渦輪盤腔徑向封嚴(yán)流動(dòng)的非定常數(shù)值研究

張晶輝，張振揚(yáng)

(1.西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院， 西安 710077； 2.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所, 北京 100074)

1 引言

軸流渦輪導(dǎo)葉下游的高溫燃?xì)鈺?huì)通過動(dòng)靜盤在輪緣處的間隙入侵渦輪盤腔，進(jìn)而影響渦輪盤及動(dòng)葉榫槽的工作安全和使用壽命，一般通過從高壓壓氣機(jī)某級(jí)出口引入冷氣到渦輪盤腔相應(yīng)部位對(duì)渦輪盤進(jìn)行冷卻，同時(shí)也作為封嚴(yán)氣體，從轉(zhuǎn)靜間隙流入主流，阻止高溫燃?xì)馔ㄟ^間隙入侵渦輪盤腔。封嚴(yán)冷氣流量過大，也會(huì)降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的氣動(dòng)效率。研究表明，入侵燃?xì)庠黾拥揭欢髁靠山档蜏u輪盤壽命的50%，減小50%的封嚴(yán)冷氣量可提高渦輪氣動(dòng)效率的0.5%[1]。研究渦輪封嚴(yán)流動(dòng)的目的是以如何以最小的封嚴(yán)流量保證可靠的封嚴(yán)效率，同時(shí)減小對(duì)主流氣動(dòng)效率的影響，這需要深刻認(rèn)識(shí)燃?xì)馊肭趾屠錃夥鈬?yán)的機(jī)理。

Johnson[2]、Coren[3]、高杰[4]等總結(jié)了國(guó)內(nèi)外渦輪封嚴(yán)試驗(yàn)臺(tái)研究成果及與數(shù)值研究結(jié)果的比較，認(rèn)為燃?xì)馊肭脂F(xiàn)象是三維非定常湍流流動(dòng)，采用定常計(jì)算不能揭示其封嚴(yán)機(jī)理[5-7]，即使采用定常計(jì)算及沒有轉(zhuǎn)靜葉片的軸對(duì)稱模型，燃?xì)馊肭忠廊痪哂腥S非定常流動(dòng)特點(diǎn)[8]。Jakoby等[9]通過測(cè)量渦輪前盤腔靜盤壁面壓力，并對(duì)瞬態(tài)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)在封嚴(yán)流量低于一定值時(shí)盤腔內(nèi)存在旋轉(zhuǎn)的大渦結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)速與動(dòng)盤轉(zhuǎn)速方向一致，速度為80%動(dòng)盤轉(zhuǎn)速，由此引起較嚴(yán)重的燃?xì)馊肭?。Cao等[10]和Schuepbach等[11]也通過試驗(yàn)驗(yàn)證了類似低頻大渦結(jié)構(gòu)的存在。Julien等[12]發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的大渦結(jié)構(gòu)在冷氣流量提高到某一值時(shí)會(huì)消失，此時(shí)動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)對(duì)燃?xì)馊肭值挠绊憸p弱，導(dǎo)葉和動(dòng)葉的相互作用對(duì)燃?xì)馊肭制鹬饕绊憽’Mahoney等[13]采用大渦模擬模型詳細(xì)顯示了燃?xì)馊肭值牧鲃?dòng)結(jié)構(gòu)，與其他湍流模型相比更接近試驗(yàn)結(jié)果。Rabs等[14]把封嚴(yán)間隙渦解釋為開爾文-赫姆霍茲非定常渦，其形成抑制了燃?xì)馊肭值募觿?。張晶輝等[15]以增加封嚴(yán)結(jié)構(gòu)內(nèi)的非定常渦為目的，設(shè)計(jì)了波浪形輪緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非均勻軸向封嚴(yán)間隙，使封嚴(yán)間隙內(nèi)較大的入侵及出流結(jié)構(gòu)尺度減小，在不減小封嚴(yán)效率的同時(shí)，提高了渦輪效率。

張慶才等[16]發(fā)現(xiàn)復(fù)合型封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的軸向間隙大小對(duì)封嚴(yán)效果的影響比徑向間隙的影響大。程舒嫻等[17]非定常數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)盤腔內(nèi)靜盤壁面的濃度封嚴(yán)效率周向不均勻，動(dòng)葉上游與盤腔內(nèi)部的壓力波動(dòng)頻率與動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)頻率一致。

