试述某大型压气机试验器双涵道排气蜗壳设计

刘习川 孟晓宇

摘 要 在压气机性能试验中，压气机试验件出口直接与排气蜗壳相连。排气蜗壳除了承受高温高压的气流之外，对压气机试验件的气动性能影响必须尽可能小。根据某压气机试验件的试验要求，对排气蜗壳进行设计计算。

关键词 试验;双涵道排气蜗壳;设计;计算

Design of the Bypass Exhaust Volute for a big Compressor Test Rig

Li Xichuan Meng Xiaoyu

AECC HUNAN AVIATION POWERPLANT RESEARCH INSTITUTE，Zhuzhou，China 412002

Abstract In the process of compressor test， the compressor rig is directly connected with the exhaust volute. So， the exhaust volute has to withstand the high temperature and the high pressure of the exhaust， and the effects caused by the exhaust volute on compressor test results should be as small as possible. According to the test requirements of a compressor rig， the exhaust volute was design and calculated.

Key Words Test; Bypass exhaust volute; Design; Calculate

压气机是涡轮发动机的重要部件，技术含量高、设计难度大、研制周期长，是发动机研制中的关键环节[1]。目前，计算仿真还难以准确预估其气动性能及机械动力特性，仍需采用试验的方法进行验证和评估[2～4]。

1 排气蜗壳的气动设计

为使压气机出口流场均匀，排气蜗壳流道按等流速设计[5、6]。蜗壳截面示意图如下：

为减少排气蜗壳的流动损失，尽量减少流道气流速度，根据压气机试验件的性能参数要求，同时考虑到双涵排气蜗壳的外形尺寸不能太大，在流动损失增加有限的情况下，按经验取流速不大于80m/s，按试验件参数指标取堵点压比和堵点效率，计算排气蜗壳出口面积，根据试验件结构尺寸取排气蜗壳入口环径向宽度和入口环直径，得到排气蜗壳流道截面参数。

2 排气蜗壳的结构设计

双涵排气蜗壳耐温耐压不高，采用焊接制作，其中机匣为整体铸造件，材料采用0Cr17Ni7Al焊接，外涵收集器流道壁厚18mm，内涵收集器流道壁厚20mm。双涵排气蜗壳及排气转接段结构简图如图2：

3 双涵排气蜗壳的温度场计算

3.1 边界条件

排气蜗壳边内壁面与试验件出口气流接触，外壁面与大气接触，内、外壁面均给第三类换热边界条件，换热系数由如下平板换热经验公式[7]得到：

式中：

—雷诺数，取进出口平均值，

—普朗特数。

3.2 温度场计算结果

图3—图5给出了双涵蜗壳内、外涵表面温度分布云图，由图可知，蜗壳壁面的温度场，靠近压气机出口的区域温度略高，外围温度略低，整个温度场的分布较为均匀、合理，该排气蜗壳设计方案可以滿足压气机试验的要求。

4 双涵排气蜗壳的强度计算

4.1 边界条件及载荷

约束排气蜗壳支耳端面上全部节点的XYZ方向位移;内、外涵流道面压力施加工作压力;壳体上加载温度载荷。

4.2 强度计算结果

双涵蜗壳当量应力分布见图6和图7。蜗壳壳体和排气出口拉杆的最大当量应力分别为393MPa和275MPa。

4.3 强度校核

对排气蜗壳的强度设计要求如下：

屈服安全系数：

;

极限安全系数：

。

式中：K-铸件系数，取1.1。

由于存在应力集中，最大当量应力取图6～图7中应力最大处的局部平均值。强度评定结果见表1，满足使用要求。

5 结束语

本文根据压气机试验要求，合理设计排气蜗壳结构和流道型面，运用三维建模软件建立排气蜗壳集合模型，采用有限元方法对排气蜗壳进行了温度场和强度计算，其结构设计、材料选用符合使用要求，为某压气机试验器的建设奠定基础。在现有的计算条件和状态下，其设计方法和技术路线有一定借鉴意义。

参考文献

[1] 崔健，幸晓龙.多级轴流压气机试验研究[J].燃气涡轮试验与研究，2005，18（4）：1-6.

[2] 陈懋章，刘宝杰.大涵道比涡扇发动机风扇/压气机气动设计技术分析[J].航空动力学报，2008，29（3）：513-526.

[3] Wisler D C，Halstead D E，Beacher B F. Improving Compressor and Turbine Performance through Cost-Effective Low-Speed Testing[R]. ISABE 99-7073，1999.

[4] 顾杨，尹红顺，任铭林，等.加温加压压气机试车台在发动机研制中的作用[J].燃气涡轮试验与研究，2008，21（1）：18-21.

[5] 姜森禄，李良明，刘丰，等.中小型航空涡轮发动机试验技术培训手册第2卷第二册[M].北京：航空航天工业部第六O八研究所，1991：28-29.

[6] 林琳.压气机试验器排气系统设计技术要求[M].北京：航空航天工业部第六O八研究所，1999：4-5.

[7] 杨世铭.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998：90.

作者简介

刘习川（1984-），男;学历：硕士研究生，工程师，研究方向：航空发动机压气机试验。

孟晓宇（1982-），男;学历：硕士研究生，工程师，现就职单位：中国航发湖南动力机械研究所，研究方向：航空发动机压气机试验。