CFD技術在航空發動機空氣系統設計中的應用

沈 毅，李云單，呂春雁，牟宇飛

(中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 1100015)

0 引言

作為航空發動機主要零部件和有關系統，空氣系統在整個工作包線內的內部工作環境以及熱狀態設計，擔負著為發動機提供可靠工作環境的重任，是保證發動機以高性能安全運行的重要系統之一。空氣系統設計分析技術的發展在某種程度代表著航空發動機的設計水平。

由于計算機資源的限制和及空氣系統結構本身的復雜與多樣性，CFD技術無法對航空發動機空氣系統進行數值模擬。在工程設計與計算時，采用的1維方式簡化處理，必然帶來誤差。在流動方面的誤差不但直接影響某些關鍵零部件的溫度預估結果，而且也無法完成對某些結構的優化設計評估。采用商用CFD軟件,可以對局部流動與換熱特性進行更詳細地分析，為溫度預估提供高精度的邊界條件，可滿足結構優化的設計需要。

1 航空發動機空氣系統

空氣系統也叫2次流系統，其工作過程是從壓氣機適當位置抽取空氣，通過發動機主通道的內側或外側的各種流動結構元件（孔、管路、封嚴環和特定結構形成的腔道等），按照設計流路要求的流動方向流動并完成各項規定功能，最后從確定的主通道的若干部位排出，與主流匯合或直接泄漏到機體外部排入大氣。

某典型發動機局部空氣系統流路及組成如圖1所示。圖中標示了氣流的流動方向及相應的功能。

2 1維數值模擬技術

2.1 基本原理

從圖1中可見，空氣系統是由影響到氣流沿程的壓力、溫度和流量變化的結構（如篦齒孔、各種旋轉盤腔等流動元件）組成的。發動機元件形式多種多樣，如篦齒（seal）、盤心和軸之間的通道、機匣上的孔、預旋噴嘴等。不同結構形式的元件具有不同的流動和換熱特性。在工程設計與計算時，通常采用1維方式處理各流動單元的流動與換熱特性，也就是把這些元件根據幾何和流動的特點典型化，將發動機空氣系統模化成1個由多種類型元件（單元）串聯和并聯組成的網絡，連接各元件的稱為腔（或節點）。通過迭代求解，得到整個網絡的壓力和溫度分布和流量分配情況。

按照上述思路，空氣系統流路（圖1）就可以模化成與如圖2所示的類似網絡。

2.2 1維計算結果特點分析

在網絡中，每個元件的流動和換熱特性是決定氣體壓力、溫度和流量的重要數據。在1維數值模擬計算時，這些數據的精度由所采用的準則公式（經驗公式）與發動機結構的吻合程度及其適用范圍決定。絕大部分經驗準則公式來源于試驗數據，而試驗對象的結構形式與發動機真實結構總是存在差異，而試驗結果也不可能考慮到所有的影響參數，其適用范圍一定是有限的。上述因素都直接影響1維數值模擬結果的精度。Zimmermann指出，CFD技術是提高經驗公式的準確程度，或者通過數值試驗方式擴大其有效范圍的1種有益手段[1]。

此外，在工程設計中，還需要應用CFD技術為空氣系統設計提供更詳細的設計依據信息。1維數值結果可以比較全面地反映各分支的流量分配情況、關鍵腔室的壓力和溫度數據，從大的方面判斷整個空氣系統的特性。但對于一些流動、換熱條件比較復雜的結構而言，1維數值結果無法反映局部氣體的詳細流動情況，也無法詳細了解各方面因素對分析結果的影響；由于對某些結構進行了簡化，也無法提供評估結構優化設計的支持數據。因此，進行局部結構的CFD計算非常必要。

3 CFD技術的應用

商用CFD軟件采用的流體理論和數值算法經過長期的科學論證，比較成熟，可以用于處理發動機集氣腔、渦輪盤腔、管路、篦齒等局部流動比較復雜空腔的流動、傳熱傳質問題。對于某些不考慮旋轉因素的流動與換熱數值模擬，其分析結果的可信度更高。本文以發動機上常見的集氣腔、渦輪葉片內冷氣導管為研究對象，討論CFD技術在發動機空氣系統設計中的應用情況。

3.1 渦輪冷卻空氣集氣腔設計分析

渦輪冷卻空氣集氣腔設計的目的是將外部管路引入的高壓低溫氣體在此腔均壓后，從下游各導葉內部通道進入渦輪盤腔，實現對盤組件的冷卻。集氣腔內部壓力均勻，有利于進入渦輪盤腔的冷氣溫度、壓力周向均勻，對渦輪部件的冷卻是有益的。

