減渦器流阻特性計算分析

吳麗軍，陳 瀟，鄧雙國，劉玉芳

（中航商用航空發動機有限責任公司，上海 201108）

減渦器流阻特性計算分析

吳麗軍，陳 瀟，鄧雙國，劉玉芳

（中航商用航空發動機有限責任公司，上海 201108）

民用航空發動機雙級高壓渦輪二級葉片冷卻用氣通常引自高壓壓氣機中間級，某些成熟發動機如GE90渦輪二級轉子葉片的供氣系統流路中，使用了減渦器結構以降低壓力損失。本文介紹壓氣機盤腔管式減渦器引氣系統，包括減渦器原理、減渦器結構等，重點分析了不同管長、不同引氣鼓筒孔以及不同進口周向速度下氣流的流動特性，并將三維分析結果與一維分析結果進行對比。通過分析得到，減渦管在一定管長下，流動損失最小。鼓筒孔形狀、主流參數對最佳管長均存在影響。

空氣系統；減渦器；最佳管長

隨著航空發動機技術的不斷發展，渦輪前溫度不斷提高，對高壓渦輪葉片冷卻提出了更高的要求。冷卻氣體通常是從壓氣機的適當位置抽取空氣，通過發動機主流道的內側或外側各種流動結構元件（孔，管路，封嚴環和特定結構形成的通道等）引致渦輪段，完成葉片冷卻、轉子靜子段輪緣封嚴等功能。

由于空氣系統從主流道引氣，被引走氣流不參與發動機做功，對于耗油率有重要影響。目前主流發動機中，10%～30%的高壓壓氣機主流氣流被引去完成冷卻、封嚴等功能，因此，合理地安排引氣位置，提高引氣利用率在發動機設計中十分重要。

發動機壽命很大程度上取決于熱端旋轉部件的冷卻效果，因此希望空氣系統引氣溫度盡可能低；而壓氣機又希望空氣系統引氣壓力盡可能低，以保證壓氣機效率。因此，盡可能減小空氣系統沿程壓降是渦輪葉片冷卻供氣流路的關鍵。

本文研究的是從高壓壓氣機主流道內側引氣，氣流經壓氣機盤腔徑向內流，再經過高壓壓氣機盤與軸之間形成通道，進入高壓渦輪盤腔，再進入二級動葉冷卻葉片，對葉片進行冷卻。如圖1所示。

氣流從壓氣機主流道引入壓氣機盤腔中，存在較強的預旋，若任其在壓氣機盤腔中以自由渦形式發展，則氣流在旋轉盤腔的帶動下，預旋會得到極大的發展，最終導致極大的壓降。這在空氣系統引氣中是不希望發生的。

為減小氣流在壓氣機盤腔中壓力損失，可通過減渦器結構減小氣流預旋，如管式減渦器、孔式減渦器等。

1 減渦器原理及形式介紹

氣流從主流通道引入壓氣機盤腔，徑向內流的氣體主要受到慣性力、離心力和哥氏力作用，氣流在漸縮通道內向心的徑向速度會逐漸變大，若不加以控制，則氣流以自由渦形式發展，產生很大的預旋，導致其靜壓有很大的下降，對于空氣系統引氣極為不利。為滿足葉片進口冷氣壓力的要求，必須提高引氣壓力，引氣位置將更靠后；如果在盤腔內設置減渦器，迫使氣流在特定的流路中徑向流動，可大大地減少壓降，特別是管式減渦器，它使氣流的旋轉比在管內保持為1。在保證葉片進口同等壓力條件下，引氣位置可以前移，引氣溫度也隨之降低。

1.1 減渦器結構介紹

減渦器裝置在國外發動機內應用比較廣泛，如PW4000、GE90系列等。同時，減渦器結構也各不相同。減渦器結構有管式減渦器和無管減渦器。為防止氣流以自由渦形式發展導致較大壓降，較為通用的方法則為添加徑向管，使氣流沿旋轉管徑向內流，能有效減小壓降。添加旋轉管后，在保證管內流動沒有達到音速時，氣流損失主要為氣流進出管時產生，圖2（b）為管式減渦器。

