涡轴发动机侧向排气装置设计及仿真分析

曾强　葛严　王勋　李慈应

摘 要：按照某型后输出轴涡轴发动机的要求设计三种不同方案的排气装置，并对三个方案在不同状态下的流场特性进行数值仿真及对比分析，对比分析结果表明侧向排气装置出口存在较大的低速回流區，出口截面面积是影响排气装置入口总压的主要因素，减小排气装置扩压段当量扩压角，可减少扩压段壁面气流分离，进而减小进出口总压损失。

关键词：涡轴发动机；排气装置；数值仿真

中图分类号：V275 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0070-03

根据涡轴发动机输出方式的不同，排气装置设计的形式差别较大，前输出轴涡轴发动机的排气装置设计较为简单，主要为轴对称扩压圆筒状；后输出轴涡轴发动机形式多样，结构比较复杂，排气装置设计的设计难度较大。张堃元等[2]研究人员对某型涡轴发动机分叉排气装置进行了性能试验研究，研究结果表明分叉排气装置内大分离区对排气装置性能存在较大影响，由于排气装置出口存在回流区导致出口截面参数测量及总压恢复系数计算存在误差，分叉排气装置总压损失较大。张迺光对PT6系列发动机带涡流环的排气装置性能进行了水流和冷吹风试验研究，对比分析了“正置”和“偏置”两种排气装置出口形式的总压恢复性能，对排气装置扩压段设计和涡流环设计进行了深入研究。Daniel Hanus和Tomas Censky开发了一种通过组织三维流管走向进行涡轴/涡桨进排气通道设计的创新设计方法，并基于该方法对多型发动机进、排气装置流道方案进行改进设计。

对于后输出轴涡轴发动机，由于输出轴要从排气装置中通过，导致排气装置内的流道型面很不规则，从而使得气流在其中的流动成为复杂的三维流动。[1]目前，对该类排气装置内的流场三维仿真研究较少，主要依靠试验方法来获得该类排气装置的流动特性。为减少在该类排气装置中的流动损失，设计时应尽可能降低拐弯处的流动速度，根据PT6系列发动机的研究经验，单一的扩压减速型侧向排气装置容易增加流动损失，采用先扩压后收敛的流路型面，可实现良好的总压恢复效果。

1 设计要求和思路

1.1 设计要求

本文研究的排气装置由于受到减速器等结构布局的空间限制（见图1），要求设计方案尽可能缩短轴向长度，减小发动机、主辅安装节之间的距离，保证发动机支撑刚性；同时为避免排气装置热辐射对减速器机匣及中间承力机匣产生不利影响，需尽量增加排气装置与减速器和承力机匣之间的距离；排气出口为单侧排气，出口方向与发动机轴向呈90°。

1.2 设计思路

根据设计要求，本文所述排气装置由扩压段、拐弯段、出口段组成，动力涡轮转子出口至排气装置安装边与排气装置拐弯前流道作为排气段扩压段，为获得良好的扩压段流场，避免壁面流场分离，进行扩压段设计时，应选取合适的当量扩压角。当量扩压角过大容易造成气流分离，当量扩压角过小扩压段长度太长。根据涡轮出口流场特性，在保证壁面流场不产生分离的情况下，尽可能增大当量扩压角。采用等压力梯度法设计的扩压段型面。

2 数值仿真方法及校核

本文采用三维数值仿真技术对排气装置气动性能进行研究，由于排气装置出口与大气环境存在引射及回流，计算模型需增加环境远场，采用ANSYS ICEM软件对排气装置计算模型进行网格划分。如图2所示，对排气装置计算模型进行六面体结构网格划分，对流道壁面及排气进、出口区域进行加密处理，计算网格量约800万。计算采用有限体积中心差分格式对N-S方程进行求解，湍流模型为标准κ-ε模型。由于动力涡轮出口气流存在方向角，且沿径向高度变化，故采用UDF方式给定入口边界气流方向角分布，以远场边界作为压力出口边界。

如图3所示，对某型涡轴发动机排气装置初始方案按照整机试验匹配的入口总压、总温参数作为入口边界条件进行数值仿真计算，并将计算结果进行对比，由于出口截面存在回流等因素引起的压力波动导致试验结果曲线存在波动，两者进出口总压损失系数随流量状态变化趋势一致，模拟计算结果可作为排气装置方案设计及对比的参考依据。

3 方案设计结果及分析

3.1 方案设计

如图4所示，根据发动机要求及排气装置设计思路，方案1作为初始设计方案，在此基础上，为减小排气装置长径比，达到缩短排气装置轴向长度的目的，通过调整扩压段当量扩压角、拐弯处流道型面、出口面积及出口截面形状等措施得到方案2和方案3。如图5所示，减小排气装置轴向长度后，相比方案1，方案2和方案3出口截面轴向长度分别减小了10.5%和7.6%，出口截面至轴心的高度均降低了12.8%，其中方案2出口截面面积减小了16%，方案3增大了6.7%。

如图6所示，方案2和方案3拐弯前扩压段的当量扩压角由初始方案的50°分别调整为37°和36°，同时涡轮支撑机匣支板也相应前移。方案2比方案1宽度尺寸小，拐弯处宽度与出口处基本相当，方案3宽度尺寸比方案1尺寸大，且在拐弯处局部往外突出。

3.2 数值仿真分析

在相同设计流量状态下，对三个方案进行数值仿真计算，排气装置模拟计算结果见表1。尽管方案2与方案3轴向长度基本一致，扩压段长度及当量扩压角相当，由于方案2出口截面积比方案1和方案3小，出口马赫数偏高（见图7），出口动压较大，最终导致入口总压比初始方案偏高2kPa。

如图7所示，排气出口存在低速区，由于排气装置入口气流存在较大气流角，低速区偏向一侧。其中方案2与方案1由于流道型面较为相似，方案2只改变了扩压段当量扩压角，其出口速度分布与方案1相似。方案3由于扩压段、拐弯流道型面及出口型面均进行重新设计，出口气流分布存在较大差异，出口低速区比另外两个方案大。

从图8、图9可以看出，三种方案在拐弯处上部壁面均存在加到低压分离区，其中方案1由于当量扩压角较大，分离器较方案2、方案3提前，方案3比方案1和方案2低压分离区小，这也是方案3总压损失最小的原因。

4 结论

本文针对某后输出轴涡轴发动机侧向排气装置设计了三种不同流道型面方案，并对三种方案进行数值仿真计算及分析，得到以下结论：（1）增大排气装置出口截面面积可显著减小出口截面排气速度，减小排气装置入口总压；（2）侧向排气装置出口存在较大的回流区，回流区的大小决定了有效出口截面积的大小；（3）减小排气装置扩压段当量扩压角，可减少扩压段壁面气流分离，进而减小进出口总压损失；（4）在限定排气装置轴向长度的情况下，出口截面积是方案设计考虑的主要因素。

参考文献

[1] 刘大响，主编.航空发动机手册（第7册）[M].北京：航空工业出版社，2000.

[2] 张堃元，余少志，徐辉，等.分叉尾喷管气动性能实验研究[J].航空动力学报，1996（1）：86-88.