航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)盤腔溫升特性及抑制方法研究

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

旋轉(zhuǎn)盤腔是航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)通道的重要組成部分，盤腔內(nèi)氣體的流動(dòng)換熱特性將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命和可靠性[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)的流動(dòng)和換熱受慣性力、哥氏力和離心浮升力的綜合作用，同時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素較多，研究難度較大。早期的旋轉(zhuǎn)盤腔流動(dòng)及換熱研究主要以試驗(yàn)為主[2-7]，通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)盤腔開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，獲得了流量、轉(zhuǎn)速及盤面溫度分布對(duì)流動(dòng)形式及換熱特性的影響規(guī)律。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)盤腔的設(shè)計(jì)，常根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，仍缺少針對(duì)旋轉(zhuǎn)盤腔換熱的系統(tǒng)性研究。

近些年，隨著大型商業(yè)軟件的快速發(fā)展，在旋轉(zhuǎn)盤腔的流動(dòng)換熱研究中逐步采用了CFD 數(shù)值模擬方法。本文通過(guò)對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型旋轉(zhuǎn)盤腔開(kāi)展數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究，得到了旋轉(zhuǎn)盤腔的溫升特性，同時(shí)掌握了旋轉(zhuǎn)盤腔間隙比對(duì)換熱特性的重要影響。所獲得的研究成果對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)盤腔溫升特性的認(rèn)知及抑制方法研究有重要的支撐作用。

2 轉(zhuǎn)靜系旋轉(zhuǎn)盤腔分析及驗(yàn)證

該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型轉(zhuǎn)靜系旋轉(zhuǎn)盤腔(卸荷腔)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其有兩路進(jìn)氣，一路為經(jīng)篦齒盤階梯篦齒(進(jìn)口1)后流入卸荷腔；另一路為壓氣機(jī)后軸頸來(lái)流(源于壓氣機(jī)四級(jí)引氣)(進(jìn)口2)，經(jīng)過(guò)后軸頸篦齒向前折返，冷卻壓氣機(jī)后軸頸后進(jìn)入卸荷腔。兩股氣流充分摻混后，通過(guò)燃燒室擴(kuò)壓器周向分布的多個(gè)排氣支板排至發(fā)動(dòng)機(jī)外涵。發(fā)動(dòng)機(jī)試車后分解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)后軸頸(GH4169)表面呈金黃色和藍(lán)紫色，連接螺栓(GH159)頭部表面呈黑色，見(jiàn)圖2。根據(jù)材料變色規(guī)律[8]，可判斷后軸頸表面最高工作溫度為600℃～700℃，螺栓頭部約為700℃。初步判定卸荷腔溫度超過(guò)了設(shè)計(jì)值，存在超溫現(xiàn)象。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)盤腔Fig.1 Rotating disc cavity of aero-engine

圖2 分解檢查結(jié)果Fig.2 Decomposition inspection results

在發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展專項(xiàng)測(cè)溫試驗(yàn)以驗(yàn)證是否存在超溫現(xiàn)象。靜子壁面上(排氣支板附近、隔熱套出口、燃燒室內(nèi)機(jī)匣壁面)布置K型熱電偶(測(cè)量精度±0.7%t(t 為實(shí)測(cè)溫度)，測(cè)量范圍-40～1 000℃)，轉(zhuǎn)子件上(螺栓頭部、平衡塊)埋入測(cè)溫晶體(測(cè)量精度≯1.5%t，測(cè)量范圍500～1 400℃，安裝示意見(jiàn)圖3)。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)核心機(jī)上，錄取了進(jìn)口溫度473 K、壓力290 kPa、轉(zhuǎn)速N2r=102%狀態(tài)下卸荷腔實(shí)際工作溫度，各測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)表1。測(cè)試結(jié)果表明，螺栓頭部最高溫度約729℃，卸荷腔排氣支板附近溫度約715℃，卸荷腔內(nèi)及轉(zhuǎn)子壁面均超過(guò)計(jì)算值，存在較高溫升。

