接受孔对预旋系统温降特性的影响

张建超，王锁芳，王春凤，3，徐昊，马力

(1.江苏省航空动力系统重点实验室，南京 210016;

2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016;

3.江铃汽车股份有限公司，南昌 330001)

接受孔对预旋系统温降特性的影响

张建超1，2，王锁芳1，2，王春凤1，2，3，徐昊1，2，马力1，2

(1.江苏省航空动力系统重点实验室，南京 210016;

2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016;

3.江铃汽车股份有限公司，南昌 330001)

简化了盖板预旋系统，验证了数值方法的有效性。在绝热状态下对盖板式预旋系统开展数值模拟，获得盖板上接受孔的面积、径向位置和长细比等结构参数对预旋性能的影响规律。研究结果表明:所研究范围内，盖板预旋系统的预旋温降和总压降随旋转雷诺数增加而降低;相同旋转雷诺数下，无量纲流量越大，预旋温降越大，总压降也越大;在一定范围内增大接受孔的面积有利于提高预旋温降并降低总压损失;对相同面积的接受孔，随着径向位置的增加，预旋温降先增大后减小，温降曲线上拐点的位置受接受孔面积影响;接受孔长细比增大，预旋温降随之增加，同时接受孔面积越大，预旋温降受长细比变化的影响越小;接受孔通过和流经其中的气流发生能量交换影响预旋温降。

接受孔;预旋;降温;盖板

现代航空发动机通常采用预旋供气的形式向高压涡轮叶片供应冷却气体进行热防护。所谓预旋，是通过预旋喷嘴使冷气膨胀，在加速的同时降低静温，并合理设计冷气与旋转部件的相对速度，从而最终达到降低热端部件感受到的相对总温的目的。通过预旋可以提高冷气的冷却品质，有利于减少冷气用量，最终提高航空发动机的性能。

CFM56的盖板式预旋系统(cover－plate preswirl system)是一种常见的预旋结构。如图1所示，在涡轮盘前安装一个盖板，盖板和涡轮盘形成共转盘腔，盖板上开有接受孔，连通上游转静盘腔和共转盘腔。本文对这种盖板预旋系统进行简化并开展数值模拟。首先获得盖板式预旋系统的温降和流阻规律，而后针对盖板上不同结构的接受孔进行计算，得到接受孔结构参数对预旋性能的影响规律，分析内部流动特点，从而指导工程设计。

国内外学者对预旋结构开展过一些研究。Owen课题组［1－2］较早对预旋系统进行了理论分析、试验研究和数值模拟，获得了预旋系统内的流动与换热规律。Karabay等［3－4］针对盖板式预旋系统进行了理论分析，通过数值模拟和实验研究获得了相对准确的理论计算式。Lewis等［5－6］分析了直导式预旋系统流动与换热的机理，并就预旋喷嘴径向位置变化对预旋系统性能的影响进行了数值计算。Young等［7］对气流在空气系统中穿过轴上旋转孔的流动情况进行了研究。Chew等［8］研究了直导预旋系统的温降特性，并基于理论分析建立了模型，通过试验得到旋转盘的力矩系数。国内杨小利［9］研究了旋转涡轮盘腔内的流场。何振威等［10］在相同模型上开展了试验研究。朱晓华等［11］对盖板预旋系统进行了数值研究，并利用试验数据验证了数值方法的有效性。王锁芳等［12］对直导预旋系统开展了较全面的试验和数值研究。

前人研究盖板预旋系统时多关注进出口的宏观物理量和规律曲线，对接受孔元件的结构参数和流动机理涉及不多。本文在前人的研究基础上，首先利用文献数据验证数值方法，而后采用数值模拟的手段得到了盖板预旋系统内接受孔的结构变化影响预旋温降和流阻的规律，并对接受孔的影响机理进行分析，对理解盖板预旋系统的机理和指导工程设计有重要意义。

1 物理模型

将CFM56发动机的盖板预旋系统进行简化，得到本文研究的物理模型，如图1所示。

重要的结构参数已在图1中标出。预旋流路中转静盘腔和共转盘腔的结构外半径相同，b= 150 mm，内半径arr/b=0.533，ars/b=0. 667;预旋喷嘴、接受孔和冷气出口元件各20个，3个元件的径向位置分别为Rp=rp/b=0.867，Rb=rb/b=0.8，Rout=rout/b=0. 933;面积比为Ap∶Ab∶Ao=1∶4∶1，盘间距G1=G2=s1(2)/b=0.1。转静盘腔的内外围屏静止，预旋喷嘴安装在静盘上，预旋角为30°。

