渦軸發動機側向排氣裝置設計及仿真分析

曾強　葛嚴　王勛　李慈應

摘 要：按照某型后輸出軸渦軸發動機的要求設計三種不同方案的排氣裝置，并對三個方案在不同狀態下的流場特性進行數值仿真及對比分析，對比分析結果表明側向排氣裝置出口存在較大的低速回流區，出口截面面積是影響排氣裝置入口總壓的主要因素，減小排氣裝置擴壓段當量擴壓角，可減少擴壓段壁面氣流分離，進而減小進出口總壓損失。

關鍵詞：渦軸發動機；排氣裝置；數值仿真

中圖分類號：V275 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0070-03

根據渦軸發動機輸出方式的不同，排氣裝置設計的形式差別較大，前輸出軸渦軸發動機的排氣裝置設計較為簡單，主要為軸對稱擴壓圓筒狀；后輸出軸渦軸發動機形式多樣，結構比較復雜，排氣裝置設計的設計難度較大。張堃元等[2]研究人員對某型渦軸發動機分叉排氣裝置進行了性能試驗研究，研究結果表明分叉排氣裝置內大分離區對排氣裝置性能存在較大影響，由于排氣裝置出口存在回流區導致出口截面參數測量及總壓恢復系數計算存在誤差，分叉排氣裝置總壓損失較大。張迺光對PT6系列發動機帶渦流環的排氣裝置性能進行了水流和冷吹風試驗研究，對比分析了“正置”和“偏置”兩種排氣裝置出口形式的總壓恢復性能，對排氣裝置擴壓段設計和渦流環設計進行了深入研究。Daniel Hanus和Tomas Censky開發了一種通過組織三維流管走向進行渦軸/渦槳進排氣通道設計的創新設計方法，并基于該方法對多型發動機進、排氣裝置流道方案進行改進設計。

對于后輸出軸渦軸發動機，由于輸出軸要從排氣裝置中通過，導致排氣裝置內的流道型面很不規則，從而使得氣流在其中的流動成為復雜的三維流動。[1]目前，對該類排氣裝置內的流場三維仿真研究較少，主要依靠試驗方法來獲得該類排氣裝置的流動特性。為減少在該類排氣裝置中的流動損失，設計時應盡可能降低拐彎處的流動速度，根據PT6系列發動機的研究經驗，單一的擴壓減速型側向排氣裝置容易增加流動損失，采用先擴壓后收斂的流路型面，可實現良好的總壓恢復效果。

1 設計要求和思路

1.1 設計要求

本文研究的排氣裝置由于受到減速器等結構布局的空間限制（見圖1），要求設計方案盡可能縮短軸向長度，減小發動機、主輔安裝節之間的距離，保證發動機支撐剛性；同時為避免排氣裝置熱輻射對減速器機匣及中間承力機匣產生不利影響，需盡量增加排氣裝置與減速器和承力機匣之間的距離；排氣出口為單側排氣，出口方向與發動機軸向呈90°。

1.2 設計思路

根據設計要求，本文所述排氣裝置由擴壓段、拐彎段、出口段組成，動力渦輪轉子出口至排氣裝置安裝邊與排氣裝置拐彎前流道作為排氣段擴壓段，為獲得良好的擴壓段流場，避免壁面流場分離，進行擴壓段設計時，應選取合適的當量擴壓角。當量擴壓角過大容易造成氣流分離，當量擴壓角過小擴壓段長度太長。根據渦輪出口流場特性，在保證壁面流場不產生分離的情況下，盡可能增大當量擴壓角。采用等壓力梯度法設計的擴壓段型面。

