航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型徑向預(yù)旋噴嘴流量特性試驗(yàn)研究

鄧維

摘 ?要：本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型的葉片式徑向預(yù)旋噴嘴的流量特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了該噴嘴的總壓損失和換算流量隨壓比的變化關(guān)系，并分析得到了不同壓比下噴嘴的流量系數(shù)。研究結(jié)果表明，噴嘴的總壓損失隨著壓比的增大而增大;在一定范圍內(nèi)噴嘴的換算流量隨著壓比的增大而不斷增加，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)后，噴嘴的流量系數(shù)趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：徑向;預(yù)旋;噴嘴;試驗(yàn)研究

對(duì)于目前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻系統(tǒng)而言，為了提升其冷卻效果，通常采用進(jìn)氣預(yù)旋的方式。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)預(yù)旋系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)和換熱做了大量研究。Meierhofer和Franklin[1]最早測量了預(yù)旋系統(tǒng)中預(yù)旋對(duì)接收孔內(nèi)冷氣溫度的影響;胡偉學(xué)[2]、鄭慶[3]等分別采用數(shù)值分析和試驗(yàn)方法分析了不同徑氣角度對(duì)預(yù)旋特性的影響。但國內(nèi)外對(duì)預(yù)旋系統(tǒng)的試驗(yàn)研究中通常會(huì)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行很大程度的簡化，雖然這樣做使得研究結(jié)果的通用性增強(qiáng)，但這是以犧牲專用性為代價(jià)的。本文對(duì)一個(gè)典型的葉片式預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了壓比對(duì)噴嘴進(jìn)出口總壓損失和流量特性的影響以及不同壓比下噴嘴的流量系數(shù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 試驗(yàn)裝置

為了對(duì)預(yù)旋噴嘴的進(jìn)口氣流條件進(jìn)行模擬以及對(duì)其流通流量和進(jìn)、出口壓力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置，其簡化示意圖如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)件

本試驗(yàn)所采用的預(yù)旋噴嘴為徑向葉片式噴嘴，葉片數(shù)量為18個(gè)，喉部面積為19.38mm2，整個(gè)噴嘴的流通面積為348.84mm2。

1.3 試驗(yàn)狀態(tài)

在典型的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)中，預(yù)旋噴嘴的進(jìn)口高壓冷氣一般在400℃以上，而溫度因素對(duì)預(yù)旋噴嘴的流通能力和總壓損失影響相對(duì)較小，因此為了降低試驗(yàn)難度，試驗(yàn)選在常溫狀態(tài)下進(jìn)行。為了更好的將試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下噴嘴的流量特性進(jìn)行對(duì)比，需要將流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量即換算流量，其定義如式（1）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

評(píng)價(jià)一個(gè)預(yù)旋噴嘴設(shè)計(jì)好壞的依據(jù)一般包括其進(jìn)出口流體的溫降、進(jìn)出口總壓損失以及流通能力等。本試驗(yàn)中難以測得準(zhǔn)確的出口流體相對(duì)總溫，因以無法獲得噴嘴進(jìn)出口溫降結(jié)果。圖2為壓比對(duì)噴嘴進(jìn)出口總壓損失的影響，從圖中可以看出：隨著壓比增大，氣流的速度增大，增加了氣體的摩擦及氣動(dòng)損失，因此噴嘴的總壓損失不斷增加，且基本上呈線性增大的趨勢。

圖3為壓比對(duì)換算流量的影響，從圖中可以看出：在一定范圍內(nèi)，隨著壓比增大，換算流量不斷增大;在小壓比時(shí)換算流量增速較快，隨著壓比增大換算流量的增速不斷變慢，當(dāng)壓比接近臨界狀態(tài)時(shí)，噴嘴喉部速度已經(jīng)接近聲速，此時(shí)已達(dá)到噴嘴的最大流通能量，再增加進(jìn)口壓力流量也不再變化。

3 流量系數(shù)計(jì)算分析

本文采用的理論流量計(jì)算公式如式（2）所示。

圖4給出了本試驗(yàn)采用噴嘴結(jié)構(gòu)的流量系數(shù)隨著壓比變化的趨勢。從圖中可以看出：當(dāng)壓比小于1.3時(shí)，流量系數(shù)基本保持在0.63左右，此時(shí)增大壓比流量系數(shù)增加不明顯;但當(dāng)壓比大于1.3時(shí)，流量系數(shù)隨著壓比增加而不斷增大直至接近臨界狀態(tài)，此時(shí)，流量系數(shù)基本不再隨著壓比增大，而是穩(wěn)定在0.85左右。

4 結(jié)論

本文對(duì)典型的葉片式徑向預(yù)旋噴嘴的流量特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1）隨著壓比增大，預(yù)旋噴嘴的總壓損失不斷增加，且近似呈線性增大的趨勢。

2）在一定范圍內(nèi)，隨著壓比增大，換算流量不斷增大;在小壓比時(shí)換算流量增速較快，隨著壓比增大換算流量的增速不斷變慢，當(dāng)壓比增大到接近臨界狀態(tài)時(shí)，換算流量基本不變。

3）當(dāng)壓比較小時(shí)，流量系數(shù)基本保持在一個(gè)比較低的水平;但當(dāng)壓比逐漸增大時(shí)，流量系數(shù)隨著壓比增加而不斷增大直至接近臨界狀態(tài)，此時(shí)，流量系數(shù)基本不再隨著壓比增大，而是基本保持不變。

參考文獻(xiàn)

[1] ?Meierhofer B.，and Franklin C.J.An investigation of a preswirled cooling airflow to a turbine disc by measuring the air temperature in the rotating channels[A]. ASME Paper，81-GT-132，1981

[2] ?胡偉學(xué)，王鎖芳，毛莎莎.預(yù)旋噴嘴徑向角度對(duì)預(yù)旋特性影響的數(shù)值研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2019，34（1）：84-91.

[3] ?鄭慶，馮青，陳堯，張博.收縮形預(yù)旋噴嘴流場的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械與電子，2014（3）：14-17.