本文中非定常數(shù)值研究了渦輪前盤腔徑向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)流動(dòng)，從盤腔內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)、封嚴(yán)間隙速度場(chǎng)、主流和封嚴(yán)氣流相互影響的角度分析了徑向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)機(jī)理。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為亞琛大學(xué)蒸汽燃?xì)鉁u輪研究所的1.5級(jí)渦輪盤腔試驗(yàn)臺(tái)[18](圖1)。導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子后靜葉各有16個(gè)葉片，動(dòng)葉32個(gè)葉片。徑向封嚴(yán)幾何結(jié)構(gòu)見圖2輪緣半徑R=135 mm，動(dòng)靜盤間距s=12.5 mm，外側(cè)軸向封嚴(yán)間隙sc=4 mm，靜盤和動(dòng)盤輪緣唇齒寬度slip=4.25 mm，徑向封嚴(yán)間隙scr=2 mm，輪緣重疊寬度sov=1.25 mm，t為柵距，φ為周向坐標(biāo)。

圖1 渦輪盤腔封嚴(yán)試驗(yàn)臺(tái)截面Fig.1 Cross section of the turbine cavity seal test rig

圖2 徑向封嚴(yán)幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Radial rim seal configurations

2.2 模型、網(wǎng)格及邊界條件

計(jì)算域見圖3，周向?yàn)?2.5°，主流進(jìn)出口分別位于導(dǎo)葉和動(dòng)葉上下游1.5倍弦長(zhǎng)處，忽略動(dòng)葉葉頂間隙，轉(zhuǎn)子域和靜子域交界面位于封嚴(yán)間隙下游。靜子域和盤腔域采用ANSYS-ICEM進(jìn)行一體化網(wǎng)格劃分，轉(zhuǎn)子域采用Numeca進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)果顯示主流壁面y+<5，盤腔壁面y+<2。采用ANSYS-CFX求解非定常剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)湍流模型，主流和盤腔進(jìn)口都為理想空氣，只是把盤腔進(jìn)口標(biāo)記為封嚴(yán)氣體，兩者在封嚴(yán)處摻混為多組分氣體，以計(jì)算濃度封嚴(yán)效率。根據(jù)文獻(xiàn)[19]中與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得到的結(jié)論，封嚴(yán)面網(wǎng)格采用匹配網(wǎng)格(圖4)以減小數(shù)值誤差。采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)靜交界面進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果表明所采用的網(wǎng)格數(shù)量基本滿足計(jì)算需求。

圖3 計(jì)算域示意圖Fig.3 Computational domain

圖4 匹配網(wǎng)格Fig.4 Matched mesh

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證

圖5 導(dǎo)葉下游機(jī)匣壁面靜壓系數(shù)曲線Fig.5 Hub pressure coefficient distribution downstream of vane

3.2 盤腔及封嚴(yán)間隙內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)

盤腔內(nèi)沿徑向形成了數(shù)個(gè)渦核結(jié)構(gòu)(圖6)，其形成是由于盤腔進(jìn)口供給的封嚴(yán)流量不能滿足動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)泵效應(yīng)的需求，因此在不同半徑位置氣流從靜盤流向動(dòng)盤，以補(bǔ)充動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)所需流量，從非定常結(jié)果看其徑向位置基本穩(wěn)定。盤腔內(nèi)沿徑向較多的渦核結(jié)構(gòu)可以加劇封嚴(yán)氣流的循環(huán)作用，即使在輪緣有部分燃?xì)馊肭?，也僅局限在最外側(cè)的渦核結(jié)構(gòu)內(nèi)，數(shù)量多的渦核結(jié)構(gòu)有利于提高封嚴(yán)效率。

圖6 盤腔內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Flow structures in cavity

圖7為封嚴(yán)間隙內(nèi)非定常速度矢量分布，T為動(dòng)葉掃過一個(gè)靜葉通道的周期，每個(gè)時(shí)刻導(dǎo)葉與動(dòng)葉的相對(duì)位置見圖8，因?yàn)樗俣却笮〔罹嗵螅瑘D8中僅顯示了方向。通過每個(gè)位置每個(gè)時(shí)刻的分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)周向位置都存在燃?xì)馊肭脂F(xiàn)象，封嚴(yán)間隙內(nèi)的流場(chǎng)形態(tài)具有周期性。

圖7 非定常速度矢量分布圖Fig.7 Unsteady velocity vector distribution

在φ/t=0.45位置的1/10T時(shí)刻，封嚴(yán)氣體出流較為順暢，3/10T時(shí)刻在外側(cè)軸向間隙內(nèi)產(chǎn)生了逆時(shí)針的封嚴(yán)間隙渦，5/10T時(shí)刻又恢復(fù)封嚴(yán)氣體出流，7/10T時(shí)刻發(fā)生了燃?xì)馊肭?，在外?cè)軸向間隙內(nèi)形成順時(shí)針的封嚴(yán)間隙渦，9/10T時(shí)刻同樣發(fā)生燃?xì)馊肭?，外?cè)軸向間隙內(nèi)形成順時(shí)針封嚴(yán)間隙渦，內(nèi)側(cè)軸向間隙內(nèi)形成逆時(shí)針封嚴(yán)間隙渦。