另一種則稱為無管減渦器，如圖2（a），與在壓氣機盤腔中設置旋轉管不同，在盤腔適當位置設置預旋噴嘴，預旋噴嘴的角度設置為與壓氣機盤旋轉方向相反，以此來抑制強自由渦的形成。

管式減渦器和無管減渦器結構各不相同，如圖3所示。在圖3（a）VR1中，減渦管固定在定位環上。通過定位環將壓氣機盤腔分為兩個腔室，以遏制強自由渦的形成。在圖3（b）VR2中，通過兩個定位環將減渦管進行固定，以此將壓氣機盤腔分割為3個腔。中間腔室消除渦流，能有效地減小漩渦產生，但由此帶來重量的增加。與長減渦管不同，將減渦管分為兩段，兩個定位環分別固定小段如圖3（c）VR3所示，但該類結構在中間腔室會產生強自由渦。圖3（d）則為無管減渦器，在上下兩個固定環上設定徑向傾斜噴嘴引導流動，減小漩渦產生，該結構能消除由于管帶來的震動以及安裝問題。其效果與圖3（c）VR3相似。

1.2 國內外研究現狀

Negulescu等［1］對安裝反旋孔式減渦器（圖4（a））和管式減渦器（圖4（b））旋轉腔的壓力損失特性展開了試驗和數值研究。研究表明，管式減渦器容易理解和設計，但會出現增重和安裝問題。非管式減渦器易于安裝，但流動特性復雜，壓差隨流量成“S”型曲線分布，并且會出現流動滯后現象，造成渦輪盤腔內短暫的溫度超高現象。

Peitsch等［2］（2002）對安裝管式減渦器的旋轉腔開展數值研究。計算中選用適用于速度較小流動的基于壓力求解器，結果表明，鼓筒孔進口的小腔產生第一次壓力損失，從主流到減渦管進口前的壓力損失明顯，進口處減渦管對流體做功，進口段總溫、總壓劇烈增加，沿管長逐漸降低，出口后氣流壓力損失較大，應避免氣流垂直沖擊低壓軸，增加偏流裝置。氣流射向軸心產生的渦明顯大于射向低壓軸，計算和試驗中均應保留低壓軸。采用CFD商業軟件和一維空氣系統流動網絡計算程序得到的壓差和流量的變化曲線具有較好的一致性。

Gunther等［3］（2008）試驗研究了四種形式的減渦器的壓力損失特性（圖3）。研究表明，自由腔內的旋轉核心誘發大范圍的渦，造成較高的壓力損失，同時限制了旋轉腔的通流能力。四種結構流動特性相似，能夠有效阻止渦的產生，進而降低旋轉腔內的壓力損失。

Dleter［4］對管式減渦器以及Xiao-qin Du［5］對翅片式減渦器通過數值模擬的方法，均得到該結構能有效地減少壓降。

綜上所述，國外針對徑向內流旋轉腔的流動特性和減阻特性進行了大量的理論、試驗和數值研究，許多成果已經運用于現役發動機上。但國內對于徑向內流旋轉腔的流動特性研究較少，對反旋孔的減阻特性研究也僅限于數值研究。由于反旋孔的S型曲線特性，對管式減渦器開展試驗和數值研究將有助于定量理解其減阻特性，為先進引氣系統的設計提供設計思路，指導工程應用。

