接受孔對預旋系統溫降特性的影響

張建超，王鎖芳，王春鳳，3，徐昊，馬力

(1.江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京 210016;

2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016;

3.江鈴汽車股份有限公司，南昌 330001)

接受孔對預旋系統溫降特性的影響

張建超1，2，王鎖芳1，2，王春鳳1，2，3，徐昊1，2，馬力1，2

(1.江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京 210016;

2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016;

3.江鈴汽車股份有限公司，南昌 330001)

簡化了蓋板預旋系統，驗證了數值方法的有效性。在絕熱狀態下對蓋板式預旋系統開展數值模擬，獲得蓋板上接受孔的面積、徑向位置和長細比等結構參數對預旋性能的影響規律。研究結果表明:所研究范圍內，蓋板預旋系統的預旋溫降和總壓降隨旋轉雷諾數增加而降低;相同旋轉雷諾數下，無量綱流量越大，預旋溫降越大，總壓降也越大;在一定范圍內增大接受孔的面積有利于提高預旋溫降并降低總壓損失;對相同面積的接受孔，隨著徑向位置的增加，預旋溫降先增大后減小，溫降曲線上拐點的位置受接受孔面積影響;接受孔長細比增大，預旋溫降隨之增加，同時接受孔面積越大，預旋溫降受長細比變化的影響越小;接受孔通過和流經其中的氣流發生能量交換影響預旋溫降。

接受孔;預旋;降溫;蓋板

現代航空發動機通常采用預旋供氣的形式向高壓渦輪葉片供應冷卻氣體進行熱防護。所謂預旋，是通過預旋噴嘴使冷氣膨脹，在加速的同時降低靜溫，并合理設計冷氣與旋轉部件的相對速度，從而最終達到降低熱端部件感受到的相對總溫的目的。通過預旋可以提高冷氣的冷卻品質，有利于減少冷氣用量，最終提高航空發動機的性能。

CFM56的蓋板式預旋系統(cover－plate preswirl system)是一種常見的預旋結構。如圖1所示，在渦輪盤前安裝一個蓋板，蓋板和渦輪盤形成共轉盤腔，蓋板上開有接受孔，連通上游轉靜盤腔和共轉盤腔。本文對這種蓋板預旋系統進行簡化并開展數值模擬。首先獲得蓋板式預旋系統的溫降和流阻規律，而后針對蓋板上不同結構的接受孔進行計算，得到接受孔結構參數對預旋性能的影響規律，分析內部流動特點，從而指導工程設計。

國內外學者對預旋結構開展過一些研究。Owen課題組［1－2］較早對預旋系統進行了理論分析、試驗研究和數值模擬，獲得了預旋系統內的流動與換熱規律。Karabay等［3－4］針對蓋板式預旋系統進行了理論分析，通過數值模擬和實驗研究獲得了相對準確的理論計算式。Lewis等［5－6］分析了直導式預旋系統流動與換熱的機理，并就預旋噴嘴徑向位置變化對預旋系統性能的影響進行了數值計算。Young等［7］對氣流在空氣系統中穿過軸上旋轉孔的流動情況進行了研究。Chew等［8］研究了直導預旋系統的溫降特性，并基于理論分析建立了模型，通過試驗得到旋轉盤的力矩系數。國內楊小利［9］研究了旋轉渦輪盤腔內的流場。何振威等［10］在相同模型上開展了試驗研究。朱曉華等［11］對蓋板預旋系統進行了數值研究，并利用試驗數據驗證了數值方法的有效性。王鎖芳等［12］對直導預旋系統開展了較全面的試驗和數值研究。

前人研究蓋板預旋系統時多關注進出口的宏觀物理量和規律曲線，對接受孔元件的結構參數和流動機理涉及不多。本文在前人的研究基礎上，首先利用文獻數據驗證數值方法，而后采用數值模擬的手段得到了蓋板預旋系統內接受孔的結構變化影響預旋溫降和流阻的規律，并對接受孔的影響機理進行分析，對理解蓋板預旋系統的機理和指導工程設計有重要意義。