在φ/t=0.85位置也存在周期性的燃?xì)馊肭旨俺隽鳜F(xiàn)象。與φ/t=0.45位置相比，有共同的特點(diǎn)，發(fā)生燃?xì)馊肭謺r(shí)會(huì)在外側(cè)軸向封嚴(yán)間隙內(nèi)形成順時(shí)針封嚴(yán)間隙渦，封嚴(yán)氣體出流時(shí)不會(huì)產(chǎn)生封嚴(yán)間隙渦或者產(chǎn)生逆時(shí)針的封嚴(yán)間隙渦，逆時(shí)針的封嚴(yán)間隙渦是從燃?xì)馊肭值椒鈬?yán)氣體出流過渡期間出現(xiàn)的，對(duì)封嚴(yán)有正面效果，這是由于動(dòng)盤輪緣的旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)產(chǎn)生的。內(nèi)側(cè)軸向間隙逆時(shí)針的封嚴(yán)間隙渦也對(duì)封嚴(yán)有正面效果，阻礙了燃?xì)馊肭帧?/p>

3.3 盤腔及封嚴(yán)間隙內(nèi)速度分布

定義徑向速度系數(shù)Vr，c=Vr/Videal，其中Vr為徑向速度，Videal為理想情況下封嚴(yán)面上的均勻徑向速度。圖8表示了盤腔上半部分子午面內(nèi)徑向速度分布，實(shí)線圓圈為發(fā)生燃?xì)馊肭值膮^(qū)域，主要集中在其中一個(gè)動(dòng)葉前緣的壓力面?zhèn)?，虛線圓圈為封嚴(yán)氣體出流區(qū)域，主要在其中一個(gè)動(dòng)葉通道的中間區(qū)域，兩者交替出現(xiàn)并以低于動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)速度而旋轉(zhuǎn)。

圖8 徑向速度系數(shù)分布圖Fig.8 Radial velocity coefficient distribution

圖9表示了盤腔內(nèi)切向速度系數(shù)分布，定義為：Vt，c=Vt/(Rω)，Vt為切向速度。與徑向速度系數(shù)分布對(duì)比，發(fā)現(xiàn)燃?xì)馊肭謪^(qū)域的切向速度大于動(dòng)盤輪緣切線速度。動(dòng)盤輪緣內(nèi)側(cè)氣流的切向速度系數(shù)都小于1，說明此區(qū)域不可能為完全的入侵燃?xì)?，但有可能是入侵燃?xì)夂头鈬?yán)氣體的混合氣體。由于此封嚴(yán)流量下動(dòng)盤輪緣下方幾乎沒有燃?xì)馊肭?，因此徑向速度大?的區(qū)域可能是從旋轉(zhuǎn)方向而來的封嚴(yán)氣體與入侵燃?xì)獾幕旌蠚怏w，加上動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，使出流氣體的切向速度可能大于動(dòng)盤輪緣切線速度，如圖中虛線圓圈所示。封嚴(yán)間隙內(nèi)流場(chǎng)受到動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)作用較強(qiáng)，盤腔內(nèi)靜盤附近受動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)作用較弱，主要是補(bǔ)充動(dòng)盤泵效應(yīng)所需流量。

圖9 切向速度系數(shù)分布圖Fig.9 Tangential velocity coefficient distribution

把整個(gè)封嚴(yán)面沿周向分為45個(gè)區(qū)域，計(jì)算其面積平均的徑向速度沿周向分布，封嚴(yán)面上時(shí)間平均及瞬時(shí)的徑向速度系數(shù)沿周向分布見圖10。向內(nèi)徑向速度時(shí)均結(jié)果為負(fù)值的區(qū)域?yàn)棣?t=0.51～0.87，其中最大值位于φ/t=0.7附近，處于導(dǎo)葉尾跡區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)榉鈬?yán)氣體出流。瞬時(shí)結(jié)果顯示每個(gè)周向位置都會(huì)發(fā)生燃?xì)馊肭帧?/p>

圖10 封嚴(yán)面徑向速度系數(shù)分布曲線Fig.10 Radial velocity coefficient distribution on sealing surface

