某三級軸流渦輪及排氣裝置一體化流場數值仿真研究?

李 昂 張宇坤 張 赟

（海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

某型渦輪用以帶動壓氣機、螺旋槳及附件工作，是航空發動機核心組成部件，排氣裝置由于支板的存在，對尾流具有一定程度的影響作用，二者性能的提升與改進對發動機有著非常重要的現實意義［1］。然而渦輪惡劣的工作環境往往導致常規性能測試實驗難度較高，相較之下，發動機部件數值模擬技術［2～5］成為一種可能。通過現有CFD技術進行渦輪及排氣裝置內流場仿真計算分析，可以獲取豐富的一體化流場參數及工作特性，進而分析渦輪速度場、溫度場及壓力場分布狀況，為進一步研究渦輪各項性能奠定基礎。此外由于排氣裝置對尾流的影響作用，進行排氣裝置流場計算亦有必要［6～9］。

本文通過CFD仿真技術，對某型渦輪及排氣裝置進行一體化流場數值仿真計算，實現穩態流場仿真模擬過程，并對結果進行分析，獲取真實準確的一體化流場參數，為渦輪研制及改型工作提供參考借鑒。

2 一體化流場計算模型

計算模型的精確程度對流場分析具有十分明顯的影響效果。通過相關參數化建模方法及網格劃分，形成高精度三維流場計算模型，是流場計算前處理工作中的重要環節。

2.1 計算模型構建

以工藝圖紙及UG模型為基礎，獲取建立模型所需要的渦輪各級葉片葉型曲線及內外機匣數據參數，建立線型模型，進而進行計算域網格劃分。

排氣裝置焊有五個類似渦輪葉片的空心翼型支板，故采用與渦輪相同的葉輪機械建模流程。

針對渦輪各級工作葉片加裝輪轂及封嚴裝置，可以有效減少潛流損失及漏氣損失，提高渦輪效率。為保證計算精度并簡化建模過程，以輪轂上端面及封嚴環下端面型線作為流場壁面型線。

首先通過工程圖確定該型渦輪各零部件尺寸參數、相對位置、各級工作/整流葉片葉型型線數據，以及排氣裝置支板及內外壁面參數。通過Gambit軟件完成各級葉片及支板型線的反設計及重構，如圖1所示。

為滿足后續統一的葉輪機械網格劃分要求，以Gambit得到的初步模型為基礎，并以渦輪各個葉高的型線為輸入，利用BladeGen交互式渦輪機械葉片設計工具，加以人工輔助識別，反設計各級葉片及其計算區域，生成前處理軟件可以識別的葉型及流面數據，進而擬合出用于網格劃分的葉型文件。

排氣裝置支板物理構型類似于渦輪靜子葉片，因此排氣裝置的建模過程也利用了以上葉型轉化技術。

結果顯示，該型渦槳發動機渦輪為典型反力式渦輪，級數多于大多數常規渦輪，流動組織略為復雜。各級輪盤葉片大致相同，三級葉片形成的氣流通道由前向后逐級變大，葉柵通道呈收斂狀。排氣裝置由排氣段及尾錐體兩部分構成，氣流通道逐漸擴張。

2.2 網格劃分

利用TurboGrid直接讀入BladeGen軟件提供的各級葉片幾何型線文件并進行相應計算區域網格的生成。首先對區域進行拓撲分塊，根據葉片形狀和使用要求生成不同的拓撲結構；進而沿葉高生成混合格式高質量網格。為提高計算效率，網格數量控制在80萬左右。

2.3 求解方法

1）求解器的選擇

該型渦輪及排氣裝置一體化流場計算采用CFX求解器，同時采用定比熱完全氣體作為計算工質的理論模型，在計算過程中不計化學反應及組分輸運。三維時均N-S方程組［10～11］為

標準k-ω模型考慮低雷諾數、可壓縮性和剪切流傳播，是基于湍流能量方程和擴散速率方程的經驗模型。

湍流模型［12］為

其中Gk為由層流速度梯度產生的湍流動能，Гk和Гω表明k和ω的擴散率。

2）設置邊界條件

渦輪流場仿真分析以旋轉葉輪部件流場計算為主，依據CFX提供的非相容計算域網格交界面處理技術，將渦輪動靜區域交接面設置為混合平面，進而進行穩態流場計算。相鄰區域流場數據在動、靜區域交界面作周向加權平均，并作為邊界條件進行傳遞，同時通過混合消除流域通道之間由于周向變化而導致的不穩定（如尾流、激波、分流等），保證計算的穩定性，求得穩態解，并滿足計算精度及前后處理工作需求。