1.3 減渦器原理分析

若氣流從壓氣機鼓筒孔直接引入壓氣機盤腔中，氣流在盤腔中以自由渦發展，氣流旋轉比與徑向半徑符合：

即氣流旋轉比與旋轉半徑平方成反比。其中：β為氣流旋轉比；β1為氣流入口旋轉比；r為旋轉半徑；r1為氣流入口半徑。

氣流在盤腔中壓力計算公式有：

其中：P為氣流靜壓；r為旋轉半徑；ρ為氣流密度；Vφ為氣流周向速度。

理想氣體狀態方程有：

因此有：

對方程（4）從減渦管入口至減渦管出口積分得：

其中：P1為氣流進口靜壓；P2為氣流出口靜壓；w為旋轉角速度；β1為氣流入口旋轉比；r1為氣流入口半徑；r2為氣流出口半徑；T為氣流溫度；R為氣體常數。

根據方程（5）可知，隨著出口半徑r2減小，出口壓力P2減小。

若在旋轉盤腔中添加減渦器相關結構，氣流在減渦器內以強制渦形式發展，即旋轉比保持為1。則有：

根據方程（3）及（6）有：

對方程（7）從減渦管入口至減渦管出口積分得：

根據方程（5）和方程（8）可知，當

則減渦器能提升出口壓力，達到減小壓降效果。

由于出口半徑r2小于入口半徑r1，根據方程（9）可知，只要氣流入口旋轉比β1大于r2／r1，則減渦器能有效地降低壓力損失，即提高出口壓力。通過方程（9）可以看出，氣流旋轉比對減渦管管長、安裝位置等起到重要約束作用。

2 計算分析

本文對管式減渦器進行三維計算分析，主要研究氣流流經減渦器后其壓力變化情況，并對此進行優化。減渦管為下端固定結構，固定環位于盤腔下端，氣流在導葉根部通過動靜葉縫進入葉片根部腔中，經壓氣機鼓筒上鼓筒孔進入盤腔中，再經減渦管引至空氣導管與盤腔的環形通道。將結構進行一定簡化后通過UG建立三維模型。計算模型為扇形區域，模型中含有一根減渦管。如圖5所示。

在含有旋轉件的流場計算中，計算域的設置對于模型收斂以及計算結果有重要影響。在減渦器流場計算中，主流道設置為靜止域，求解的是絕對坐標系微分方程，從鼓筒孔進口起為旋轉域，求解的是相對坐標系微分方程。在轉靜交界面設定為Frozen Rotor。

高溫起飛工況是發動機經常工作的嚴峻工況，是空氣系統設計點。因此本文對減渦器工作于高溫起飛工況下進行計算。

主流進口給定流量邊界條件；主流出口給定壓力邊界條件；引氣出口給定流量邊界條件（以一維設計計算值為基礎）。本計算基于CFX，能量方程設定為Total Energy；計算模型為SST。

在減渦管設計中，需要考慮的主要因素有：

（1）減渦管管長、管徑、管數；

（2）鼓筒孔開孔面積、方式、位置。

（3）來流氣體旋轉。

本文重點對減渦管管長、鼓筒孔開孔形式、來流氣流周向速度等進行分析。

2.1 減渦管管長分析

管式減渦器的管長是設計中十分重要的參數，無管段壓氣機盤腔氣流以自由渦形式發展，管內氣流以強制渦形式發展。管長對引氣出口壓力產生重要影響。通過對不同管長進行計算，監測引氣出口壓力并分析流場，確定適當的長度。本節以鼓筒半徑為基準，管長與鼓筒半徑之比為減渦管無量綱管長L。分別對無量綱管長L為0.45、0.35、0.3、0.25、0.15、0.05進行計算。計算得到了r-z平面內的結果云圖，圖6示出了0.45、0.35管長的結果。

由圖6看出，盤腔內存在復雜的渦系，其結構隨管長變化很大。當管長為0.45時，氣體進入盤腔后向下流動深入至管口以下位置，然后轉折向上進入管口，其管口位于相對速度較大位置處，管口附近較大區域存在氣流的不均勻性，說明流動損失較大。管長為0.35時，氣體進入管口比較流暢，管內氣流不均勻程度有明顯改善，此時流阻相對較小。

在主流進口給定流量、主流出口給定壓力及引氣出口給定流量的邊界下，通過改變減渦管管長，得到了管出口與進口壓力的比值隨管長的變化，結果如圖7所示，橫坐標L為無量綱管長。

結果表明，管長為0.35時，出口靜壓最高。管長在0.25～0.35范圍內，出口保持較高靜壓，且變化很小。管長小于0.25后，出口靜壓迅速下降，管長0.15和0.05的出口靜壓比0.25時的值分別減小約7.4%和19.3%。管長大于0.35后，出口靜壓有所降低，但變化較為平緩。

