叶大海
中国航发湖南动力机械研究所，中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室 湖南 株洲 412002
摘 要：本文对叶片式径向预旋喷嘴进行数值模拟，研究接收孔半径、预旋腔高度和预旋腔宽度等结构参数对预旋系统降温效果的影响。计算结果表明在特定条件下，供气盘腔出口气流相对总温随着接收孔半径的增大不断降低，预旋降温效果显著提升，当接收孔半径增大到一定值时，供气盘腔出口气流相对总温随着接收孔半径的增大而变化不明显。随着预旋腔高度的增加，预旋降温效果略微下降，预旋腔宽度对整个预旋系统温降影响不大，不同预旋腔宽度下供气盘腔内的气流温度分布规律几乎一样。
关键词：叶片式 径向 预旋 喷嘴 数值分析
随着航空发动机性能、推重比的不断提升，涡轮前温度越来越高，未来先进的涡轴/涡桨发动机中压气机增压比会高达25以上，涡轮进口温度也接进2000K，叶片的工作环境越来越恶劣。除了通过改进冷却结构提高冷却效果或增加热障涂层降低叶片金属温度外，还可以采用预旋系统来降低叶片感受到的冷气温度，预旋系统能够有效降低工作叶片感受温度，有助于降低工作叶片温度，从而降低冷却用气量，提高发动机的整机性能[1]。
国内外学者对预旋系统内的流动和换热做了研究。其中文献[1]最早测量了预旋系统中预旋喷嘴对接收孔内冷气温度的影响，结果证明采用预旋系统后可显著降低涡轮盘上接收孔内冷气的相对总温；而文献[2,3]对不同结构的预旋喷嘴进行数值分析和试验研究，获得了转速、流量、旋流系数对系统流场结构和总压损失的影响。根据国内外学者的研究资料表明影响预旋系统降温效果的主要因素包括：喷嘴结构形状、预旋腔的大小、接收孔结构、泄漏量等一些因素。本文主要对接收孔半径、预旋腔高度、预旋腔长度等影响预旋效果的因素进行数值模拟研究。
1计算模型
本文研究的预旋系统为径向叶片式预旋，采用直叶片构型。该系统主要包括预旋喷嘴、预旋腔、接收孔、导流盘和涡轮盘构成的叶片供气腔。预旋腔和接收孔尺寸图如图1所示，h为预旋腔高度，d为预旋腔宽度，r为接收孔半径。
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预旋喷嘴及供气腔计算域如图1所示，整个计算域共分成2个子区域，包括预旋喷嘴及其下游的预旋腔区域、挡板和轮盘之间的供气区域，气体设置为理想气体。其中预旋喷嘴和预旋腔为静止域，采用静止坐标系。接收孔和供气盘腔为旋转域，采用旋转坐标系。预旋喷嘴计算域取整个流动区域的1/18。预旋喷嘴入口采用压力入口边界条件，给定总压和总温，预旋系统出口给定静压，所有的壁面都采用非滑移边界条件。喷嘴出口和预旋腔的入口采用GGI交接面，壁面给定为绝热边界条件。计算区域示意图如图2所示。预旋喷嘴流动特性数值模拟的主要参数为接收孔半径，预旋腔宽度，预旋腔高度。各区域均采用非结构化网格，网格单元数量360万，对近壁面网格进行加密，采用k-ω湍流模型进行数值计算分析。
3计算结果分析
3.1接收孔半径对供气腔内温度分布的影响
图3为预旋腔宽度d=12mm，高度h=4mm时，不同接收孔圆半径下供气盘腔相对总温分布图，其中温度越高，图中颜色越深。从下图3可以看出，预旋腔的高温区主要集中在供气腔出口的位置，随着旋转半径的不断减小，气流的相对总温也相应的逐渐增加，当接收孔半径r=3mm 时，预旋系统的供气腔高温区覆盖范围显示最大。另外，随着接收孔半径增大，供气腔出口相对总温明显降低。而当r≥4时，随着接收孔半径的增大，供气腔出口相对总温保持不变。主要是因为随着接收孔半径的增大，气流流通面积增大，接收孔的流通能力相应增大，接收孔入口气流周向速度不断增大，因而导致供气腔出口相对总温明显的降低。而当r≥4时，接收孔的流通能力达到了临界状态，接收孔入口气流流量和周向速度不再随着接收孔半径的变化而增大或者减小，导致供气腔出口相对总温变化不明显。
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3.2预旋腔高度对供气腔内温度分布的影响
图4为预旋腔宽度d=12mm时，接收孔半径r=4mm时，不同预旋腔高度下供气腔相对总温分布图，其中温度越高，图中颜色越深。从下图可以看出，随着预旋腔高度的增加，供气腔出口气流的相对总温也在微弱增加。随着预旋腔高度的增大，供气腔出口气流相对总温微弱增加。预旋系统内部的气流流动是径向内流，随着预旋腔高度的增大，气流流动的径向距离增大，经过预旋腔的流动阻力增大，气流的周向速度不断减少，但减小的并不明显，进入接收孔的气流流量也相应微弱降低，导致供气腔出口气流相对总温微弱增加。
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3.3预旋腔宽度对供气腔内温度分布的影响
本小结主要计算当预旋腔高度h=4mm，接收孔半径r=4mm时，不同预旋腔宽度下的供气盘腔相对总温分布规律。计算结果表明在供气盘腔内，气流的相对总温随着半径增加逐渐增加。不同预旋腔宽度下，供气盘腔内的气流温度分布规律基本上一致。这主要是因为在径向内流流动中，预旋腔内的核心流动区域主要集中在喷嘴出口与接收孔入口之间，预旋腔宽度的增大对预旋腔内的核心流动区域影响不大，气流的周向速度基本上没有变化，导致接收孔入口流量也变化不大。因此在特定的条件下，单一的改变预旋腔宽度对接收孔的流通能力影响不大，接收孔入口气流的周向速度也保持不变，进而对供气腔出口气流相对总温影响不大。供气盘腔出口气流相对总温随预旋腔宽度的变化关系表明，当预旋腔宽度由10 mm增加到20 mm时，供气腔出口气流温度仅变化1 K，因此认为不同预旋腔宽度下，供气盘腔内的气流温度分布规律基本上一致。
4结论
本文对叶片式径向预旋系统进行数值模拟，分析供气腔出口气流相对总温随预旋腔高度、预旋腔宽度、接收孔半径的变化关系，数值分析结果表明：在本文数值计算范围内，随着接收孔半径的增大，供气腔出口气流相对总温明显降低。当接收孔半径增大到一定值时，供气腔出口气流相对总温随着接收孔半径的增大而变化不明显。随着预旋腔高度的增大，供气腔出口气流相对总温略微增加。预旋腔的宽度对预旋效果的影响不大，供气腔出口气流相对总温随着预旋腔的宽度增大而变化不明显。
参考文献:
[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] Yan Y., Farzaneh-Gord M., Lock G., Wilson M., and Owen J. M.. Fluid dynamics of a pre-swirl rotor-stator system[J]. ASME J.Turbomach., 2002, V125: 641–647.
[3] Jarzombek K., Dohmen H. J., Benra F. K., Schneider O. Flow analysis in gas turbine pre-swirl cooling air systems – variation of geometric parameters[A]. ASME Paper, GT2006-90445, 2006.