另一方面，混合平面法利用渦輪周期性邊界，僅計算一個葉排通道即可得出流場計算結果，大幅縮減計算量，提高計算效率。

機匣及輪轂均設置為壁面，且假設葉片及輪轂壁面絕熱且無滑移現象，輪轂及葉片壁面共同轉動，機匣壁面及余下部分設置為靜止。

3 計算結果及分析

3.1 渦輪特性參數

渦輪不同工作狀態的改變主要由以下幾項參數引起：渦輪轉速n、渦輪前燃氣總溫T3*、總壓P3*及渦輪后反壓P4。通過給定不同的參數初始值，可計算該型渦輪不同工作狀態下的流場參數。

依據發動機起飛工況參數設置渦輪轉速n為額定轉速，渦輪前燃氣總溫T3*為設計值，渦輪落壓比=7.3，氣體常數=1.3。

計算結果顯示，起飛工作狀態下渦輪總絕熱效率為93.15%，相較于臺架測試效率高出2%左右，建模過程中對渦輪輪轂及封嚴裝置的簡化導致渦輪特性有所提高，效率增大；出口總溫為824.587K，未超過該型渦槳發動機起飛工作狀態下渦輪后最大允許溫度893K；經計算，渦輪入口燃氣流量為20.17kg/s，較符合發動機臺架試車設計狀態燃氣流量參數。

數據表明，計算結果符合發動機設計狀態下渦輪工作特性，具有較高精度，滿足性能分析需求。

3.2 工作流場分析

對發動機起飛狀態下渦輪流場進行分析，為下一步的改進設計提供參考基礎。

圖5中渦輪基元級流場溫度及壓力變化趨勢合理，順流動方向壓力逐級降低，燃氣順壓流動，葉背靜壓低于葉盆靜壓。溫度逐級降低，經排氣裝置后溫度下降至800K以下。

結果表明，該渦輪為亞音速渦輪，渦輪處于亞臨界工作狀態，二級導流葉片葉背后緣最先接近擁塞。該型發動機為常規等轉速調節發動機，不同于常規渦輪，該燃氣渦輪二級葉輪接近擁塞，從而允許渦輪前燃氣總壓進一步提高，進而避免當壓氣機壓比升高時，因一級葉輪進入阻塞狀態而導致發動機不穩定工作狀態。

3.3 流動特性分析

渦輪50%葉高處葉片前緣小圓半徑較大，渦輪葉柵對氣流攻角的敏感性較低，能夠避免較大的攻角變化范圍使葉型損失急劇增長。

另一方面，燃氣在渦輪葉柵流動過程中，由于粘性作用，沿葉背及葉盆生成附面層，進而在尾緣處產生尾流，葉柵后尾流與主流的摻混，產生一定的尾跡損失。同時該型渦輪通過加裝輪轂及封嚴裝置，能夠有效避免因葉頂漏氣造成的潛流損失及漏氣損失。

通過增大渦輪壓比及渦輪前溫度可以提升發動機輸出功率，但同時會對渦輪的工作造成一定影響?？梢钥闯?，三級工作葉片氣流出口角度較于氣動設計值有一定程度的偏離，并非沿軸向流出渦輪，同時燃氣以一定的偏折角度通過排氣裝置排出時，于支板處形成漩渦，產生流動損失。

4 結語

本文針對某型渦輪及排氣裝置建立主體幾何模型并進行三維流場仿真計算，通過對結果進行分析得出以下結論：

1）本文所建立的渦輪及排氣裝置一體化流場計算模型能夠較好模擬出該型渦輪設計工作狀態下壓力、溫度、速度流場分布情況，計算結果直觀反映出渦輪工作狀態，為進一步進行渦輪性能分析提供數據參考。

2）發動機起飛工況下渦輪處于亞臨界工作狀態，渦輪特性參數基本合理，可以滿足前端部件軸功率需求。

3）燃氣流動過程中存在一定的尾跡損失，同時軸向出口角度偏差對渦輪工作效率具有一定程度的影響。優良的渦輪往往通過合理的葉型設計保證出口氣流沿軸向排出，適當調整葉片末端扭曲程度，對渦輪有一定的改善作用。