图1 物理模型

2 数值方法

2.1 网格划分、求解方法与边界条件

针对图1给出的模型，根据结构的周期性，以模型的1/20作为计算域，如图2所示。采用非结构化四面体网格进行网格划分，壁面附近用三棱柱网格进行加密，经过网格独立性试验后选定网格数在23万左右进行计算。将转静腔分为两部分:左侧与预旋喷嘴相连，设置为静止域;右侧与接受孔、共转腔等相连，设置为旋转域。交界面采用冰冻转子模型。所有壁面绝热无滑移。进口为压力进口，给定进口总压和总温，气流垂直于进口面进入预旋喷嘴;出口边界为压力出口，给定出口静压。

图2 计算模型和网格

求解器使用CFX商用软件，对流项和湍流采用高分辨率格式，高雷诺数区域里湍流的模拟用标准k－ε模型，壁面低雷诺数区域附近采用scalable壁面函数。计算时监控出口相对总温和流量，当各个方程残差小于10－5，且出口相对总温和流量值趋于平直，当迭代变化极小时，认为计算收敛。

2.2 算例验证

选用文献［11］提供的一种同类型的试验结构和数据进行算例验证。模型示意图见图3。进出口压力和转速等工况参数见表1。流量数据经试验获得，采用标准k－ε模型和RNG k－ε模型的计算结果和相对误差见表2。

用于算例验证的盖板预旋结构计算模型的预旋喷嘴共36个预旋孔，孔径为7.77 mm，径向位置为236.5 mm，预旋角θ=30°;接受孔共48个，孔径为13.71 mm，径向位置为235.5 mm［11］。

图3 验证算例的模型

表1 算例验证工况表

从表2可以看出:2种湍流模型计算结果相比，采用标准k－ε模型的计算结果更加接近试验值。在转速较低时，流路的流量计算值和试验值的相对误差较大，转速大于3 000 r/min后误差大幅减小达5%左右。考虑到航空发动机的实际转速较高，因此采用本节所述方法造成的误差能满足研究的精度要求。

3 计算结果与分析

表2 计算值与试验值的对比

3.1 气动参数的影响

图4是不同Cw下，旋转雷诺数变化对预旋温降和压降性能的影响曲线。可以看出:预旋温降和总压降随旋转雷诺数的增加而降低。在相同旋转雷诺数下，无量纲流量越大，预旋温降越大，总压降也越大。这个规律和文献［11］是一致的。

图4 不同Cw下，旋转雷诺数变化对预旋性能的影响曲线

图5是接受孔附近的速度矢量图。可以看出:转速变化时，接受孔的工作状态包含气流进入接受孔的攻角和速度，变化较大;Reω=2.592× 106时，气流接近垂直进入接受孔，而后冲击共转盘腔的右侧盘面;Reω=4.073×106时，进气速度升高，角度较大，在接受孔内形成回流区，共转腔内的流动由于入流变化也受到影响，最终冲刷右侧盘面;Reω=5.554×106时，接受孔进口进气速度较高，攻角大，回流区范围扩展，下游共转腔内流动受到明显影响。

图5 接受孔附近的速度矢量图

3.2 接受孔面积的影响

本节研究盖板预旋系统的接受孔面积对预旋性能的影响规律。通过数值计算得到给定条件下的预旋温降、压降和无量纲质量流量随接受孔面积的变化曲线，对比物理场，分析接受孔面积对预旋性能的影响机制。计算工况和结构参数见表3，其他结构参数与第1节相同。

表3 计算工况和结构参数

图6是预旋系统的接受孔面积变化对预旋流路性能的影响曲线。可以看出:随着接受孔面积的增加，预旋温降逐渐增大，且随着孔的增大温降的增幅逐渐减小。接受孔从小到大地增加，整个流路的流阻减小，流量增大，接受孔面积增大到一定程度后对流路的流阻影响很小(见图6(b))。流路的限流位置在预旋喷嘴处，流量继续增加但增幅逐渐减小。图6(c)中，整个流路的总压降随接受孔面积的增大先明显下降而后缓慢增加。因此，接受孔在一定范围内增大有利于提高预旋温降，并降低总压损失。

