基于网络法分析的增压燃机轮盘流场特性研究

摘 要：涡轮盘的温度场分布通道内的流场特性影响燃机性能。通过建立某增压驱动型燃气轮机的一维稳态的网络法空气系统模型，基于动量方程、连续方程、能量方程组成的非线性方程组，分析轮盘的温度场分布通道内的流场特性，得到流场的温度场和压力场分布，以及各个强势内的平均温度。这对燃机优化设计具有一定的指导意义。

关键词：空气系统网络法 流场分析 温度分布

中图分类号：TK262 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0125-03

高温燃气在叶片通道中膨胀做功，经涡轮盘将力矩传递到涡轮转轴，涡轮盘通有冷却空气进行冷却。因此，轮盘通道内的流场特性影响了整个燃机的性能，许多研究者都致力于该方面的研究，基于理论分析、模拟仿真等进行了大量的探索性研究，得到了一些有价值的研究成果[1，2]。一般，其空气系统从压气机的适当位置抽取冷却空气，通过主流道的内、外侧各种通流元件，按设计的流路以及压力、温度和流量流动等流动参数从确定的主流道的若干部位排出，与主流汇合或直接泄漏到机体外部排入大气。这里考虑空气系统主要功能有以下几方面。

（1）供给并控制涡轮冷却叶片的冷却空气，保证叶片冷气进口具有要求的压力和温度。

（2）冷却涡轮转子主要部件（叶片、轮盘和轴等），保持工作时允许的温度状态。

（3）冷却涡轮静子（导向叶片、机匣、外环等），保持工作时允许的温度状态。

这里着重分析涡轮盘的冷却计算和热力计算。通过此部分计算，获得涡轮盘的最高温度和盘内温度分布，以便进行强度分析，热量从涡轮盘的边缘径向传入涡轮盘，盘侧面冷气的流动与换热直接决定了涡轮盘的最高温度与温度分布。冷气流经涡轮盘后，温度升高，出口温度的升高又直接影响通流下一部件的换热，确定冷却空气的进出口温度，为后续计算提供初始条件。

然而，目前对于增压燃机研究的公开文献比较少，因此，该方面的研究具有一定的积极意义。文章基于网络法建立增压燃机一维空气系统模型，分析得到轮盘通道内的流场特性，包括温度场分布、压力场分布以及各个强势内的平均温度。

1 模型简化和分析计算

1.1 基本理论模型

二次空气系统的热力网络法分析数学模型为n+m维由动量方程、连续方程、能量方程组成的非线性方程组。

冷却空气流量连续方程：

mi （1）

动量方程：

（2）

能量方程：

（3）

1.2 模型简化

文章对增压型燃机涡轮盘结构（如图1所示）进行建模分析。建立增压型燃机涡轮盘二维轴对称模型，由于在涡轮盘上有一些用于冷却气体流通的气孔，涡轮盘并不是完整意义上的轴对称模型，需要对这些气孔结构进行转化处理，使其成为一个完整的计算域。

燃气涡轮空气冷却系统最常见的轮盘冷却换热方式是在盘侧间隙通道内，有冷却空气供给和无冷却空气供给情况下，径向吹风和喷射吹风的湍流状态下的对流换热情况。实际上轮盘侧表面的对流换热计算主要还是应用建立在试验数据基础上的理论解和根据一定工作条件下获得的试验准则关系式。通常用努塞尔准则关系表示：

（4）

式中：R为定性尺寸。

对在空气中旋转的轮盘，假设侧面边界层内速度和温度分布规律相同（按幂指数分布）。相应冷却空气与轮盘表面的温度之差的沿径向分布规律为。在湍流状态下自由盘的侧面换热规律为：

（5）

旋转轮盘侧表面换热强度主要取决于旋转雷诺数、外流的旋流系数和通道结构几何参数、冷气进口状态参数等，具体如表1所示。

2 计算结果

考虑压气机排气和四级抽气流路分配情况，具体如图2所示。

根据总体计算结果，高压压气机排气压力总压范围为1.6～2.0 MPa，总温为745 K，4级级间抽气压力总压范围为0.9～1.1 MPa，温度为598 K，和二维涡轮盘温度场分布，为流场计算提供初始边界条件进行压力场和温度场分析，如图3所示。

各个腔室温度分布如表2所示。

3 结论

文章通过建立某增压驱动型燃气轮机的一维稳态的网络法空气系统模型，基于动量方程、连续方程、能量方程组成的非线性方程组，分析轮盘的温度场分布通道内的流场特性，得到的结论如下。

（1）压气机排气在腔室1中的冷却效果较好。腔室5和腔室6中由于有两部分流量通过，冷却效果增强。

（2）通过求解能量方程，得到典型结构腔室的换热系数和温度分布，和三维计算相比较，温度分布基本相同。

该研究所得到流场的温度场分布、压力场分布以及各个强势内的平均温度，对燃机的优化设计具有一定的指导意义。

参考文献

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[6]曹玉璋，陶智.航空发动机传热学[M].北京：北京航航天大学出版社，2005.

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