预旋喷嘴对预旋系统温降特性的数值研究

徐 昊,王锁芳

(1.南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016；2.江苏省航空动力系统重点实验室， 南京 210016)



预旋喷嘴对预旋系统温降特性的数值研究

徐 昊1,2,王锁芳1,2

(1.南京航空航天大学 能源与动力学院，南京 210016；2.江苏省航空动力系统重点实验室， 南京 210016)

预旋喷嘴的结构参数主要有预旋喷嘴面积、预旋喷嘴角度和预旋喷嘴的轴向长度。通过试验验证了湍流模型，对存在掺混进气的盖板预旋系统的温降特性进行数值模拟。在其他条件一定的情况下，分析了预旋喷嘴面积、喷嘴角度和喷嘴轴向长度对系统温降的影响。研究结果表明：随着预旋喷嘴面积增加，喷嘴内压力损失降低，进入盘腔内的质量流量增大，盘腔内的静温降低，有利于增加预旋温降效果；随着预旋喷嘴角度的增加，降低了气流流出喷嘴时的周向速度，预旋温降效果变差；预旋系统温降随预旋喷嘴轴向长度的增加先增加后降低。

预旋喷嘴；结构参数；温降；掺混进气

随着航空发动机性能的提升，涡轮前燃气温度也随之不断提高，这使得发动机部件承受着严酷的热负荷和机械负荷，因此需要对高温部件进行冷却。目前对涡轮转子叶片的冷却普遍使用预旋进气方式。通过预旋喷嘴使气体膨胀，喷嘴出口处产生较大的周向速度分量，降低气流与转盘之间的相对速度，从而达到降低相对总温的目的。

近年来，国内外学者对预旋系统进行了一定研究。Meierhofer 和Franklin[1]测量了真实形状的涡轮盘腔中预旋进气的冷却效果，从流体运动和能量的角度进行了分析。El-Oun和Owen[2-3]对直导式预旋系统进行了研究，运用雷诺相似原理，发现了气流相对总温和旋流比之间的关系。Popp[4]运用CFD软件对盖板预旋系统进行了研究，发现接受孔和预旋孔的面积比对预旋温降效果起着关键作用。Karabay等[5-8]通过理论分析和试验，对预旋系统的预旋性能进行了进一步分析。国内学者也对预旋系统进行了大量研究。刘高文[9-10]对预旋系统进行了简化，研究了静止条件下预旋喷嘴对盘腔内流动特性的影响。朱晓华[11]对盖板预旋系统的温降和压力损失进行了数值研究，发现了预旋系统中影响温降的因素。徐国强、罗翔[12]对旋转盘腔的流动和换热情况进行了研究。王锁芳[13]对涡轮盘腔进行简化，对直导式预旋系统进行了数值模拟和试验研究。

预旋系统内流体的角动量主要产生在预旋喷嘴中,对预旋温降有关键性的影响，因此对预旋喷嘴的分析就显得至关重要。前人对预旋系统的研究集中于无掺混模型，主要关注预旋喷嘴内的流动特性。本文研究了预旋喷嘴的3个参数：预旋喷嘴面积、预旋喷嘴角度和预旋喷嘴的轴向长度。用数值模拟得到了预旋喷嘴结构参数的改变对预旋温降的影响，对发动机预旋系统的冷却降温和预旋喷嘴的工程设计具有参考意义。

1 物理模型

本文研究的盖板预旋系统模型如图1所示。主要结构及尺寸为：预旋喷嘴个数为36个，周向均布，径向位置Rp=rp/b=0.806；盖板上的接受孔数目为36个，径向位置Rr=rr/b=0.804；掺混进气的径向位置Ris=ris/b=0.777；封严出口的径向位置Ros=ros/b=0.853。

图1 盖板预旋系统模型

2 数值计算方法

2.1 计算模型与网格划分

由于研究对象具有周向对称性，因此取整体盘腔模型的1/36建立三维模型。转静腔中采用非结构化网格、共转腔中采用结构化网格进行网格划分，在进出口处进行网格加密。对建立的模型进行网格独立性验证后，选取网格数为90万左右进行计算。计算模型和网格划分见图2。

图2 计算模型和网格划分

2.2 边界条件

计算模型分成静止域和旋转域两个部分。进气腔和预旋喷嘴设置为静止域。转静腔、接受孔和共转腔设置为旋转域。计算模型所有壁面绝热无滑移。对称面设置为旋转周期性边界条件，两个进口设定为压力进口边界，给定进口总压和温度。出口设为压力出口边界，给定出口静压。流体为真实气体，考虑可压缩性，其黏性通过sutherland公式给定。

