壓氣機試驗器雙涵排氣蝸殼設計及數值模擬

孫立 劉習川

1. 中國航發湖南動力機械研究所 湖南 株洲 412002；

2. 中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點試驗室 湖南 株洲 412002

引言

作為航空燃氣渦輪發動機的關鍵部件，風扇/壓氣機部件運行轉速大、工作壓比高，其性能需要通過試驗進行驗證和評估[1-3]。

風扇/壓氣機試驗件出口氣流近似等流速進入排氣蝸殼，排氣蝸殼在設計上要保證試驗件出口流場的均勻性，減小對風扇/壓氣機性能的影響[4]。

雙涵排氣蝸殼主要用于風扇氣動性能試驗，由于風扇的級數少，壓比低，要求其具有更小的氣動損失，在結構允許的條件下，盡量減少蝸殼氣流速度。本文設計適用于風扇氣動性能試驗的雙涵排氣蝸殼，并對其氣動性能進行了數值計算。

1 雙涵排氣蝸殼流道及結構設計

本文設計的雙涵排氣蝸殼采用軸向進氣，側向排氣的結構形式，按照等流速原則計算排氣蝸殼內涵和外涵的流道截面幾何參數。為兼顧試驗臺安裝和試驗要求，減小蝸殼軸向尺寸及蝸殼內部流動損失，蝸殼流道截面設計為偏心圓。蝸殼內部布置周向支板及出口過渡段支板以增強蝸殼強度，同時為保證內、外涵出口管路的安裝空間，內、外涵道出口呈夾角布置。

安裝機匣是試驗件出口與蝸殼本體的過渡連接段，通過法蘭安裝面與試驗件、雙涵蝸殼本體螺栓連接，并作為承力件，通過四個安裝耳與支撐底座連接。機匣環流道面采用光滑圓弧設計，并與試驗件出口轉接段及蝸殼本體流道相切。

利用UG軟件進行三維造型，X軸為進氣方向，Y軸為出口方向，雙涵排氣蝸殼本體及安裝機匣三維模型如圖1所示。

圖1 雙涵排氣蝸殼幾何模型

2 排氣蝸殼的數值模擬計算

2.1 網格劃分與計算設置

使用ICEM CFD軟件分別對內、外涵流體域進行網格劃分。由于排氣蝸殼結構復雜，本文采用非結構化網格，在處理復雜幾何外形具有明顯優勢。在近壁面及支板區域網格進行加密處理，壁面第一層網格厚度0.2mm，其中，外涵流體域網格總量為179.3萬，內涵流體域網格總量為175.6萬，如圖2所示。

圖2 排氣蝸殼流體域網格模型

使用ANYSY CFX軟件對流體域流場進行數值計算。流體區域介質設置為理想氣體，氣流為絕熱流動，流體與管路不發生熱交換。

湍流模型設置為SST模型。進口設置為質量流量進口邊界條件，分別給定內、外涵質量流量以及總溫，出口設置為靜壓出口邊界條件，數值為101325Pa。

2.2 流場分析

圖3給出了外、內涵排氣蝸殼YOZ面速度分布圖，安裝機匣及環狀流道前部結構過渡平緩，氣流平穩均勻，隨著流動的進行，由于沿程附面層逐漸增厚及轉彎段、支板對氣流的作用，進入蝸殼支板后流動趨于復雜。在軸向轉徑向的過渡區域，氣流摻混作用影響大于平直區域。

圖3 排氣蝸殼YOZ面速度分布云圖

經過計算，外涵蝸殼內部平均速度在75m/s左右，最大速度121m/s，內涵蝸殼內部平均速度在70m/s左右，最大速度152m/s，平均速度均低于排氣蝸殼經驗流速80m/s，但內涵蝸殼內的氣流速度不均勻性高于外涵蝸殼。蝸殼內部的速度分布沿徑向分布不均勻，出口側支板附近的氣流流速高于其余位置，支板后方的尾跡區發展影響了排氣蝸殼內氣流的流動與摻混。

2.3 進口截面參數分布

圖4給出了內、外涵排氣蝸殼進口截面的總壓分布云圖，可以看出外涵蝸殼的進口靜壓低于內涵蝸殼，這是由于外涵流道的流量較大，進口氣流速度高，且靠近蝸殼出口側的氣流速度高于其他區域。

圖4 排氣蝸殼進口總壓分布云圖

計算得到外涵蝸殼進口平均總壓為110219Pa，內涵蝸殼進口平均總壓為114808Pa。試驗件出口，即排氣蝸殼進口的總壓不均勻度不超過10%[5]。計算得到外涵蝸殼進口的總壓不均勻度為27.1%，內涵蝸殼進口的總壓不均勻度為5.7%。

由于安裝機匣的存在，導致內涵蝸殼進口離蝸殼本體較遠，蝸殼內的流場擾動難以對壓氣機出口的流場不均勻性造成影響，因此內涵蝸殼進口的總壓不均勻度明顯好于外涵蝸殼。

在實際試驗狀態，由于轉接段的減速擴壓作用，試驗件出口流速會大于排氣系統進口流速，壓氣機試驗件出口的總壓不均勻度會小于本文計算的排氣系統進口總壓不均勻度[6]。

2.4 蝸殼流動損失分析

氣流在蝸殼內的損失包括流體黏性導致的沿程摩擦損失和支板、蝸殼流道造成氣流損失，本文定義排氣蝸殼損失系數σ*為：

本文計算了不同流量下內、外涵排氣蝸殼的損失系數，如圖5所示。

圖5 排氣蝸殼損失系數

可以看出，內、外涵排氣蝸殼因為流量增大導致內部氣體流速上升，流動損失增大，且流動損失的增長速率也越快，體現在流動損失曲線斜率與流量變化正相關。從圖中可以看出，在設計范圍內，內涵排氣蝸殼的流動損失小于0.13，外涵排氣蝸殼的流動損失小于0.25，這是由于內涵蝸殼內部氣流速度相對較小，流動損失小于外涵蝸殼。

4 結束語

（1）排氣蝸殼內部導流葉片對流場具有改善作用，外涵蝸殼內部平均速度在75m/s左右，內涵蝸殼內部平均速度在70m/s左右，均低于排氣蝸殼經驗流速80m/s。

（2）安裝機匣導致內涵蝸殼進口的總壓不均勻度明顯好于外涵蝸殼，其中外涵蝸殼進口的總壓不均勻度為27.1%，內涵蝸殼進口的總壓不均勻度為5.7%。

（3）蝸殼內部流動速度越大，損失越大，流動損失曲線斜率與流量變化正相關，內涵排氣蝸殼的流動損失小于0.13，外涵排氣蝸殼的流動損失小于0.25。