1 物理模型

將CFM56發動機的蓋板預旋系統進行簡化，得到本文研究的物理模型，如圖1所示。

重要的結構參數已在圖1中標出。預旋流路中轉靜盤腔和共轉盤腔的結構外半徑相同，b= 150 mm，內半徑arr/b=0.533，ars/b=0. 667;預旋噴嘴、接受孔和冷氣出口元件各20個，3個元件的徑向位置分別為Rp=rp/b=0.867，Rb=rb/b=0.8，Rout=rout/b=0. 933;面積比為Ap∶Ab∶Ao=1∶4∶1，盤間距G1=G2=s1(2)/b=0.1。轉靜盤腔的內外圍屏靜止，預旋噴嘴安裝在靜盤上，預旋角為30°。

圖1 物理模型

2 數值方法

2.1 網格劃分、求解方法與邊界條件

針對圖1給出的模型，根據結構的周期性，以模型的1/20作為計算域，如圖2所示。采用非結構化四面體網格進行網格劃分，壁面附近用三棱柱網格進行加密，經過網格獨立性試驗后選定網格數在23萬左右進行計算。將轉靜腔分為兩部分:左側與預旋噴嘴相連，設置為靜止域;右側與接受孔、共轉腔等相連，設置為旋轉域。交界面采用冰凍轉子模型。所有壁面絕熱無滑移。進口為壓力進口，給定進口總壓和總溫，氣流垂直于進口面進入預旋噴嘴;出口邊界為壓力出口，給定出口靜壓。

圖2 計算模型和網格

求解器使用CFX商用軟件，對流項和湍流采用高分辨率格式，高雷諾數區域里湍流的模擬用標準k－ε模型，壁面低雷諾數區域附近采用scalable壁面函數。計算時監控出口相對總溫和流量，當各個方程殘差小于10－5，且出口相對總溫和流量值趨于平直，當迭代變化極小時，認為計算收斂。

2.2 算例驗證

選用文獻［11］提供的一種同類型的試驗結構和數據進行算例驗證。模型示意圖見圖3。進出口壓力和轉速等工況參數見表1。流量數據經試驗獲得，采用標準k－ε模型和RNG k－ε模型的計算結果和相對誤差見表2。

用于算例驗證的蓋板預旋結構計算模型的預旋噴嘴共36個預旋孔，孔徑為7.77 mm，徑向位置為236.5 mm，預旋角θ=30°;接受孔共48個，孔徑為13.71 mm，徑向位置為235.5 mm［11］。

圖3 驗證算例的模型

表1 算例驗證工況表

從表2可以看出:2種湍流模型計算結果相比，采用標準k－ε模型的計算結果更加接近試驗值。在轉速較低時，流路的流量計算值和試驗值的相對誤差較大，轉速大于3 000 r/min后誤差大幅減小達5%左右。考慮到航空發動機的實際轉速較高，因此采用本節所述方法造成的誤差能滿足研究的精度要求。

3 計算結果與分析

表2 計算值與試驗值的對比

3.1 氣動參數的影響

圖4是不同Cw下，旋轉雷諾數變化對預旋溫降和壓降性能的影響曲線?？梢钥闯?預旋溫降和總壓降隨旋轉雷諾數的增加而降低。在相同旋轉雷諾數下，無量綱流量越大，預旋溫降越大，總壓降也越大。這個規律和文獻［11］是一致的。

圖4 不同Cw下，旋轉雷諾數變化對預旋性能的影響曲線

圖5是接受孔附近的速度矢量圖?？梢钥闯?轉速變化時，接受孔的工作狀態包含氣流進入接受孔的攻角和速度，變化較大;Reω=2.592× 106時，氣流接近垂直進入接受孔，而后沖擊共轉盤腔的右側盤面;Reω=4.073×106時，進氣速度升高，角度較大，在接受孔內形成回流區，共轉腔內的流動由于入流變化也受到影響，最終沖刷右側盤面;Reω=5.554×106時，接受孔進口進氣速度較高，攻角大，回流區范圍擴展，下游共轉腔內流動受到明顯影響。

圖5 接受孔附近的速度矢量圖

3.2 接受孔面積的影響

本節研究蓋板預旋系統的接受孔面積對預旋性能的影響規律。通過數值計算得到給定條件下的預旋溫降、壓降和無量綱質量流量隨接受孔面積的變化曲線，對比物理場，分析接受孔面積對預旋性能的影響機制。計算工況和結構參數見表3，其他結構參數與第1節相同。