2 數值仿真方法及校核

本文采用三維數值仿真技術對排氣裝置氣動性能進行研究，由于排氣裝置出口與大氣環境存在引射及回流，計算模型需增加環境遠場，采用ANSYS ICEM軟件對排氣裝置計算模型進行網格劃分。如圖2所示，對排氣裝置計算模型進行六面體結構網格劃分，對流道壁面及排氣進、出口區域進行加密處理，計算網格量約800萬。計算采用有限體積中心差分格式對N-S方程進行求解，湍流模型為標準κ-ε模型。由于動力渦輪出口氣流存在方向角，且沿徑向高度變化，故采用UDF方式給定入口邊界氣流方向角分布，以遠場邊界作為壓力出口邊界。

如圖3所示，對某型渦軸發動機排氣裝置初始方案按照整機試驗匹配的入口總壓、總溫參數作為入口邊界條件進行數值仿真計算，并將計算結果進行對比，由于出口截面存在回流等因素引起的壓力波動導致試驗結果曲線存在波動，兩者進出口總壓損失系數隨流量狀態變化趨勢一致，模擬計算結果可作為排氣裝置方案設計及對比的參考依據。

3 方案設計結果及分析

3.1 方案設計

如圖4所示，根據發動機要求及排氣裝置設計思路，方案1作為初始設計方案，在此基礎上，為減小排氣裝置長徑比，達到縮短排氣裝置軸向長度的目的，通過調整擴壓段當量擴壓角、拐彎處流道型面、出口面積及出口截面形狀等措施得到方案2和方案3。如圖5所示，減小排氣裝置軸向長度后，相比方案1，方案2和方案3出口截面軸向長度分別減小了10.5%和7.6%，出口截面至軸心的高度均降低了12.8%，其中方案2出口截面面積減小了16%，方案3增大了6.7%。

如圖6所示，方案2和方案3拐彎前擴壓段的當量擴壓角由初始方案的50°分別調整為37°和36°，同時渦輪支撐機匣支板也相應前移。方案2比方案1寬度尺寸小，拐彎處寬度與出口處基本相當，方案3寬度尺寸比方案1尺寸大，且在拐彎處局部往外突出。

3.2 數值仿真分析

在相同設計流量狀態下，對三個方案進行數值仿真計算，排氣裝置模擬計算結果見表1。盡管方案2與方案3軸向長度基本一致，擴壓段長度及當量擴壓角相當，由于方案2出口截面積比方案1和方案3小，出口馬赫數偏高（見圖7），出口動壓較大，最終導致入口總壓比初始方案偏高2kPa。

如圖7所示，排氣出口存在低速區，由于排氣裝置入口氣流存在較大氣流角，低速區偏向一側。其中方案2與方案1由于流道型面較為相似，方案2只改變了擴壓段當量擴壓角，其出口速度分布與方案1相似。方案3由于擴壓段、拐彎流道型面及出口型面均進行重新設計，出口氣流分布存在較大差異，出口低速區比另外兩個方案大。

從圖8、圖9可以看出，三種方案在拐彎處上部壁面均存在加到低壓分離區，其中方案1由于當量擴壓角較大，分離器較方案2、方案3提前，方案3比方案1和方案2低壓分離區小，這也是方案3總壓損失最小的原因。

4 結論

本文針對某后輸出軸渦軸發動機側向排氣裝置設計了三種不同流道型面方案，并對三種方案進行數值仿真計算及分析，得到以下結論：（1）增大排氣裝置出口截面面積可顯著減小出口截面排氣速度，減小排氣裝置入口總壓；（2）側向排氣裝置出口存在較大的回流區，回流區的大小決定了有效出口截面積的大小；（3）減小排氣裝置擴壓段當量擴壓角，可減少擴壓段壁面氣流分離，進而減小進出口總壓損失；（4）在限定排氣裝置軸向長度的情況下，出口截面積是方案設計考慮的主要因素。

參考文獻

[1] 劉大響，主編.航空發動機手冊（第7冊）[M].北京：航空工業出版社，2000.

[2] 張堃元，余少志，徐輝，等.分叉尾噴管氣動性能實驗研究[J].航空動力學報，1996（1）：86-88.