針對2種集氣腔結構，分別取整環的1/4和1/8作為研究對象，根據CFD分析的流動情況，提出了幾種結構方案。方案1、2是根據第1種集氣腔的結構情況做的改動，具體結構如圖3～6所示；方案3是第2種集氣腔結構的改動情況，其結構如圖7、8所示。集氣腔各出口的不均勻性分析結果如圖9所示，各結構方案的出口流量不均勻性對比見表1。

表1 各出口流量的均勻性比較

從分析結果可知，幾種改進方案的各出口氣流流量都比原方案的分布均勻如圖10所示，其中方案3的效果最好。這主要是由于進入集氣腔的引氣管數量較少，雖然周向分布基本均勻，但2個引氣管之間的區域壓力相對較小。方案3在正對引氣管出口的下方增加了擋板，避免了氣流進入集氣腔后直接從最近的出口排出，改善了各出口的均勻性。另外，第2種集氣腔的均勻性優于第1種集氣腔的，也是由于第2種集氣腔的引氣管數量較多，有助于提高腔內壓力分布的均勻性。

3.2 低壓渦輪導向葉片冷氣導管內氣體沿程溫度分析

航空發動機低壓渦輪導向葉片通常是1個空心葉片（其結構如圖11所示），作為從發動機外部引入的渦輪盤組件冷卻空氣的通道。為了盡量減少葉身外表面燃氣的沖刷對冷氣溫度的影響，在導向葉片內部安裝冷氣導管。

進行導管內冷氣沿程溫升數值模擬，以尋找影響冷氣沿程溫增的主要因素。分別模擬了帶導管和不帶導管2種情況，同時考慮了葉片表面的燃氣溫度水平以及通過葉片內部的冷氣流量對氣流沿程溫增的影響。計算模型及數值模擬結果如圖12、13所示，數據統計見表2。

表2 計算結果對比

由此可見，去掉冷氣導管雖然對提高導葉的流通能力起到一定作用，但對控制冷氣的沿程溫增來說，卻有些得不償失。雖然冷氣導管與葉身的接觸面積很小，但燃氣溫度依然是影響氣體沿程溫增的最主要因素。

4 結束語

在進行渦輪冷卻空氣集氣腔結構設計時，要考慮到由于引氣管布置的影響，必然會導致集氣腔內壓力分布不均勻，從而導致集氣腔各出口的流量不均，是下游流路冷卻設計的不利因素。通過結構調整，如在引氣管的出口部位增加擋板，改善局部的不均勻性，在一定程度上消除了該不利因素。

低壓渦輪導向葉片內冷氣沿程溫增的試車測試結果高于設計預期。通過CFD分析，綜合考慮各方面的影響，認為燃氣溫度的水平、冷氣流量是影響該溫增的最主要因素。此分析結果可以通過部件試驗進行驗證。

盡管CFD技術已經應用于航空發動機靜子件的流動分析，是空氣系統設計的有益補充。但在應用過程中，以下因素影響了CFD技術發揮更大的作用。

（1）商用CFD軟件界面友好，上手快。但數值模型的網格質量、分析結果的收斂性對分析結果的正確性影響很大。這對使用者的技術水平要求較高，只有經驗豐富的使用者的分析結果才具有參考價值。

（2）商用CFD軟件模擬流動與換熱現象的數學模型很豐富，具有很強的通用型，但在處理發動機某些復雜結構時，模型的針對性則不足。此時CFD分析結果只能作為設計工作的參考。為了提供準確度較高的定量分析結果，還需要大量試驗驗證的數據支持。

（3）對發動機的熱端部件尤其是轉子件的溫度預估十分重要。目前CFD技術對于轉動系、轉轉系的流動分析，尤其是換熱特性分析仍有較大誤差，需通過更多試驗研究來完善。

綜上所述，在整機空氣系統設計時，只能將局部流動比較復雜的結構作為1個或幾個元件進行處理，對元件內部的流動組織情況、各因素對溫度的影響程度無法給出定量結果,這種處理方法可以滿足發動機初步設計階段的要求，但無法對發動機冷卻結構的細節設計提供更高精度的指導。CFD應用使得流動與換熱的細節分析成為可能，為結構改進設計、部件試驗驗證和整機試車參數的測試結果分析等工程研制工作提供了數據支持。但為了在空氣系統設計時更好地應用CFD技術，還需要進行大量針對性試驗研究，實現對湍流模型等主要影響分析結果因素的修正，提高應用于航空發動機空氣系統設計分析的成熟度。這也是航空發動機空氣系統設計技術進一步深化研究的方向之一。

[1]]Zimmermann H.Some aerodynamic aspects of engine secondary air systems [J].Journal of Engineering for Gas Turbine and Power.1990,112:223- 228.

[2]航空發動機設計手冊總編委會.航空發動機設計手冊（第16冊）[M].北京:航空工業出版社，2001.