表3 計算工況和結構參數

圖6是預旋系統的接受孔面積變化對預旋流路性能的影響曲線?？梢钥闯?隨著接受孔面積的增加，預旋溫降逐漸增大，且隨著孔的增大溫降的增幅逐漸減小。接受孔從小到大地增加，整個流路的流阻減小，流量增大，接受孔面積增大到一定程度后對流路的流阻影響很小(見圖6(b))。流路的限流位置在預旋噴嘴處，流量繼續增加但增幅逐漸減小。圖6(c)中，整個流路的總壓降隨接受孔面積的增大先明顯下降而后緩慢增加。因此，接受孔在一定范圍內增大有利于提高預旋溫降，并降低總壓損失。

圖6 預旋性能隨接受孔面積變化的關系曲線

圖7是Xp=0.8時，不同面積的接受孔截面的矢量圖。在圖7(a)中，接受孔較小，流體進入共轉腔的周向分速度也較小。圖7(b)、(c)中，隨著接受孔逐漸增大，流體速度的周向分量也逐漸增加。可以看出:孔較小時，大部分流體進入接受孔后受壁面影響改變了流動方向;孔增大后，有部分流體未碰上壁面，直接穿過接受孔，小部分受壁面影響改變速度方向，因此周向速度增大;孔繼續增大時，接受孔壁面對流體的影響繼續減小，周向分速度繼續增加，但由于接受孔壁面阻礙流體周向運動的狀況未得到根本改善，因此周向分量增加的幅度不大。氣流周向速度增大使相對速度降低，進而降低了動溫和動壓，造成圖7中接受孔過大時溫降和總壓降的增大。

圖7 不同面積的接受孔截面矢量圖

3.3 接受孔徑向位置的影響

本節計算工況和接受孔的參數見表4。

表4 計算工況和結構參數表

圖8是預旋系統的接受孔的徑向位置對預旋性能的影響曲線。可以看出:對相同面積的接受孔，隨著徑向位置的增加，預旋溫降先增大后減小;對不同面積的接受孔，拐點位置不同(對Ab/Ap=9，由于結構尺寸的限制，計算范圍內未出現拐點)。接受孔較小時，流路的流量隨接受孔徑向位置的增加而降低;接受孔較大時，流路流量則先增大后減小。

圖8 預旋性能隨徑向位置變化的關系曲線

圖9是預旋系統內部的旋流比分布。可以看出:共轉腔內的旋流比隨著接受孔徑向位置的增加而逐漸增大，轉靜腔內旋流比逐漸降低，共轉腔內旋流比總是大于轉靜腔，說明冷氣在克服流阻流動的同時，旋轉壁面對冷氣輸入機械能，提高了周向動量。

圖9 不同Xb時，預旋系統內部的旋流比分布(Ab/Ap=9)

從流線圖(圖10)可以看出:改變接受孔的徑向位置對共轉腔內低于接受孔徑向位置以下的流場影響不大，主要區別為轉靜腔內流體進入接受孔時流線向高半徑處延伸?？紤]到這里預旋噴嘴的徑向位置Xp=0.867，冷氣出口的徑向位置Xo=0.933，旋轉系統中存在離心增壓作用，使盤腔內的壓力從低半徑向高半徑逐漸增大。因此，盤腔內的壓力梯度是進出口壓差形成的壓力梯度與離心增壓的疊加。當Xb=0.833時，冷氣從預旋噴嘴進入接受孔需從高半徑向低半徑流動，有一定的阻力，流量相對較低;而Xb=0.893和0.953時，冷氣從低半徑向高半徑流動，在徑向為順壓力梯度，流阻小流量大;但Xb=0.953時，在共轉腔內流體從高半徑向低半徑流動，阻力相對增加，降低了流量。因此，預旋溫降隨接受孔徑向位置的變化曲線中存在拐點。由于接受孔和預旋噴嘴的面積相比較大，從圖10可以看出:當Xb=0.893時，仍有部分預旋氣流可以直接進入接受孔，所以曲線上的拐點位置略滯后。

圖10 接受孔處于不同徑向位置時預旋系統內部流線圖

3.4 長細比的影響

本節計算工況和接受孔的參數見表5。

表5 計算工況和結構參數表

圖11是蓋板預旋系統預旋性能隨接受孔長細比變化的規律曲線?？梢钥闯?接受孔長細比增大，預旋溫降隨之增加，同時接受孔面積越大，預旋溫降受長細比變化的影響越小。從圖11還可以看出:對不同的接受孔面積，預旋溫降、總壓降和無量綱流量的變化幅度均隨著長細比的增大而降低。這是由于接受孔長細比的影響表現為孔壁面對流體做功，其效果的極限是將流體的周向速度提高到和孔的轉動線速度相同(即孔內流體繞發動機軸線做“剛體旋轉”)，而實際很難達到這種狀態，因此曲線的變化幅度逐漸減小并趨于平直。