3.4 盤腔及封嚴(yán)間隙內(nèi)參數(shù)的非定常分析

圖11表示了徑向速度時(shí)均值沿軸向分布，其中r/R=0.95位于內(nèi)側(cè)軸向封嚴(yán)間隙。盤腔內(nèi)中間位置到動(dòng)盤壁面氣流向外流動(dòng)，中間位置到靜盤壁面氣流向內(nèi)流動(dòng)。r/R=0.95位置的徑向速度時(shí)均結(jié)果都為正值，靠近動(dòng)盤唇齒邊較大。由于受到動(dòng)盤摩擦力的作用，動(dòng)盤附面層內(nèi)的徑向速度很快減小。

圖11 徑向速度沿軸向分布曲線Fig.11 Radial velocity distribution along the axial direction

圖12表示了徑向速度的均方根值沿軸向分布，在r/R=0.9以上區(qū)域具有較強(qiáng)的徑向速度波動(dòng)，在以下區(qū)域徑向速度基本沒有波動(dòng)，這與圖6所顯示的穩(wěn)定渦核結(jié)構(gòu)一致。靜盤壁面封嚴(yán)氣體濃度在r/R=0.9位置大于0.99，在r/R=0.95位置為0.95，說明燃?xì)馊肭种饕l(fā)生在封嚴(yán)間隙內(nèi)，有極少燃?xì)鈺?huì)入侵到盤腔內(nèi)，并且局限在最上面的渦核結(jié)構(gòu)中。

圖12 徑向速度均方根值沿軸向分布曲線Fig.12 The root mean square value of radial velocity distribution along the axial direction

3.5 封嚴(yán)氣流與主流的非定常相互影響

為了比較封嚴(yán)氣流對(duì)導(dǎo)葉下游機(jī)匣壁面靜壓的影響，刪去圖3計(jì)算域中盤腔計(jì)算域，僅保留主流計(jì)算域進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到壓力周向分布見圖13。由于封嚴(yán)結(jié)構(gòu)及封嚴(yán)氣流的存在，導(dǎo)葉引起的壓力周向非均勻性從0.29減小到了0.243，動(dòng)葉引起的壓力波動(dòng)最大值從0.063增加到了0.192，說明封嚴(yán)氣流減弱了導(dǎo)葉引起的壓力周向非均勻性，交替進(jìn)行的外層軸向封嚴(yán)間隙內(nèi)渦結(jié)構(gòu)增大了壓力的非定常波動(dòng)。

圖13 導(dǎo)葉下游機(jī)匣靜壓周向分布曲線Fig.13 Hub pressure distribution downstream of vane

為了研究封嚴(yán)間隙內(nèi)的燃?xì)馊肭旨胺鈬?yán)氣體出流結(jié)構(gòu)的頻率，對(duì)封嚴(yán)面上及導(dǎo)葉下游中間葉高主流位置的靜壓進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控點(diǎn)見圖3。收斂后對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析(圖14)，發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)幅值較高的頻率，分別對(duì)應(yīng)動(dòng)葉掃過頻率和燃?xì)馊肭诸l率，其中燃?xì)馊肭诸l率較低，這也解釋了圖7中外側(cè)軸向封嚴(yán)間隙內(nèi)入侵出流現(xiàn)象旋轉(zhuǎn)速度低于動(dòng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。

圖14 監(jiān)控點(diǎn)壓力頻譜分析曲線Fig.14 Pressure frequency analysis at monitoring points

4 結(jié)論

1) 由于徑向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的阻擋，盤腔內(nèi)沿徑向形成了數(shù)個(gè)穩(wěn)定的渦核結(jié)構(gòu)，加劇了封嚴(yán)冷氣在盤腔內(nèi)的循環(huán)作用，即使有部分燃?xì)馊肭?，也僅局限在最外側(cè)的渦核內(nèi)，有利于提高封嚴(yán)效果。燃?xì)馊肭直痪窒拊诜鈬?yán)間隙內(nèi)，濃度封嚴(yán)效率在r/R=0.9位置大于0.99，在r/R=0.95位置為0.95。

2) 靜盤附近徑向速度向內(nèi)，是由渦核結(jié)構(gòu)引起，和燃?xì)馊肭株P(guān)系不大。由于盤腔內(nèi)渦核結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，徑向速度的非定常波動(dòng)被限制在封嚴(yán)間隙內(nèi)，盤腔內(nèi)非定常波動(dòng)很小。

3) 封嚴(yán)氣流與主流的相互作用引起導(dǎo)葉下游機(jī)匣壁面靜壓周向不均勻性減小，非定常性增強(qiáng)。封嚴(yán)間隙內(nèi)的入侵和出流結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)頻率低于動(dòng)葉掃過頻率。