2.2 鼓筒孔形狀分析

氣流通過鼓筒孔時由靜止坐標系轉化為旋轉坐標系，根據2.1節計算結果分析，通過鼓筒孔時壓力損失較大，2.1節計算是基于鼓筒孔為圓形時得到，為增大鼓筒開孔面積，設置為圓孔時軸向距離占據較大，結構上實現有一定難度，長圓形孔更易實現。本節將著重分析氣流經長圓形孔的流動情況。

在保證開孔面積相同條件下，圓孔改為周向長圓形孔，如圖8所示。

同樣對長度L為0.45、0.35、0.3、0.25、0.15、0.05進行計算，得到如圖9所示的結果云圖。

從圖9可以看出，管長為0.35的氣流流動狀況優于0.45的狀況。

圖10給出了鼓筒開孔為周向長圓形孔的狀況下進出口壓比隨管長的變化，并與圓形孔結果進行了對比，橫坐標L為無量綱管長。

結果表明，鼓筒孔為長圓形孔且在L小于0.45時氣流經減渦管的壓損小于圓形孔狀況，即在相同流通面積情況下長圓形孔優于圓形孔。并可以發現，鼓筒孔為長圓形孔時最佳管長為0.25。

長圓孔型能降低流阻的原因是：進入盤腔的來流具有周向分速，上述孔型可以增大有效流通面積，減小流動阻力。

2.3 來流氣流周向速度分析

在進口無預旋開孔為圓形孔時，管長為0.3時最優；在進口無預旋開孔為長圓形孔時，管長為0.25時最優。在實際發動機引氣中，通過高壓壓氣機導葉后引氣，氣流有一定的周向速度。本節以某型發動機引氣位置S2流面參數為基準，其進口周向速度與軸向速度比為0.25，對不同管長進行計算分析。計算分析結果如圖11所示。

由圖11可知，在進口有周向速度時，管長小于0.4的出口靜壓均小于無周向速度情況。而最佳管長為0.3。由前文理論分析可以進行解釋，即隨著進口旋轉比的增加，最佳管長則變長。

因此以0.3作為進口周向軸向速度比為0.25時最佳管長。

2.4 進口旋轉比對氣流溫度影響

在實際流動中，進口流動周向速度可能并不穩定，本節對不同氣流周向速度進行研究。選定管長為0.3，鼓筒上設置長圓形孔，分析進口氣流周向和軸向速度比Vφ／VZ為0.15、0.25和0.4的狀況。圖12和圖13分別給出了Vφ／VZ為0.15和0.4的壓力和溫度計算云圖，表1為3個不同周向速度的計算結果。

其中，T*w為相對總溫；T*為絕對總溫；u為轉子周向速度，Vφ為氣流周向速度。

可見，當Vφ小于u的1／2時，氣流由絕對坐標系轉化至相對坐標系，相對總溫相比絕對總溫會提高。且隨著氣流周向速度的增加，相對總溫會有所減小。因此可以得到，隨著進口周向速度的增加（該周向速度使得鼓筒孔進口的周向速度小于0.5u），氣流通過鼓筒孔后相對總溫有所下降。

減渦管及盤腔中根據能量方程有：

由表1可知，隨著進口周向速度的增加，引氣出口靜壓有所下降，同時引氣出口相對總溫下降。

（1）出口相對總溫變化

隨著進口旋轉速度的增加，在進入旋轉盤腔中旋轉比有所增加，因此從絕對溫度換算為相對溫度時，有：

因此在盤腔和減渦管中氣流相對總溫降是一定的，可得到：隨著進口周向速度的增加（該周向速度使得鼓筒孔進口的周向速度小于0.5u），減渦管出口溫度逐漸減小。

（2）出口靜壓變化

隨著進口周向速度的增加，在固定管長下出口靜壓逐漸減小。這可能是由于在沒有周向速度時，最佳管長為0.3。隨著周向速度的增加，最佳管長應該增加。因此在管長恒為0.3時，隨著周向速度增加，離最佳管長越大，導致壓降更大，出口靜壓減小。

