一种涡轴发动机常规进气装置的气动特性分析

刘媛 胡颂军

摘  要：本文以原有粒子分离器流道型面为基础，设计了常规进气装置的气动方案，以实现粒子分离器和常规进气道的选装。通过数值仿真的方法对考虑了支板情况的常规进气装置的气动性能进行了研究，结果表明，常规进气装置的总压损失仅为0.95%;常规进气装置整体流场参数分布均匀，其总压损失主要是由于支板的存在减小了流通面积，导致流速增加，从而引起流动损失。

关键词：常规进气;气动性能;支板;数值仿真

中图分类号：TK471  文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

涡轴发动机的进气部件的主要功能是为压气机提供清洁、均匀的气流。由于涡轴发动机的使用环境宽广，在沙漠等环境恶劣的地方，涡轴发动机需要采用进气防护措施以获得干净气流。经过长期的研究和积累，进气防护已由早期的进气过滤网、毛毡过滤器和多管惯性粒子分离器发展为现在的整体式粒子分离器^[1-2]。

为了尽量适应更广泛的环境使用要求，将粒子分离器部分设计为可拆卸结构，同时设计一种常规进气装置作为替换，如现有的RTM322发动机。在环境较为干净的情况下，发动机可换装常规进气装置来减小进气部件造成的总压损失。

本文为实现粒子分离器与常规进气的互换，针对现有的粒子分离器型面来设计常规进气装置，并开展了性能评估。

1 常规进气方案设计

1.1 设计思路

为实现粒子分离器和常规进气道的选装，在原有无旋式粒子分离器流道的基础上设计常规进气装置的气动型面。设计遵循以下几项基本原则：

（1）进口尺寸保证不变;

（2）流道型面光滑连接（根据结构设计确定连接位置）。

常规进气装置的气动流道设计方案如图1所示。

基于粒子分离器的常规进气装置型面设计

1.2 数值仿真方法

本文采用FLUENT软件进行数值仿真分析，湍流模型采用了RNG（re-normalisation group） k-ε模型，近壁面采用标准壁面函数进行处理，同时保证y+在30左右。入口采用压力进口，设置总压边界条件，气流出口采用压力出口，并设定目标流量，壁面边界采用绝热壁面与无滑移边界条件。根据文献^[3][4]，可以看出该数值仿真方法能较好的反映真实流场，为本文设计方案的性能评估提供了保證。

1.3 常规气动方案性能分析

常规进气装置流道为一收缩通道，型面较为简单，因此直接对其三维状态性能进行评估，以期更接近真实结构情况。根据结构设计需要，流道内部沿周向均布了6个支板，并且有一个支板底部出现不规则鼓包。

在图1所示的二维气动流道的基础上，结合原粒子分离器主流通道的六个支板，对常规进气道的三维流道模型开展了性能仿真分析。为增强数值仿真的真实性，鼓包的设计同样考虑在内，如图2所示。

对于常规进气装置的流道模型采用结构化网格划分，网格量约400万。

常规进气道三维流道模型

通过数值仿真得出：气流入口到出口截面的总压降（按流量平均）：963Pa，总压损失：0.95%。

图3～5给出了常规进气装置数值仿真的流场性能，包含对称面总压云图、壁面流线图、距离进口不同距离的若干截面的压力分布云图和出口截面总压图。从图3的对称面总压云图上可以看出，对称面流场中总压分布均匀，没有明显变化，即流场没有出现明显气流分离。图3给出的流道内壁面与支板的流线图同样可以看出，流线分布均匀，无明显漩涡或交叉现象。

图4给出的对称面以及不同流道截面的马赫数分布云图。从图中可以看出，在支板前方区域，马赫数分布较为均匀，在接近支板位置，出现了较大波动。在有支板的轴向长度范围内，马赫数出现明显增加，这是由于支板的存在减小了流通面积，导致流速增加。同时，支板的尾迹流动也直接影响到了出口截面，从图5的出口截面总压分布可以明显的看到支板尾迹引气的低压区。

由性能数据可知，常规进气道整体的总压损失达到0.95%，从流场特性看，其主要损失集中在支板流道部分，由于型面变化以及支板的存在，减小了流通面积，造成局部马赫数达到0.6左右，增大了气流的损失。

2结语

为实现粒子分离器与建议进气装置的换装，本文在原有粒子分离器流道的基础上，结合部件结构特点，设计了建议进气装置的流道型面，并对其气动性能进行了数值仿真。结果表明：

（1）在考虑支板影响的前提下，常规进气装置的总压损失为0.95%;

（2）常规进气装置的流场参数分布均匀，无明显分离;

（3）常规进气装置的气动损失主要集中在支板区域，静压和马赫数均出现了较大幅度的变化。

参考文献

童悦，谭慧俊，曾平均.带扫气蜗壳的整体式粒子分离器仿真[J].航空动力学报，2013， 28（5）：1125-1133.

[2]Filippone A，Bojdo N.Turboshaft engine air particle separator[J].Progress in Aerospace Sciences，2010，46（5/6）：224-245.

[3] 于广元，雷玉冰.基于混合优化算法的无叶片粒子分离器优化设计[J].航空动力学报，2013， 28（8）：1858-1864.

[4] 叶静，胡柏安，熊焰.涡轴发动机无叶片粒子分力气流道设计[J].现代机械，2007，2：39-42.

收稿日期：2019-05-30

作者簡介：刘媛（1988—），女，湖北襄阳人，硕士，工程师，研究方向：发动机进排气设计。

The Analysis of Aerodynamic Performance for the Simple Intake of Turbo shaft Engine

LIU Yuan，HU Song-jun

（AECC HUNAN AVIATION POWERPLANT RESEARCH INSTITUTE，Zhuzhou Hunan 412002）

Abstract：A simple intake aerodynamic case is designed based on the original profile of the chosen inlet particle separator， for the purpose of exchange between the simple intake and IPS. And then the aerodynamic performance of the simple intake with the chosen supported slabs is researched by numerical simulation. The result showed that the total pressure loss of the simple intake was only 0.95%. The parameters of the whole flow fluid was well distributed， and the main total pressure loss was in the zone of supported slabs， which caused by the reduced flow area and the increased flow velocity.

Key words：simple intake; aerodynamic performance; supported slabs; numerical simulation