航空发动机典型径向预旋喷嘴流量特性试验研究

邓维

摘  要：本文对航空发动机典型的叶片式径向预旋喷嘴的流量特性进行了试验研究，获得了该喷嘴的总压损失和换算流量随压比的变化关系，并分析得到了不同压比下喷嘴的流量系数。研究结果表明，喷嘴的总压损失随着压比的增大而增大;在一定范围内喷嘴的换算流量随着压比的增大而不断增加，当达到临界状态后，喷嘴的流量系数趋于稳定。

关键词：径向;预旋;喷嘴;试验研究

对于目前的航空发动机涡轮冷却系统而言，为了提升其冷却效果，通常采用进气预旋的方式。国内外许多学者对预旋系统内的流动和换热做了大量研究。Meierhofer和Franklin[1]最早测量了预旋系统中预旋对接收孔内冷气温度的影响;胡伟学[2]、郑庆[3]等分别采用数值分析和试验方法分析了不同径气角度对预旋特性的影响。但国内外对预旋系统的试验研究中通常会对实际结构进行很大程度的简化，虽然这样做使得研究结果的通用性增强，但这是以牺牲专用性为代价的。本文对一个典型的叶片式预旋系统进行了试验研究，获得了压比对喷嘴进出口总压损失和流量特性的影响以及不同压比下喷嘴的流量系数。

1 试验系统介绍

1.1 试验装置

为了对预旋喷嘴的进口气流条件进行模拟以及对其流通流量和进、出口压力参数进行监测，本试验设计了一套试验装置，其简化示意图如图1所示。

1.2 试验件

本试验所采用的预旋喷嘴为径向叶片式喷嘴，叶片数量为18个，喉部面积为19.38mm2，整个喷嘴的流通面积为348.84mm2。

1.3 试验状态

在典型的发动机空气系统中，预旋喷嘴的进口高压冷气一般在400℃以上，而温度因素对预旋喷嘴的流通能力和总压损失影响相对较小，因此为了降低试验难度，试验选在常温状态下进行。为了更好的将试验结果与真实发动机状态下喷嘴的流量特性进行对比，需要将流量换算成标准状态下的流量即换算流量，其定义如式（1）。

2 试验结果及分析

评价一个预旋喷嘴设计好坏的依据一般包括其进出口流体的温降、进出口总压损失以及流通能力等。本试验中难以测得准确的出口流体相对总温，因以无法获得喷嘴进出口温降结果。图2为压比对喷嘴进出口总压损失的影响，从图中可以看出：随着压比增大，气流的速度增大，增加了气体的摩擦及气动损失，因此喷嘴的总压损失不断增加，且基本上呈线性增大的趋势。

图3为压比对换算流量的影响，从图中可以看出：在一定范围内，随着压比增大，换算流量不断增大;在小压比时换算流量增速较快，随着压比增大换算流量的增速不断变慢，当压比接近临界状态时，喷嘴喉部速度已经接近声速，此时已达到喷嘴的最大流通能量，再增加进口压力流量也不再变化。

3 流量系数计算分析

本文采用的理论流量计算公式如式（2）所示。

图4给出了本试验采用喷嘴结构的流量系数随着压比变化的趋势。从图中可以看出：当压比小于1.3时，流量系数基本保持在0.63左右，此时增大压比流量系数增加不明显;但当压比大于1.3时，流量系数随着压比增加而不断增大直至接近临界状态，此时，流量系数基本不再随着压比增大，而是稳定在0.85左右。

4 结论

本文对典型的叶片式径向预旋喷嘴的流量特性进行了试验研究，得到如下结论：

1）随着压比增大，预旋喷嘴的总压损失不断增加，且近似呈线性增大的趋势。

2）在一定范围内，随着压比增大，换算流量不断增大;在小压比时换算流量增速较快，随着压比增大换算流量的增速不断变慢，当压比增大到接近临界状态时，换算流量基本不變。

3）当压比较小时，流量系数基本保持在一个比较低的水平;但当压比逐渐增大时，流量系数随着压比增加而不断增大直至接近临界状态，此时，流量系数基本不再随着压比增大，而是基本保持不变。

参考文献

[1]  Meierhofer B.，and Franklin C.J.An investigation of a preswirled cooling airflow to a turbine disc by measuring the air temperature in the rotating channels[A]. ASME Paper，81-GT-132，1981

[2]  胡伟学，王锁芳，毛莎莎.预旋喷嘴径向角度对预旋特性影响的数值研究[J].航空动力学报，2019，34（1）：84-91.

[3]  郑庆，冯青，陈尧，张博.收缩形预旋喷嘴流场的实验研究[J].机械与电子，2014（3）：14-17.