知,在給定流量-轉速(-)工況范圍內,理想轉子壓比在=1.004～1.894范圍內。根據(jù)式(39),在給定=12°和=1時,圖9(a)繪制出隨轉子系壓比-流量變化的轉子系熵增云圖。當轉盤轉速()不變時,較大的轉子系壓比和系統(tǒng)供氣流量工況()均引起較小的熵增損失,轉子系無量綱熵增最大值為0.635。轉子系壓比和供氣流量工況二者關聯(lián)對轉子系熵增呈現(xiàn)線性變化關系。而在給定=12°和=1時,圖9(b)繪制出隨轉子系壓比-轉速變化的轉子系熵增云圖。當系統(tǒng)供氣流量不變時,較大的和均產(chǎn)生較小的熵增損失,此時轉子系無量綱熵增最大值為0.425。并且,轉子系壓比和轉盤轉速()工況二者關聯(lián)對轉子系熵增呈現(xiàn)明顯非線性關系。

圖8 轉子系理想壓比特性的三維變化Fig.8 Three-dimensional variation of ideal pressure ratio in rotation component

圖9 與轉子系壓比關聯(lián)的轉子系熵增云圖Fig.9 Contour of entropy increase with pressure ratio in rotation component

針對系統(tǒng)壓比,結合式(20)和式(37),可將式(20)中系統(tǒng)無量綱溫降項分解,即：

(41)

(42)

根據(jù)式(42),圖10給出理想系統(tǒng)壓比隨噴嘴出口速度系數(shù)以及轉子馬赫數(shù)的變化情況。隨的變化規(guī)律較明確,隨增大,逐漸減小。隨增大,基本都呈增大趨勢,但在較大、較小區(qū)域,出現(xiàn)隨增大反而減小的情況。

圖10 理想系統(tǒng)壓比特性的三維變化Fig.10 Three-dimensional variation of ideal system pressure ratio

圖11 與系統(tǒng)壓比關聯(lián)的系統(tǒng)熵增云圖Fig.11 Contours of system entropy increase with system pressure ratio

為解釋圖10中隨的變化趨勢,需要對式(41)進一步分解。于是,系統(tǒng)壓比可表達為

(43)

(44)

結合式(36),將式(44)進一步簡化可得

(45)

由式(45)可知,當噴嘴出口旋轉比大于預旋系統(tǒng)預旋半徑比倒數(shù)(即/)時,系統(tǒng)壓比隨轉盤轉速()增大而減小。因此,在較大的、較小的區(qū)域,出現(xiàn)隨增大反而減小的情況。因此,有必要進一步開展系統(tǒng)增壓效應的機制分析。

3.2 系統(tǒng)增壓效應的機制分析

本文的理論分析結果均適用于直接式和蓋板式預旋供氣系統(tǒng),而對于一般的低位蓋板式預旋供氣系統(tǒng),氣流在蓋板腔內離心外流,壓力以及溫度都隨半徑的增加而增大,與離心壓氣機十分類似,是一個旋轉驅動的做功系統(tǒng)。有必要結合文本的理論模型進一步評估預旋供氣系統(tǒng)的供氣壓力品質的作用機制。

3.2.1 蓋板盤上葉輪結構的影響

為提高預旋供氣系統(tǒng)轉動部分的增壓效果,參考離心壓氣機轉子的結構形式,部分蓋板式預旋供氣系統(tǒng)會考慮在蓋板腔內安裝葉輪,如圖12 所示。田淑青等研究了高壓渦輪葉片式預旋噴嘴預旋供氣系統(tǒng)中的葉輪設計,結果表明蓋板腔中的徑向葉輪對冷氣有一定的抽吸作用,可以顯著提高供氣孔的旋轉比以至于減小壓力損失。Wu和Gupta等通過數(shù)值模擬的方法研究了不同形狀、不同分布方式的葉輪在增壓以及維持氣流旋轉比方面的作用。研究發(fā)現(xiàn)葉輪可以改善供氣孔入口處的流動特性并提供更高的出口壓力,但由于葉輪對氣流的作用力會消耗發(fā)動機更多的功,從而導致發(fā)動機效率下降。

圖12 預旋供氣系統(tǒng)內蓋板盤上葉輪流道結構示意圖[51]Fig.12 Structure diagram of impeller on cover-plate disc of pre-swirl system[51]

由此可見,葉輪可顯著增加氣流在蓋板腔內的周向速度,蓋板腔內的增壓效果會有一定提高。但由于預旋供氣系統(tǒng)轉子部分依然有其他元件,蓋板腔內增壓效果提高并不等同于整個轉子增壓一定會變大。盤腔內壓力也直接影響封嚴泄漏。目前針對預旋供氣系統(tǒng)葉輪增壓效應(Impeller Effect)影響機制的研究尚不完善。

3.2.2 葉輪對系統(tǒng)增壓效應的理論評估

由文獻[54]可知,預旋供氣系統(tǒng)的無量綱溫降和功耗取決于預旋腔處的旋流恢復系數(shù)和噴嘴出口氣流旋轉比。一方面,旋流恢復系數(shù)取決于預旋腔的靜子力矩；另一方面由式(36)可知,對于預旋半徑比(/)以及噴嘴出氣角()不變的預旋供氣系統(tǒng),噴嘴出口氣流旋轉比主要受噴嘴出口速度系數(shù)(,即表征供氣流量工況)和轉子馬赫數(shù)(,即表征轉盤轉速工況)的影響?；诖?在預旋半徑比(/)、噴嘴出氣角()、速度系數(shù)()和轉子馬赫數(shù)()一定時,布置在蓋板盤上葉輪對預旋供氣系統(tǒng)的無量綱溫降、無量綱功耗并無直接影響。

