白 濤,張晶輝,吝 琳,王淼兒,李 怡

(1.西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院， 西安 710077；2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院， 西安 710089)

1 引言

提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘岣邷u輪輸出功率，減輕渦輪部件重量的重要手段。然而高溫燃?xì)鈱頊u輪更為惡劣的工作環(huán)境，尤其是高速旋轉(zhuǎn)的渦輪輪盤。通過從壓氣機(jī)引出冷卻氣進(jìn)入渦輪盤腔間可以起到冷卻盤腔，同時防止主流高溫燃?xì)馊肭直P腔的作用。封嚴(yán)冷氣出流和燃?xì)馊肭謱u輪氣動性能的復(fù)雜作用機(jī)制使得其成為近年來的研究熱點(diǎn)。目前針對輪緣密封的研究主要集中在建立最小封嚴(yán)流量模型；輪緣非定常效應(yīng)；燃?xì)馊肭謾C(jī)理；封嚴(yán)氣流對主流干涉；封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面[1-3]。

研究表明封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的改變或者優(yōu)化主要通過改變封嚴(yán)間隙渦的發(fā)展以及其和主流的相互作用來影響盤腔封嚴(yán)效率和渦輪效率[4-7]。軸向密封和徑向密封為簡單的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，針對軸向和徑向密封，在輪緣非定常流動、對主流干涉等方面國內(nèi)外做了很多研究。Pogorelov等通過對帶有軸向密封渦輪裝置的精細(xì)化流場進(jìn)行分析，得出靜子尾跡和轉(zhuǎn)子前緣勢作用不光會造成盤腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的燃?xì)馊肭趾统隽髁鲃?，同時會加強(qiáng)主流燃?xì)馊肭直P腔[8-9]。國內(nèi)張晶輝等的研究表明了，除了封嚴(yán)結(jié)構(gòu)(軸向或者徑向)會影響盤腔燃?xì)馊肭郑T如輪緣間隙參數(shù)、間隙形狀，間隙位置等也會對封嚴(yán)效率造成不可忽略的影響[10-11]。斜向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)是實(shí)際工程中最常用的結(jié)構(gòu)之一，近些年來國外針對斜向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定流動特征和封嚴(yán)特性做了相關(guān)的研究，Bunker等詳細(xì)分析了斜向結(jié)構(gòu)輪緣間隙內(nèi)的非定常特征及其作用機(jī)理,其研究結(jié)果表明相比于動靜干涉，間隙內(nèi)不穩(wěn)定的旋渦結(jié)構(gòu)會加深燃?xì)馊肭值纳疃萚12-14]。國內(nèi)高杰等的研究結(jié)果表明，斜向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)效率要高于徑向和軸向[15]。而關(guān)于不同角度對盤腔流場結(jié)構(gòu)造成影響的研究內(nèi)容鮮有發(fā)表。因此設(shè)計(jì)帶有不同角度的斜向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行細(xì)致的流動分析，對于工程上斜向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步細(xì)致的流動機(jī)理研究具有重要意義。

2 計(jì)算模型與計(jì)算方法

2.1 計(jì)算模型

本文研究對象選自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院1.5級渦輪。渦輪幾何主要參數(shù)如表1所示，封嚴(yán)腔體位于導(dǎo)向器和轉(zhuǎn)子交界面上游，本文傾斜角度α分別設(shè)置為30°，45°，60°，不同角度下，保證封嚴(yán)間隙的出口位置不變。封嚴(yán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 LISA葉型主要幾何參數(shù)

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算域包括2個靜子通道和3個轉(zhuǎn)子通道，保證了周向1∶1。盤腔和第一級靜子域整體在ICEM繪制結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，保證靜子通道和盤腔在間隙處的網(wǎng)格在軸向和周向完全匹配，避免數(shù)值傳遞造成的誤差；轉(zhuǎn)子和第二級靜子域采用turbogrid劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)為800萬，靜子、轉(zhuǎn)子、靜子域分別為：318萬、325萬、157萬。所有壁面處網(wǎng)格都進(jìn)行了加密處理，壁面附近Y+小于1，滿足所選湍流模型的計(jì)算要求。

圖1 封嚴(yán)結(jié)構(gòu)橫截面示意圖

數(shù)值模擬采用商用CFX軟件，選用SST湍流模型,γ-θ轉(zhuǎn)捩模型；進(jìn)口給定總溫(328 K)、總壓(140 kPa)邊界條件，出口給定徑向分布的靜壓邊界條件。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 700 r/min。盤腔進(jìn)口給定流量邊界條件，文中給定的封嚴(yán)氣體流量為主流的0.5%。為區(qū)分盤腔封嚴(yán)氣體與主流氣體，計(jì)算中采用CO2標(biāo)記，其中主流進(jìn)口CO2濃度為0，盤腔進(jìn)口CO2濃度為1。本文的計(jì)算不考慮封嚴(yán)氣體的冷卻效應(yīng)。幾何和邊界條件詳細(xì)參數(shù)參見文獻(xiàn)[16]。本文旨在探究封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度變化對整體氣動性能造成的影響，經(jīng)過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對比，定常計(jì)算可以達(dá)到本文的計(jì)算要求和研究目的。為節(jié)省計(jì)算資源，本文采用定常數(shù)值計(jì)算。