圖3 測(cè)溫晶體安裝示意Fig.3 Installation of temperature measuring crystal

圖4 溫度測(cè)試結(jié)果Fig.4 Temperature measurement results

表1 測(cè)溫結(jié)果分析Table 1 Temperature measurement results analysis

3 旋轉(zhuǎn)盤腔溫升特性數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模擬

采用ANSYS CFX 15.0 對(duì)卸荷腔的流動(dòng)及換熱進(jìn)行分析。工質(zhì)為理想可壓縮氣體，動(dòng)力黏度和導(dǎo)熱系數(shù)采用Sutherlands 公式計(jì)算。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，考慮黏性耗散。流體域與固體域之間通過(guò)設(shè)置交互界面定義守恒關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)流體域與固體域之間的能量、動(dòng)量傳遞。計(jì)算邊界按試驗(yàn)錄取條件給定，進(jìn)口1 流量0.689 kg/s，溫度641℃；進(jìn)口2 流量0.100 kg/s，溫度677℃；旋轉(zhuǎn)邊界轉(zhuǎn)速13 694 r/min；出口附近腔壓747.5 kPa。數(shù)值仿真分析結(jié)果見(jiàn)表2，卸荷腔內(nèi)壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)分布見(jiàn)圖5。由表2可知，數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致性較好，有限元數(shù)值仿真方法可作為研究旋轉(zhuǎn)盤腔溫升的有效手段。

表2 數(shù)值仿真分析Table 2 Numerical simulation analysis

3.2 溫升分析

所研究的卸荷腔屬典型的出口帶節(jié)流的轉(zhuǎn)靜系旋轉(zhuǎn)盤腔，經(jīng)過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特性的分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生異常溫升的原因有：

(1)間隙比過(guò)大

研究轉(zhuǎn)靜系流動(dòng)特性時(shí)，間隙比G是重要參數(shù)，為轉(zhuǎn)靜盤間隙s與盤外半徑b之比。旋流系數(shù)βφ是旋流輪盤側(cè)面通道內(nèi)邊界層外的核心空氣旋流的圓周速度(Cφ)與當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)子表面圓周速度(ωr)的比值。研究表明，在轉(zhuǎn)靜系內(nèi)，G與βφ呈線性遞減關(guān)系[9]。對(duì)于旋轉(zhuǎn)盤腔流動(dòng)換熱，需有較高的旋流系數(shù)，因此要求較小的間隙比設(shè)計(jì)[10]。由結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，卸荷腔轉(zhuǎn)靜子間隙范圍為73.9～112.7 mm，盤外半徑為281.0 mm，間隙比為0.263～0.401，對(duì)比國(guó)內(nèi)外成熟發(fā)動(dòng)機(jī)其間隙比設(shè)計(jì)值較大。

(2)風(fēng)阻溫升較大

從卸荷腔結(jié)構(gòu)看，螺栓頭部深入腔內(nèi)較長(zhǎng)，且安裝半徑較高(安裝半徑223.0 mm)，由此48 顆螺栓產(chǎn)生了較高的風(fēng)阻溫升。從圖5 可知，卸荷腔內(nèi)氣流沿轉(zhuǎn)盤壁面向外運(yùn)動(dòng)、沿靜盤壁面向內(nèi)流動(dòng)，主要流動(dòng)特征是順時(shí)針渦。氣流沿轉(zhuǎn)子上升過(guò)程中，螺栓對(duì)氣體做功，螺栓附近氣體溫度上升，之后與篦齒出口氣流摻混。由于流體渦存在，螺栓處總是少部分氣流在攪動(dòng)，使得附近溫度較高，被螺栓攪動(dòng)加熱的氣流會(huì)被下一個(gè)螺栓繼續(xù)攪動(dòng)，螺栓攪拌產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)帶走，導(dǎo)致攪拌溫度偏高。

圖5 卸荷腔壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)分布Fig.5 Pressure field and velocity field of unloading cavity

(3)卸荷腔進(jìn)氣溫度較高

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，經(jīng)篦齒盤進(jìn)入到卸荷腔的氣體溫度較高(圖4)，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)換熱。

4 卸荷腔溫升抑制方法及驗(yàn)證

根據(jù)前文分析，為抑制卸荷腔超溫，可通過(guò)降低篦齒盤后螺栓的風(fēng)阻即減小螺栓與周圍氣流的相對(duì)速度差，同時(shí)對(duì)卸荷腔內(nèi)渦系進(jìn)行重構(gòu)，增強(qiáng)螺栓頭部的換熱效果。具體措施為：①降低螺栓迎風(fēng)面積；②減小螺栓與周圍氣流的相對(duì)速度；③減小間隙比，重構(gòu)卸荷腔內(nèi)渦系，改變流動(dòng)形式；④降低卸荷腔進(jìn)氣平均溫度。根據(jù)上述措施，同時(shí)借鑒國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展了卸荷腔降溫方案研究及試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 擋板+短螺栓方案