2.3 试验验证和湍流模型选取

图3 试验设备布置示意图

试验件结构参数为预旋喷嘴角度35°，预旋孔和接收孔个数均为36个。预旋喷嘴、掺混进口、接受孔、主流出口、封严出口的面积比为Ap∶Ais∶Ars∶Ao∶Aos=4∶2∶24∶24∶3。数值模拟选取了标准k-ε和RNGk-ε两种湍流模型。选取工况和试验工况相同。图4为两种湍流模型计算值和试验值的比较。可以看出，选取标准k-ε模型的计算结果与试验值更加接近。转速越高，计算值与试验值的结果越接近。考虑到本文的计算工况为高旋转雷诺数，因此本文选取标准k-ε模型进行计算。

图4 不同湍流模型下预旋温降计算值和实验值的比较

3 计算结果与分析

定义无量纲参数：

图5 预旋喷嘴的几何参数

3.1 预旋喷嘴面积的影响

本节保证预旋喷嘴角度θ和轴向长度La不变，研究不同的预旋面积对预旋温降的影响规律。喷嘴面积的变化范围为8～29 mm2。

图6(a)为当压比为1.75和1.85时，总压系数随预旋喷嘴面积变化的规律。由图中可以看出，随着预旋喷嘴面积的增加，总压系数随之降低，不同压比下的总压系数变化规律一致。预旋系统的压力损失主要发生在预旋喷嘴中，随着喷嘴面积的增加，气体流经预旋喷嘴的阻力大幅度下降，从而使系统的总压系数明显降低。由图6(b) 可以看出，由于预旋喷嘴面积的增加，导致总压系数降低，从而使进入盘腔的无量纲质量流量增加，无量纲质量流量的变化幅度为214%。由图6(c)看出，喷嘴出口处的旋流比变化较小，变化幅度为1.7%。图6(d)给出了预旋温降随喷嘴面积的变化曲线。由图中看出，随着预旋喷嘴面积的增加，温降效果增加。预旋系统的温降效果主要受预旋喷嘴出口处的旋流比和盘腔内的静温影响,而静温受流进盘腔的无量纲质量流量的影响。此时盘腔静温的影响起主导因素。气体在预旋喷嘴出口处的温度基本不变，不同半径的喷嘴对应的温度变化主要发生在转静腔中，这是因为喷嘴面积越大，进入转静腔中的预旋气流就越多，从而降低了转静腔中的静温。同时进入转静腔的掺混气流流量基本不变，越来越多的预旋气流与掺混气流混合，使温降效果更好，因此预旋温降随着喷嘴面积的增加而增加。

图6 预旋性能随喷嘴面积的变化曲线

图7为预旋喷嘴面积不同时的静温云图。气流经过预旋喷嘴膨胀加速后以较低的温度进入转静腔，在转静腔中与来自掺混进气的高温气体混合后穿过接受孔，进入共转腔。喷嘴面积较小时，预旋气流流量较少，受掺混气流的影响较大，盘腔中的静温较高；随着喷嘴面积的增加，通过预旋喷嘴的冷气气流增加，降低了掺混后穿过接受孔的气流温度，从而降低了盘腔内的静温，提升了预旋系统的温降效果。

3.2 预旋喷嘴角度的影响

保证预旋喷嘴面积和轴向长度不变，研究不同的喷嘴角度对预旋温降的影响规律。预旋喷嘴的变化范围为15°～35°。

图8(a)是压比分别为1.65和1.75时不同的预旋喷嘴角度对预旋系统温降的影响。由图可见，在两种进气压比下相应曲线的变化趋势基本上是一致的，随着预旋喷嘴角度的增加，预旋温降效果逐渐降低。由图8(b)可见，无量纲质量流量随着预旋喷嘴角度的增加而增加，增加幅度为6.38%。图8(c)为预旋喷嘴出口旋流比和喷嘴角度的关系曲线。由图中可以看出，喷嘴出口的旋流比随着预旋喷嘴角度的增加而降低，降低幅度为14%。此时旋流比的变化对预旋温降的影响起主要作用。随着预旋喷嘴角度的增加，气流流出预旋喷嘴时的旋流比降低，预旋温降效果变差。

图7 不同喷嘴面积下的静温云图

图8 预旋性能随喷嘴角度的变化曲线

图9为气流经过预旋喷嘴轴线截面的速度矢量图。气流进入进气腔后流向预旋喷嘴，气流在预旋喷嘴内发生了较大的分离，使喷嘴内形成喉道。在喷嘴进口处，由于气流的拐角过大，边界层不再附壁，产生了一个明显的速度分离区，对流动产生了阻碍，造成了流动损失。由图中可以看出，预旋喷嘴角度越小，速度分离区就越大，造成的流动损失也越大，从而降低了预旋喷嘴的出口压力。