2.3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為確保定常計(jì)算的可靠性，在進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證時，同時采用了定常和非定常計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。圖2為第一級靜子和轉(zhuǎn)子出口氣流角的數(shù)值計(jì)算(定常、非定常)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，具體對比數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[16]。對于第一級靜子葉片出口氣流角，定常和非定常數(shù)值結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。轉(zhuǎn)子出口氣流角在70%葉高以下，數(shù)值計(jì)算(定常和非定常)均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，在70%葉高以上，三者出現(xiàn)了差異，相比定常來說非定常與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上更加接近。但是定常和非定常結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在變化趨勢上都比較一致。由于本文更多的關(guān)注是輪轂端壁附近流場的變化，為此定常計(jì)算結(jié)果可以滿足要求。

3 結(jié)果與分析

圖2 第一級靜子和轉(zhuǎn)子出口氣流角曲線

圖3 靜子葉片下游輪轂壓力分布曲線

圖4 轉(zhuǎn)子葉片上游輪轂壓力分布曲線

圖5表示了盤腔出口間隙處無量綱的徑向速度分布，無量綱的速度分布定義為當(dāng)?shù)貜较蛩俣扰c出口間隙面積加權(quán)平均的徑向速度比值。徑向速度大于0表示封嚴(yán)冷氣出流，小于0代表主流燃?xì)馊肭?。不同封?yán)結(jié)構(gòu)角度下，封嚴(yán)冷氣出流和主流燃?xì)馊肭衷谕ǖ纼?nèi)的分布形態(tài)大致相同，燃?xì)馊肭种饕l(fā)生在：靜子尾緣、轉(zhuǎn)子前緣以及轉(zhuǎn)子前緣和靜子尾緣靠近處這幾個區(qū)域，如圖紅線框所示。隨著封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度增大，燃?xì)馊肭謪^(qū)域明顯增大。特別是當(dāng)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度為60°時，盤腔間隙處燃?xì)馊肭终紦?jù)了大多數(shù)區(qū)域。在靜子尾緣附近流動主要體現(xiàn)為燃?xì)馊肭郑谶h(yuǎn)離尾緣但不靠近動葉前緣處主要體現(xiàn)為封嚴(yán)冷氣出流。

圖5 盤腔出口間隙無量綱徑向速度分布云圖(上中下分別：30°、45°、60°)Fig.5 Dimensionless radial velocity distribution of disc cavity outlet clearance(upmiddle down:30°、45°、60°)

分別取距離靜盤位置10%(靠近靜盤)，50%(間隙中間)，90%(靠近動盤)3個軸向位置為研究對象。不同軸向位置處，CO2濃度分布如圖6所示。隨著傾斜角增大燃?xì)馊肭衷谥芟蚝蛷较蚍较蚨技由睢．?dāng)封嚴(yán)角度為30%時，燃?xì)馊肭种话l(fā)生在轉(zhuǎn)子前緣與靜子尾緣靠近的位置，而當(dāng)封嚴(yán)角度增大時，燃?xì)馊肭衷谥芟蚍较蛏蠑U(kuò)展，當(dāng)封嚴(yán)角度為60°時，燃?xì)馊肭只靖采w了周向通道的大部分區(qū)域。在文中所研究范圍內(nèi)，靠近動盤一側(cè)的燃?xì)馊肭殖潭纫獜?qiáng)于靠近靜盤處，即可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)子前緣的位勢對燃?xì)馊肭值淖饔靡獜?qiáng)于靜子尾跡的位勢作用。燃?xì)馊肭种饕性诜鈬?yán)間隙內(nèi)。從上到下分別為：距離靜盤10%，50%，90%軸向間隙位置處

圖6 盤腔間隙不同軸向位置處CO2濃度分布云圖

圖7為盤腔對應(yīng)一個靜子通道的不同周向位置處盤腔截面流線圖，紅色箭頭表示下游轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，3個典型周向?qū)?yīng)位置(φ/t=0.05，0.5，0.95)分別為：靜子尾緣下游，轉(zhuǎn)子前緣壓力面上游，靜子尾緣下游和轉(zhuǎn)子前緣吸力面上游。

圖7 不同周向位置處盤腔截面流線分布示意圖

當(dāng)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度改變時，可以發(fā)現(xiàn)不同周向位置盤腔內(nèi)的渦核結(jié)構(gòu)均發(fā)生了較為明顯的變化。當(dāng)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度為30°時，盤腔內(nèi)的渦主要受到轉(zhuǎn)盤泵效應(yīng)的影響，在盤腔內(nèi)存在2個明顯的渦核結(jié)構(gòu)，并且在不同周向位置處渦核徑向位置基本不發(fā)生變化，說明當(dāng)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度為30°時，主流對渦核結(jié)構(gòu)的影響并不明顯。隨著封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度增大，在低半徑處渦核位置和大小沒有明顯的變化，高半徑處的渦核結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為明顯的變化，在高半徑處，主流入侵燃?xì)飧淖兞吮P腔內(nèi)渦核的位置和的大小，隨著封嚴(yán)角度增大，這種作用更加明顯。特別是當(dāng)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度為60°，在φ/t=0.05，0.95位置處誘導(dǎo)了新的渦結(jié)構(gòu)。封嚴(yán)結(jié)構(gòu)改變了高半徑處渦的結(jié)構(gòu)，從而成為決定燃?xì)馊肭只蛘叻鈬?yán)氣體出流的主要因素。