在卸荷腔篦齒盤后端增加擋板，將篦齒盤來(lái)流氣體向下引導(dǎo)，對(duì)卸荷腔內(nèi)的渦系進(jìn)行重構(gòu)，同時(shí)將篦齒盤后螺栓換裝為短螺栓，即卸荷腔擋板+短螺栓方案。在發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展專項(xiàng)測(cè)溫試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)同前述測(cè)試試驗(yàn)的一致。圖6和表3給出了采用卸荷腔擋板+短螺栓方案的結(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果。由表3可知，卸荷腔擋板+短螺栓方案的降溫措施有效，卸荷腔排氣支板附近腔溫降低90℃，螺栓頭部溫度降低55℃，螺栓頭部附近腔溫降低20℃。

圖6 卸荷腔降溫結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.6 Cooling structure and test results of unloading cavity

表3 卸荷腔擋板+短螺栓方案降溫效果Table 3 Cooling effect analysis of baffle and short bolt

4.2 卸荷腔雙腔雙排方案

根據(jù)擋板+短螺栓方案試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，壓氣機(jī)后軸頸來(lái)流進(jìn)氣溫度較低，但到達(dá)隔熱套前端面時(shí)存在較高的溫升。經(jīng)分析，這是由于壓氣機(jī)后軸頸來(lái)流在整個(gè)卸荷腔內(nèi)進(jìn)氣總量中的占比較低(約12.7%)，篦齒盤來(lái)流阻礙了后軸頸來(lái)流進(jìn)入螺栓頭部換熱區(qū)域。為實(shí)現(xiàn)卸荷腔內(nèi)后軸頸來(lái)流占比的提升，并能參與篦齒盤螺栓的攪動(dòng)換熱，設(shè)計(jì)了雙腔雙排方案，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。雙腔雙排方案利用卸荷腔隔板將卸荷腔物理分割成兩個(gè)獨(dú)立腔，通過(guò)不同的放氣支板實(shí)現(xiàn)分別排氣。其優(yōu)點(diǎn)為：①方案中實(shí)際的卸荷僅為隔板與篦齒盤所包圍的腔體，此時(shí)轉(zhuǎn)靜子間隙最大值為22.5 mm，間隙比不大于0.08，氣體旋流系數(shù)較高，利于結(jié)構(gòu)換熱；②通過(guò)將篦齒盤來(lái)流的大部分高溫氣體提前排出，壓氣機(jī)后軸頸來(lái)流占比大幅提高，有利于卸荷腔內(nèi)整體溫度水平的降低，利于結(jié)構(gòu)件的換熱。

圖7 卸荷腔雙腔雙排結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Double cavity and double row structure

對(duì)卸荷腔原結(jié)構(gòu)、擋板+短螺栓方案以及雙腔雙排方案降溫效果進(jìn)行對(duì)比分析。為準(zhǔn)確開(kāi)展降溫效果對(duì)比，僅比較了螺栓頭部風(fēng)阻功率及溫度，結(jié)果見(jiàn)表4?？煽闯?，在進(jìn)、出口流量等邊界保持一致的條件下，雙腔雙排方案可以進(jìn)一步降低螺栓頭部的風(fēng)阻功率及異常溫升。

表4 不同卸荷腔結(jié)構(gòu)降溫效果對(duì)比Table 4 Cooling effect analysis of different unloading cavity structures

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相互驗(yàn)證的方法，全面深入研究了卸荷腔腔溫。對(duì)不同位置的腔溫和壁溫進(jìn)行測(cè)量，豐富了由螺栓引起的風(fēng)阻溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的卸荷腔降溫方案，取得了較好的預(yù)期收益。研究主要得出以下結(jié)論：

(1)由螺栓攪拌引起的風(fēng)阻溫升在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中不可忽視，減小旋轉(zhuǎn)盤腔螺栓深入長(zhǎng)度、安裝半徑等方法可以降低風(fēng)阻溫升。

(2)旋轉(zhuǎn)盤腔間隙比、進(jìn)出口流量特性對(duì)流動(dòng)換熱有較大影響，較小的間隙比設(shè)計(jì)有利于旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)件換熱效果。

(3)設(shè)計(jì)的卸荷腔擋板+短螺栓方案降溫有效，雙腔雙排方案有更好的降溫能力，研究成果為旋轉(zhuǎn)盤腔流動(dòng)換熱提供了技術(shù)儲(chǔ)備。