圖11 預旋系統預旋性能隨接受孔長細比變化的規律曲線

流體流經接受孔時受到接受孔壁面做功的影響，增加長細比(相同面積時增大接受孔厚度)則增大了壁面對流體做功量，流體周向速度增大，下游共轉腔的旋流比增大。旋轉壁面對流體做功，補償了流體的流動損失，使整個流路的流阻降低，造成該條件下流經流路的流量增大。

圖12是接受孔截面的矢量圖(相對速度)?？梢钥闯?接受孔l/d=0.3時，接受孔出口處流體的相對速度在周向有較大的分量;隨著接受孔長度的增加，出口處氣流相對速度的周向分量減小，速度矢量方向逐漸穩定。這也意味著下游共轉腔內旋流比隨長細比增大而增加，最終趨向穩定，如圖13所示。

圖12 不同厚度的接受孔截面的矢量圖

圖13 接受孔長度不同的預旋系統內旋流比分布(Ab/Ap=0.3)

從圖5、7、10、12可以看出:氣流流經接受孔時流動狀態被改變，孔壁面通過與氣流發生能量交換改變了氣流的流動狀態，進而實現對預旋溫降的影響。不同幾何參數的接受孔對氣流影響不同，設計時可根據需要確定接受孔尺寸。

4 結論

1)在本文研究范圍內，蓋板預旋系統的預旋溫降和總壓降隨旋轉雷諾數增加而降低。在相同旋轉雷諾數下，無量綱流量越大，預旋溫降越大，總壓降也越大。

2)在一定范圍內增大接受孔的面積有利于提高預旋溫降并降低總壓損失。

3)對相同面積的接受孔，隨著徑向位置的增加，預旋溫降先增大后減小，接受孔徑影響溫降曲線上拐點的位置。

4)接受孔長細比增大，預旋溫降隨之增加，同時接受孔面積越大，預旋溫降受長細比的影響越小。

5)氣流流經接受孔時，流動狀態被改變，孔壁面通過與氣流發生能量交換實現對預旋溫降的影響。不同幾何參數的接受孔對氣流影響不同，設計時可根據需要確定接受孔尺寸。

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［11］朱曉華.帶蓋板的預旋系統數值研究［D］.西安:西北工業大學，2010.

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(責任編輯 劉舸)

Influences of Receiver Hole on Temperature Reduction
Characteristic of Pre-swirl System

ZHANG Jian－chao1，2，WANG Suo－fang1，2，WANG Chun－feng1，2，3，XU Hao1，2，MA Li1，2
(1.Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems，Nanjing 210016，China;
2.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China;
3.Jiang Ling Motors Co.Ltd，Nanchang 330001，China)

Cover－plate pre－swirl system was simplified，and numerical method was valid.In adiabatic condition，numerical simulation was carried out on cover－plate pre－swirl system，influence of structure parameter of receiver holes，which are settled in cover－plate，including area，radial location and length－radius ratio，versus pre－swirl temperature reduction were achieved.The computational results show that:under the certain condition of the study，temperature reduction and flow loss are decreasedwhen the rotational Reynolds number goes up，with same rotational Reynolds number，temperature reduction and flow loss raise when non－dimensional flow rate goes up.Increasing receiver hole area in a certain range is able to improve temperature reduction and lower total pressure loss.With radial location goes larger，temperature reduction increases and then decreases，the yielding point was affected by receiver hole area.Temperature reduction increases with Length－radius ratio rises，the larger area receiver hole is，the less effect on temperature reduction the length－radius ratio has.Receiver hole influences temperature reduction through energy exchange with cooling air.

receiver hole;pre－swirl;temperature reduction;cover－plate

V231.2

A

1674－8425(2014)03－0050－08

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.010

2013－12－11

張建超(1984—)，男，河南漯河人，博士研究生，主要從事發動機內部流動與冷卻方向的研究。

張建超，王鎖芳，王春鳳，等.接受孔對預旋系統溫降特性的影響［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014 (3):50－57.

format:ZHANG Jian－chao，WANG Suo－fang，WANG Chun－feng，et al.Influences of Receiver Hole on Temperature Reduction Characteristic of Pre－swirl System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):50－57.