圖8為不同徑向位置處盤腔封嚴(yán)效率，在80%盤腔位置處，3種結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)效率均為1，隨著半徑增大，封嚴(yán)效率降低。當(dāng)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度為30°時，當(dāng)無量綱的半徑大于0.95時，封嚴(yán)效率隨著半徑的增大而降低；封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度為45°時，當(dāng)無量綱半徑大于0.9時，封嚴(yán)效率隨著半徑的增大而降低；而當(dāng)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度為60°時，封嚴(yán)效率開始減小的值降低至82%半徑高度處。在無量綱半徑大于0.82的區(qū)域內(nèi)，封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度的增大，使得封嚴(yán)效率急劇下降，即燃?xì)馊肭殖潭仍黾?。?00%高度處，60°封嚴(yán)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)效率僅為30°封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的44%，也即斜向角度增大30°，可使封嚴(yán)效率最大下降44%。與上述分析得到了相同的結(jié)論。

圖8 不同徑向位置封嚴(yán)效率分布曲線

圖9為不同靜子出口、轉(zhuǎn)子進(jìn)口、轉(zhuǎn)子出口軸向渦量分布云圖。其中：第一級靜子出口截面位于靜子葉片下游10%靜子軸向弦長位置處(間隙上游)，轉(zhuǎn)子進(jìn)口位于轉(zhuǎn)子葉片上游10%第一級靜子軸向弦長處(間隙下游)，轉(zhuǎn)子出口位于轉(zhuǎn)子葉片下游10%第一級靜子軸向弦長處。不同封嚴(yán)角度封嚴(yán)結(jié)構(gòu)下，靜子出口截面的渦結(jié)構(gòu)分布類似，即為通道渦和脫落渦，相對位置和強(qiáng)度也比較接近。由于本文計(jì)算的封嚴(yán)流量較小，在3中封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度下，輪緣密封處的流動對靜子通道幾乎沒有影響；封嚴(yán)結(jié)構(gòu)改變對主流的影響，主要體現(xiàn)在對轉(zhuǎn)子入口的影響上面，由于封嚴(yán)氣體出流和燃?xì)馊肭衷诒P腔間隙處形成了復(fù)雜的渦系結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為在轉(zhuǎn)子上游形成了3個明顯的正負(fù)渦量區(qū)域，與轉(zhuǎn)子的位置相對應(yīng)。隨著封嚴(yán)結(jié)構(gòu)角度的增大，正負(fù)渦量區(qū)域均有所增大，因?yàn)榉鈬?yán)結(jié)構(gòu)角度增大燃?xì)馊肭趾头鈬?yán)氣體出流的剪切作用更明顯，因此誘導(dǎo)出更強(qiáng)的剪切渦，而這個剪切渦向下游發(fā)展，則會成為轉(zhuǎn)子通道渦的一部分，并且促進(jìn)轉(zhuǎn)子通道渦的發(fā)展，斜向角度為60°的轉(zhuǎn)子出口通道渦相比于30°和45°在徑向的區(qū)域要更大。

圖9 軸向渦量分布云圖(從上到下依次為：靜子出口、轉(zhuǎn)子進(jìn)口、轉(zhuǎn)子出口)

圖10 轉(zhuǎn)子葉片5%葉高處壓力系數(shù)分布曲線

4 結(jié)論

對lisa1.5級渦輪裝置設(shè)計(jì)了3種不同角度的斜向盤腔封嚴(yán)裝置。數(shù)值模擬結(jié)果表明斜向角度的改變會顯著影響盤腔和主流的流動特征。具體結(jié)論如下：

1) 隨著斜向角度增大，主流燃?xì)馊肭直P腔程度加劇，造成盤腔高半徑處封嚴(yán)效率急劇下降。

2) 冷氣出流對封嚴(yán)間隙下游的壓力勢場影響程度要強(qiáng)于對上游的。

3) 燃?xì)馊肭趾头鈬?yán)冷氣出流相互作用形成的間隙渦會改變盤腔內(nèi)高半徑渦核結(jié)構(gòu)，同時剪切的間隙渦會增強(qiáng)轉(zhuǎn)子下游通道渦的發(fā)展。隨著斜向角度增大，這種作用會被放大。

4) 隨著斜向角度的增大，較強(qiáng)的間隙渦使得轉(zhuǎn)子下游通道渦區(qū)域在徑向增大，從而使得轉(zhuǎn)子葉片的負(fù)荷能力降低。