一種渦軸發(fā)動機常規(guī)進氣裝置的氣動特性分析

劉媛 胡頌軍

摘 ?要：本文以原有粒子分離器流道型面為基礎(chǔ)，設(shè)計了常規(guī)進氣裝置的氣動方案，以實現(xiàn)粒子分離器和常規(guī)進氣道的選裝。通過數(shù)值仿真的方法對考慮了支板情況的常規(guī)進氣裝置的氣動性能進行了研究，結(jié)果表明，常規(guī)進氣裝置的總壓損失僅為0.95%;常規(guī)進氣裝置整體流場參數(shù)分布均勻，其總壓損失主要是由于支板的存在減小了流通面積，導(dǎo)致流速增加，從而引起流動損失。

關(guān)鍵詞：常規(guī)進氣;氣動性能;支板;數(shù)值仿真

中圖分類號：TK471 ?文獻標識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

渦軸發(fā)動機的進氣部件的主要功能是為壓氣機提供清潔、均勻的氣流。由于渦軸發(fā)動機的使用環(huán)境寬廣，在沙漠等環(huán)境惡劣的地方，渦軸發(fā)動機需要采用進氣防護措施以獲得干凈氣流。經(jīng)過長期的研究和積累，進氣防護已由早期的進氣過濾網(wǎng)、毛氈過濾器和多管慣性粒子分離器發(fā)展為現(xiàn)在的整體式粒子分離器^[1-2]。

為了盡量適應(yīng)更廣泛的環(huán)境使用要求，將粒子分離器部分設(shè)計為可拆卸結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計一種常規(guī)進氣裝置作為替換，如現(xiàn)有的RTM322發(fā)動機。在環(huán)境較為干凈的情況下，發(fā)動機可換裝常規(guī)進氣裝置來減小進氣部件造成的總壓損失。

本文為實現(xiàn)粒子分離器與常規(guī)進氣的互換，針對現(xiàn)有的粒子分離器型面來設(shè)計常規(guī)進氣裝置，并開展了性能評估。

1 常規(guī)進氣方案設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

為實現(xiàn)粒子分離器和常規(guī)進氣道的選裝，在原有無旋式粒子分離器流道的基礎(chǔ)上設(shè)計常規(guī)進氣裝置的氣動型面。設(shè)計遵循以下幾項基本原則：

（1）進口尺寸保證不變;

（2）流道型面光滑連接（根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計確定連接位置）。

常規(guī)進氣裝置的氣動流道設(shè)計方案如圖1所示。

基于粒子分離器的常規(guī)進氣裝置型面設(shè)計

1.2 數(shù)值仿真方法

本文采用FLUENT軟件進行數(shù)值仿真分析，湍流模型采用了RNG（re-normalisation group） k-ε模型，近壁面采用標準壁面函數(shù)進行處理，同時保證y+在30左右。入口采用壓力進口，設(shè)置總壓邊界條件，氣流出口采用壓力出口，并設(shè)定目標流量，壁面邊界采用絕熱壁面與無滑移邊界條件。根據(jù)文獻^[3][4]，可以看出該數(shù)值仿真方法能較好的反映真實流場，為本文設(shè)計方案的性能評估提供了保證。

1.3 常規(guī)氣動方案性能分析

常規(guī)進氣裝置流道為一收縮通道，型面較為簡單，因此直接對其三維狀態(tài)性能進行評估，以期更接近真實結(jié)構(gòu)情況。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，流道內(nèi)部沿周向均布了6個支板，并且有一個支板底部出現(xiàn)不規(guī)則鼓包。

在圖1所示的二維氣動流道的基礎(chǔ)上，結(jié)合原粒子分離器主流通道的六個支板，對常規(guī)進氣道的三維流道模型開展了性能仿真分析。為增強數(shù)值仿真的真實性，鼓包的設(shè)計同樣考慮在內(nèi)，如圖2所示。

對于常規(guī)進氣裝置的流道模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格量約400萬。

常規(guī)進氣道三維流道模型

通過數(shù)值仿真得出：氣流入口到出口截面的總壓降（按流量平均）：963Pa，總壓損失：0.95%。

圖3～5給出了常規(guī)進氣裝置數(shù)值仿真的流場性能，包含對稱面總壓云圖、壁面流線圖、距離進口不同距離的若干截面的壓力分布云圖和出口截面總壓圖。從圖3的對稱面總壓云圖上可以看出，對稱面流場中總壓分布均勻，沒有明顯變化，即流場沒有出現(xiàn)明顯氣流分離。圖3給出的流道內(nèi)壁面與支板的流線圖同樣可以看出，流線分布均勻，無明顯漩渦或交叉現(xiàn)象。

圖4給出的對稱面以及不同流道截面的馬赫數(shù)分布云圖。從圖中可以看出，在支板前方區(qū)域，馬赫數(shù)分布較為均勻，在接近支板位置，出現(xiàn)了較大波動。在有支板的軸向長度范圍內(nèi)，馬赫數(shù)出現(xiàn)明顯增加，這是由于支板的存在減小了流通面積，導(dǎo)致流速增加。同時，支板的尾跡流動也直接影響到了出口截面，從圖5的出口截面總壓分布可以明顯的看到支板尾跡引氣的低壓區(qū)。

由性能數(shù)據(jù)可知，常規(guī)進氣道整體的總壓損失達到0.95%，從流場特性看，其主要損失集中在支板流道部分，由于型面變化以及支板的存在，減小了流通面積，造成局部馬赫數(shù)達到0.6左右，增大了氣流的損失。

2結(jié)語

為實現(xiàn)粒子分離器與建議進氣裝置的換裝，本文在原有粒子分離器流道的基礎(chǔ)上，結(jié)合部件結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了建議進氣裝置的流道型面，并對其氣動性能進行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明：

（1）在考慮支板影響的前提下，常規(guī)進氣裝置的總壓損失為0.95%;

（2）常規(guī)進氣裝置的流場參數(shù)分布均勻，無明顯分離;

（3）常規(guī)進氣裝置的氣動損失主要集中在支板區(qū)域，靜壓和馬赫數(shù)均出現(xiàn)了較大幅度的變化。

參考文獻

童悅，譚慧俊，曾平均.帶掃氣蝸殼的整體式粒子分離器仿真[J].航空動力學(xué)報，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] 于廣元，雷玉冰.基于混合優(yōu)化算法的無葉片粒子分離器優(yōu)化設(shè)計[J].航空動力學(xué)報，2013， 28（8）：1858-1864.

[4] 葉靜，胡柏安，熊焰.渦軸發(fā)動機無葉片粒子分力氣流道設(shè)計[J].現(xiàn)代機械，2007，2：39-42.

收稿日期：2019-05-30

作者簡介：劉媛（1988—），女，湖北襄陽人，碩士，工程師，研究方向：發(fā)動機進排氣設(shè)計。

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