图6 预旋性能随接受孔面积变化的关系曲线

图7是Xp=0.8时，不同面积的接受孔截面的矢量图。在图7(a)中，接受孔较小，流体进入共转腔的周向分速度也较小。图7(b)、(c)中，随着接受孔逐渐增大，流体速度的周向分量也逐渐增加。可以看出:孔较小时，大部分流体进入接受孔后受壁面影响改变了流动方向;孔增大后，有部分流体未碰上壁面，直接穿过接受孔，小部分受壁面影响改变速度方向，因此周向速度增大;孔继续增大时，接受孔壁面对流体的影响继续减小，周向分速度继续增加，但由于接受孔壁面阻碍流体周向运动的状况未得到根本改善，因此周向分量增加的幅度不大。气流周向速度增大使相对速度降低，进而降低了动温和动压，造成图7中接受孔过大时温降和总压降的增大。

图7 不同面积的接受孔截面矢量图

3.3 接受孔径向位置的影响

本节计算工况和接受孔的参数见表4。

表4 计算工况和结构参数表

图8是预旋系统的接受孔的径向位置对预旋性能的影响曲线。可以看出:对相同面积的接受孔，随着径向位置的增加，预旋温降先增大后减小;对不同面积的接受孔，拐点位置不同(对Ab/Ap=9，由于结构尺寸的限制，计算范围内未出现拐点)。接受孔较小时，流路的流量随接受孔径向位置的增加而降低;接受孔较大时，流路流量则先增大后减小。

图8 预旋性能随径向位置变化的关系曲线

图9是预旋系统内部的旋流比分布。可以看出:共转腔内的旋流比随着接受孔径向位置的增加而逐渐增大，转静腔内旋流比逐渐降低，共转腔内旋流比总是大于转静腔，说明冷气在克服流阻流动的同时，旋转壁面对冷气输入机械能，提高了周向动量。

图9 不同Xb时，预旋系统内部的旋流比分布(Ab/Ap=9)

从流线图(图10)可以看出:改变接受孔的径向位置对共转腔内低于接受孔径向位置以下的流场影响不大，主要区别为转静腔内流体进入接受孔时流线向高半径处延伸。考虑到这里预旋喷嘴的径向位置Xp=0.867，冷气出口的径向位置Xo=0.933，旋转系统中存在离心增压作用，使盘腔内的压力从低半径向高半径逐渐增大。因此，盘腔内的压力梯度是进出口压差形成的压力梯度与离心增压的叠加。当Xb=0.833时，冷气从预旋喷嘴进入接受孔需从高半径向低半径流动，有一定的阻力，流量相对较低;而Xb=0.893和0.953时，冷气从低半径向高半径流动，在径向为顺压力梯度，流阻小流量大;但Xb=0.953时，在共转腔内流体从高半径向低半径流动，阻力相对增加，降低了流量。因此，预旋温降随接受孔径向位置的变化曲线中存在拐点。由于接受孔和预旋喷嘴的面积相比较大，从图10可以看出:当Xb=0.893时，仍有部分预旋气流可以直接进入接受孔，所以曲线上的拐点位置略滞后。

图10 接受孔处于不同径向位置时预旋系统内部流线图

3.4 长细比的影响

本节计算工况和接受孔的参数见表5。

表5 计算工况和结构参数表

图11是盖板预旋系统预旋性能随接受孔长细比变化的规律曲线。可以看出:接受孔长细比增大，预旋温降随之增加，同时接受孔面积越大，预旋温降受长细比变化的影响越小。从图11还可以看出:对不同的接受孔面积，预旋温降、总压降和无量纲流量的变化幅度均随着长细比的增大而降低。这是由于接受孔长细比的影响表现为孔壁面对流体做功，其效果的极限是将流体的周向速度提高到和孔的转动线速度相同(即孔内流体绕发动机轴线做“刚体旋转”)，而实际很难达到这种状态，因此曲线的变化幅度逐渐减小并趋于平直。

图11 预旋系统预旋性能随接受孔长细比变化的规律曲线

流体流经接受孔时受到接受孔壁面做功的影响，增加长细比(相同面积时增大接受孔厚度)则增大了壁面对流体做功量，流体周向速度增大，下游共转腔的旋流比增大。旋转壁面对流体做功，补偿了流体的流动损失，使整个流路的流阻降低，造成该条件下流经流路的流量增大。

