多出口复杂转静盘腔预旋系统流量分配的数值研讨.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093344 多出口复杂转-静盘腔预旋系统 流量分配的数值研究 孟祥海，王锁芳 （南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016 ） (Tel Email: mygic_m@163.com) 摘要：采用数值的方法对复杂转-静盘腔预旋系统内的流动进行了模拟，主要针对不同的影响因素（预 旋角、盘间距、旋转雷诺数、下部缝隙尺寸）对盘腔各出流口流量分配比例的影响规律进行了研究。 结果表明：盘间距对流量比例基本没有影响；预旋角对流量比例的影响较小；随着旋转雷诺数增大， 上部缝隙流量比例逐渐增大，中间接受孔和下部缝隙流量比例逐渐减小；随着下部缝隙尺寸的增加， 上部缝隙流量比例基本不变，中间接受孔流量比例逐渐减小，下部缝隙流量比例逐渐增大。 关键词：转-静盘；预旋；流量比例；数值模拟 0 前言 在现代发动机设计中，预旋冷却结构已经逐渐被采用。这种结构不仅可以有效降低 转盘的平均温度，使转盘的径向温差减小，降低热应力，还可以降低气流的相对总温， 增大气流对涡轮叶片的冷却能力[1] 。在航空发动机中，经过预旋降温后的冷却气体主要 用于冷却涡轮叶片。但是由于转-静盘之间存在间隙，冷却气体进入转-静盘腔后分为多 股[2] 。其中大部分气流流经涡轮盘上的接受孔进入叶片内冷通道对叶片进行冷却，一部 分冷气从上部篦齿封严处泄漏到主燃气通道中，防止燃气入侵，还有一少部分冷气从下 部篦齿封严处泄露到其他腔室。这就形成了一个进口三个出口的流动结构。 为了有效的对涡轮叶片进行冷却，需要使更多的冷却气体进入叶片冷却通道，因此 需要对影响流量分配比例的因素进行了解。在 已有的涡轮盘腔预旋系统研究文献中，对流量 缝隙 分配的研究很少，大多数都是将盘腔结构理想 接受孔 化[3-5]，即忽略了转子和静子之间的冷气泄露。 预旋孔 转盘 本文针对三个出口的复杂转-静盘预旋系统进 行了数值模拟研究，并对影响流量分配的因素 静盘 进行了分析。 1 计算模型 缝隙 图 1 所示为计算的预旋进气旋转盘腔模 ω 型。盘面的外半径为 b=275mm ，内半径 a=168.5mm ，预旋孔出口到接受孔之间的距离 图1 计算模型 G=s/b=0.0545、0.0727、0.0909、0.1091 ；36 个 预旋孔沿静盘周向均匀分布，其直径为8mm，径向位置为248mm ，预旋角θ=18º 、 22º 、 26º 、 30º ；81 个接受孔沿转盘周向均匀分布，其直径为10.5mm，径向位置为261mm ； 上部缝隙尺寸为0.4mm, 下部缝隙尺寸为0.45mm 。整个系统只有转盘绕Z 轴旋转。 2 计算方法 本文采用 FLUENT 商业软件进 行计算。计算中采用迪卡尔惯性坐 标系；用有限体积法对各物理量进 行离散；采用RNGk −ε双方程湍流 模型，对近壁区采用壁面函数法进 行处理；计算方法采用 SIMPLE 算 法；只选取气体域作为计算域；计 算中空气设为理想气体。 由于本模型结构上具有周期性 特点，因此选取1/9 的转-静盘腔建