2.5 一維計算分析對比

圖14為一維計算與三維計算的對比，其縱坐標為出口靜壓與主流道進口總壓之比。可知，相同管長時一維計算的壓比高于三維計算，這說明一維計算的流阻小于三維計算。其中三維計算包括長圓形孔以及圓形孔。可以看出，圓形孔損失比長圓形孔損失更大，且有周向速度時，其損失略大于無周向速度。最佳管長在各個工況計算下，處于0.25～0.35范圍內。

3 結論

本文對減渦器的特性分別用CFX完成三維計算和用Flownet完成一維計算，計算中用到的主流通道參數來自發動機高溫起飛狀態S2流面計算結果，根據以上計算結果可得如下結論：

1）通過理論分析與CFX計算發現，減渦管存在最佳管長。對無量綱管長為0.05、0.15、0.25、0.3、0.35以及0.45和CFX計算得到最佳管長處于0.25～0.35之間，此管長范圍內使減渦器出口靜壓最高。

2）通過對比兩種鼓筒孔（即同等面積的圓形孔和長圓形孔）計算結果可以得到：鼓筒上設置周向長圓形孔比圓形的流動損失更小。

3）Flownet計算結果可以看出，存在最佳管長。通過理論分析得到，在入口旋轉比為0.4時，最佳管長為0.25～0.3，此時出口壓力最高，通過的流量最大。

在三維計算分析中，提出很多需進一步分析結果：

1）鼓筒孔為長圓形孔時，氣流在進口無周向速度時，管長為0.25；有周向速度時，其最佳管長為0.3。最佳管長與氣流進口周向速度密不可分。

2）鼓筒開孔面積越大，氣流通過孔的損失越小；但通過初步分析結果可以推斷，鼓筒孔面積開至一定大小后，損失將不發生變化，在后期可對此進行進一步研究，同時鼓筒孔面積需考慮結構強度。

［1］ Negulescu，D.，Pfitzner M.：Secondary Air Systems in Aeroengines employing vortex reducers.ASME 2001-GT-0198，2001.

［2］ Peitsch，D.Stein，M.，Hein，St.Niehuis，R.，Reinm？ller，U.：Numerical Investigation of Vortex Reducer Flows in the High Pressure Compressor of Modern Aeroengines.ASME 2002-GT-30674，2002.

［3］ AndréGünther，Wieland Uffrecht，Erwin Kaiser，Stefan Odenbach.Experimental analysis of varied vortex reducer configurations for the internalair system of jet engine gas turbines.ASME GT2008-50738.

［4］ Dleter Peltsch，Relnhard Nlehuls：Numerical Investigation of Vortex reducer Flows in the High Compressor of Modern Aeroengine. ASME TURBO EXPO 2002.2002-GT-30674.

［5］ Xiao-qin Du，Hui-ren Zhu，Zong-wei Zhang：Numerical Study on Varied Vortex Reducer Configuartions for the Flow Path Optimization in Compressor Cavities.Proceedings of ASME Turbo Expo 2011.GT2011-45975.

Flow Resistance Characteristics of Vortex Reducer Com putation and Analysis

WU Li-jun，CHEN Xiao，DENG Shuang-guo，LIU Yu-fang
（Avic commercial aircraft engine Co.，Ltd.，Shanghai201108，China）

Turbine blade cooling air of aero-engine is bleed from high pressure compressor，which flow into blade through core engine inside.Vortex Reducer bleed system is introduced in this paper，which contain theory of vortex Reducer and structure of vortex reducer.The flow characteristic in Different length of tubes，bleed holes and tangential velocity is analyzed emphasis.The results of3D and 1D are compared in this paper.As a result，flow loss isminimum in optimal tube length of vortex reducer.The optimal tube length is different in different hole form and mainstream parameter.

air system；vortex reducer；optimal tube length

TK472

A

1009-2889（2014）03-0037-07

2013-11-26改稿日期：2014-01-06

吳麗軍（1987-），男，工學碩士，主要工作內容為航空發動機空氣系統設計研究，E-mail：wulijunacae＠163.com。