图12是接受孔截面的矢量图(相对速度)。可以看出:接受孔l/d=0.3时，接受孔出口处流体的相对速度在周向有较大的分量;随着接受孔长度的增加，出口处气流相对速度的周向分量减小，速度矢量方向逐渐稳定。这也意味着下游共转腔内旋流比随长细比增大而增加，最终趋向稳定，如图13所示。

图12 不同厚度的接受孔截面的矢量图

图13 接受孔长度不同的预旋系统内旋流比分布(Ab/Ap=0.3)

从图5、7、10、12可以看出:气流流经接受孔时流动状态被改变，孔壁面通过与气流发生能量交换改变了气流的流动状态，进而实现对预旋温降的影响。不同几何参数的接受孔对气流影响不同，设计时可根据需要确定接受孔尺寸。

4 结论

1)在本文研究范围内，盖板预旋系统的预旋温降和总压降随旋转雷诺数增加而降低。在相同旋转雷诺数下，无量纲流量越大，预旋温降越大，总压降也越大。

2)在一定范围内增大接受孔的面积有利于提高预旋温降并降低总压损失。

3)对相同面积的接受孔，随着径向位置的增加，预旋温降先增大后减小，接受孔径影响温降曲线上拐点的位置。

4)接受孔长细比增大，预旋温降随之增加，同时接受孔面积越大，预旋温降受长细比的影响越小。

5)气流流经接受孔时，流动状态被改变，孔壁面通过与气流发生能量交换实现对预旋温降的影响。不同几何参数的接受孔对气流影响不同，设计时可根据需要确定接受孔尺寸。

［1］Owen J M，Rogers R H.Flow and Heat Transfer in a Rotating－Disc Systems［M］.Taunton:Research Studies Press，1989.

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［4］Karabay H，Chen J X，Pilbrow R，et al.Flow in a‘coverplate’preswirl rotor－stator system［J］.Journal of Turbomachinery，1999，121(1):160－166.

［5］Lewis P，Wilson M，Lock G D，et al.Effect of radial location of nozzles on performance of preswirl systems:a computational and theoretical study［J］.Journal of Power and Energy，2009，223(A2):179－190.

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［11］朱晓华.带盖板的预旋系统数值研究［D］.西安:西北工业大学，2010.

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(责任编辑 刘舸)

Influences of Receiver Hole on Temperature Reduction
Characteristic of Pre-swirl System

ZHANG Jian－chao1，2，WANG Suo－fang1，2，WANG Chun－feng1，2，3，XU Hao1，2，MA Li1，2
(1.Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems，Nanjing 210016，China;
2.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China;
3.Jiang Ling Motors Co.Ltd，Nanchang 330001，China)

Cover－plate pre－swirl system was simplified，and numerical method was valid.In adiabatic condition，numerical simulation was carried out on cover－plate pre－swirl system，influence of structure parameter of receiver holes，which are settled in cover－plate，including area，radial location and length－radius ratio，versus pre－swirl temperature reduction were achieved.The computational results show that:under the certain condition of the study，temperature reduction and flow loss are decreasedwhen the rotational Reynolds number goes up，with same rotational Reynolds number，temperature reduction and flow loss raise when non－dimensional flow rate goes up.Increasing receiver hole area in a certain range is able to improve temperature reduction and lower total pressure loss.With radial location goes larger，temperature reduction increases and then decreases，the yielding point was affected by receiver hole area.Temperature reduction increases with Length－radius ratio rises，the larger area receiver hole is，the less effect on temperature reduction the length－radius ratio has.Receiver hole influences temperature reduction through energy exchange with cooling air.

receiver hole;pre－swirl;temperature reduction;cover－plate

V231.2

A

1674－8425(2014)03－0050－08

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.010

2013－12－11

张建超(1984—)，男，河南漯河人，博士研究生，主要从事发动机内部流动与冷却方向的研究。

张建超，王锁芳，王春凤，等.接受孔对预旋系统温降特性的影响［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014 (3):50－57.

format:ZHANG Jian－chao，WANG Suo－fang，WANG Chun－feng，et al.Influences of Receiver Hole on Temperature Reduction Characteristic of Pre－swirl System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):50－57.