图9 不同喷嘴角度下的速度矢量图

3.3 轴向长度的影响

本节在保证预旋喷嘴面积和角度不变的情况下，通过改变预旋喷嘴的轴向长度来改变长径比，研究不同的轴向长度对预旋温降的影响规律。长径比的变化范围为2～12。

由图10可以看出，当压比不同时，预旋温降随着轴向长度的改变规律趋势是一样的，随着轴向长度的增加先增加后降低。气流在预旋喷嘴中受到喷嘴拐角的影响，形成了一个喉道，气流先膨胀加速，当速度达到最大值后开始逐渐降低。当轴向长度较小时，气流没有经过充分的预旋直接通过喷嘴，气流流出喷嘴时的周向速度较低，因此温降效果较差。随着轴向长度的逐渐增加，气体速度在喉道中达到最大值，此时气体直接流出喷嘴进入转静腔，气流的周向速度较大，温降效果最好。随着轴向长度继续增加，气流在喷嘴中开始减速，气流流出喷嘴的周向速度开始降低，温降效果逐渐变差。

图10 预旋温降随喷嘴轴向长度的变化曲线

图11为预旋盘腔中的马赫数云图。由图11可以看出：当长径比为2.6时，气流在预旋喷嘴出口处正好达到最大马赫数，此时气流的速度较大。当长径比为5.9时，气流经过喷嘴时马赫数先增加后逐渐降低，气流流出喷嘴出口时的速度变小。因此，在预旋喷嘴轴向长度的设计中，应尽可能设计合理的轴向长度，使气流在预旋喷嘴中以最大速度从喷嘴中流出，此时能获得最大的周向速度，从而提高预旋气体的温降效果。

4 结论

本文针对预旋喷嘴的结构设计进行研究，通过试验验证后选取标准k-ε湍流模型对预旋系统的温降情况进行了数值模拟，研究了预旋喷嘴面积、预旋喷嘴角度、预旋喷嘴轴向长度3种结构参数的影响。主要结论如下：

1)预旋喷嘴面积的增加可以降低总压系数，增加进入盘腔的质量流量，降低盘腔内的静温，从而提高预旋系统的温降效果。

2)预旋喷嘴角度的增加降低了气流流出喷嘴时的周向速度，使旋流比降低，从而导致预旋系统的温降效果变差。

3)气流在喷嘴中先膨胀加速，然后速度逐渐降低，因此应尽可能设计合理的喷嘴轴向长度，使气流在预旋喷嘴中以最大速度从喷嘴中流出，提高预旋气体的温降效果。

图11 不同预旋喷嘴长度的马赫数云图

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(责任编辑 刘 舸)

Numerical Research on Influences of Pre-Swirl Nozzle on Temperature Reduction Characteristic of Pre-Swirl System

XU Hao1,2, WANG Suo-fang1,2

(1.College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 21001, China; 2. Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems, Nanjing 210016, China)

The structure parameters of pre-swirl nozzle include pre-swirl nozzle area, pre-swirl angle and the axial length of pre-swirl nozzles. The selected turbulence model was valid by experiments and the numerical simulation was conducted to investigate the temperature reduction of a cover-plate pre-swirl system with the seal leakage flow. Under the certain conditions, the influence of temperature reduction was carried out by changing pre-swirl nozzle area, pre-swirl angle and the axial length of pre-swirl nozzles. The results show that with the increase of the pre-swirl nozzle area, the pressure loss decreases in the nozzle, the mass flow rate increased and static temperature reduces, which is helpful to the temperature reduction. With the increasing of the pre-swirl nozzle angle, circumferential velocity is smaller and the temperature reduction is lower. Temperature reduction takes on an up-down tendency with the increasing of the axial length of pre-swirl nozzles.

pre-swirl nozzle; structure parameters; temperature reduction; seal leakage

2014-10-20 作者简介：徐昊(1990—)，男，江苏人，硕士研究生，主要从事发动机流动与冷却研究。

徐昊,王锁芳.预旋喷嘴对预旋系统温降特性的数值研究[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015(3):30-36.

format：XU Hao, WANG Suo-fang.Numerical Research on Influences of Pre-Swirl Nozzle on Temperature Reduction Characteristic of Pre-Swirl System[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):30-36.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.007

V231.2

A

1674-8425(2015)03-0030-07