預旋供氣系統(tǒng)轉動部分的做功元件不僅僅是葉輪,還包括接受孔和供氣孔等轉動孔。在絕熱等熵情況下,相對無葉輪結構,采用葉輪會導致蓋板腔內對氣流的做功量增加,但由于出口氣流的周向速度不變,預旋供氣系統(tǒng)其余轉動元件的整體做功量會相應減小,最終系統(tǒng)整體功耗保持不變。系統(tǒng)溫降與系統(tǒng)功耗直接相關,功耗不變溫降自然也不變。由式(21)可證實,預旋供氣系統(tǒng)理想最大增壓比取決于轉子馬赫數(shù)和系統(tǒng)無量綱溫降。當無量綱參數(shù)和不變時,則也不變。

4 結論與展望

本文開展了燃氣渦輪發(fā)動機預旋供氣系統(tǒng)的理論分析,揭示了預旋供氣系統(tǒng)壓比和熵增特性的關聯(lián)機制和演化規(guī)律,理論評估了轉動部件中葉輪增壓效應的影響機制,得到以下結論。

1) 基于預旋供氣系統(tǒng)轉靜坐標系下總、靜參數(shù)等熵的轉化過程,獲得系統(tǒng)壓比和熵增、溫降相互作用的關聯(lián)函數(shù),通過詳細分解出系統(tǒng)壓比、靜子系壓比和轉子系壓比的影響因素及其熵增的關聯(lián)函數(shù),提出了壓比效率預測的數(shù)學模型。引入無量綱化工況參數(shù)速度系數(shù)和轉子馬赫數(shù)分別表征系統(tǒng)供氣流量和轉盤轉速,由理論推導發(fā)現(xiàn),靜子系壓比-熵增特性主要取決于速度系數(shù)工況,而轉子系壓比-熵增特性主要取決于速度系數(shù)、轉子馬赫數(shù)和系統(tǒng)溫降的影響。而系統(tǒng)溫降主要取決于速度系數(shù)、轉子馬赫數(shù)、噴嘴出口氣流旋轉比和預旋半徑比的關聯(lián)機制。

2) 在絕熱定比熱條件下對轉盤轉速和供氣流量變工況規(guī)律的分析發(fā)現(xiàn),隨噴嘴出口速度系數(shù)增大,靜子系壓比和熵增損失均單調遞減,并且靜子系無量綱熵增最高為0.64。由于系統(tǒng)存在著復雜的功熱轉換問題,高系統(tǒng)溫降情況出現(xiàn)在高速度系數(shù)和低轉速工況區(qū)域?；谙到y(tǒng)溫降隨速度系數(shù)與轉子馬赫數(shù)之間比值的增大而線性增大,將系統(tǒng)溫降進一步分解為速度系數(shù)和轉子馬赫數(shù)的強關聯(lián)函數(shù)。由此明確獲得,系統(tǒng)壓比隨供氣流量增加而減小,并隨轉盤轉速增加基本呈現(xiàn)增大趨勢。然而,當預旋噴嘴旋轉比大于預旋半徑比的倒數(shù)時,隨轉盤轉速增大,系統(tǒng)壓比反而減小。在既定工況范圍內,系統(tǒng)無量綱熵增達到0.255～1.09范圍。由此可知,在進口參數(shù)和預旋半徑比一定的條件下,減小預旋供氣系統(tǒng)內的熵增大小是增大系統(tǒng)壓比的重要途徑。

3) 當噴嘴出口旋轉比大于預旋系統(tǒng)半徑比倒數(shù)時,系統(tǒng)壓比隨轉盤轉速增大而減小,有必要開展系統(tǒng)增壓效應分析。在不改變供氣流量和轉盤轉速工況條件下,轉動部件單獨增設葉輪部件不會影響實際溫降、實際功耗以及理想系統(tǒng)壓比；葉輪僅能通過減小預旋供氣系統(tǒng)內部的熵增來增大實際系統(tǒng)壓比。針對內置葉輪流道的預旋供氣系統(tǒng),在保證實際系統(tǒng)壓比和轉速不變時,供氣質量流量增加,可提高系統(tǒng)溫降,并降低系統(tǒng)功耗。

本文理論推導結果有助于評估和預測預旋供氣系統(tǒng)壓比和熵增2個性能指標的作用機制,為系統(tǒng)及帶葉輪轉動部件的優(yōu)化設計提供理論指導。然而,在實際燃氣渦輪發(fā)動機預旋供氣系統(tǒng)中氣流和壁面存在換熱現(xiàn)象。下一步的研究應考慮氣流與壁面換熱的影響,揭示轉動部件葉輪增壓效應對預旋系統(tǒng)換熱和熵增特性的影響,并開展壓比和熵增特性關聯(lián)的理論模型驗證；同時,基于本文的理論分析基礎,通過實驗測量確定預旋系統(tǒng)性能預測的關聯(lián)式。

致 謝

感謝西北工業(yè)大學旋轉盤腔流動傳熱實驗室的支持。