超紧凑涡轮过渡段数值模拟研究

第17卷第15期2017年5月1671 —1815 (2017)015-0143-07科学技术与工程Science Technology and EngineeringV o l. 17 No. 15 M ay. 2017©2017 Sci. Tech. Engrg.超紧凑涡轮过渡段数值模拟研究王晏根1>2韩建涛1>2张燕峰1(中国科学院工程热物理研究所1 ,北京100190;中国科学院大学2,北京100190)摘要采用数值模拟方法对超紧凑涡轮过渡段进行了研究。

通过对比6个不同超紧凑过渡段模型模拟结果，分析了过渡段 内部流动基本特征，探讨了长度和支板对超紧凑过渡段内部流动损失的影响规律。

结果表明，对于超紧凑过渡段而言，长度 越短，其流动损失越大；而且进一步缩短长度的流动损失“成本”越大。

支板的引入改变了流通面积，进而影响过渡段内部压 力分布；并与上下游叶片相互作用，改变过渡段内部流动分离及损失状况。

整体而言，支板使得过渡段流动损失明显增大且 过渡段长度越短，支板带来的额外流动损失越大。

关键词超紧凑涡轮过渡段长度 支板 数值模拟中图法分类号V231.3; 文献标志码A随着航空工业的发展，发动机面临的经济性要 求和环保性要求越来越高，特别是大涵道比涡扇发 动机，表现为涵道比不断提高。

涵道比的提高主要 通过增大风扇直径和缩小核心机直径两个方面实 现。

因此，高、低压涡轮间的径向偏差增大。

另外，为了减重和改善转子动力学特性，还应该尽量缩短 发动机轴向长度。

因此，在新一代发动机中，涡轮过 渡段的进出口半径差值更大，长度更短，这就要求设 计出更加“紧凑”的过渡段。

祸轮过渡段（intermediate turbine duct, ITD)作为航空发动机中连接高、低压涡轮的环形流道，其基 本形式是一个S型环形扩压管道。

另外，由于结构方面的要求，过渡段内部可能还安装有支板，用来为 轴承提供支撑，或为润滑油、冷却气体提供通道[1]。

过渡段的基本作用是将高压涡轮出口气流引至低压 涡轮进口位置，其基本要求是:尽量避免流动分离，流动损失尽量小；同时，为低压涡轮提供合理的来流 条件。

为了设计出符合要求的过渡段，国内外相关研 究机构对影响过渡段流动的众多因素进行了研究。

从公开资料可知，影响过渡段内流动的因素多而杂[2]，例如:长度、面积比、中位角、叶顶间隙、支板、2016年11月18日收到工业和信息化部民用飞机专项科研项目（MJZ-D-2013-02)资助第一作者简介:王晏根（1992—），男，硕士研究生。

研究方向：气动热力学〇E-mail ： wangyangen@ iet. cn〇引用格式:王晏根，韩建涛，张燕峰.超紧凑涡轮过渡段数值模拟研 究[J]•科学技术与工程，2017, 17(15) : 143—149Wang Yangen, Han Jiantao, Zhang Yanfeng. Numerical study of aggres­sive intermediate turbine ducts [ J ]. Science Technology and Engineer­ing, 2017, 17(15) ：143—149马赫数、旋流角、尾迹等。

在早期文献[3_6]中，国外研究人员研究了扩压 率、支板、尾迹、旋流对常规涡轮过渡段的影响。

Durham大学的Norris和Dominy对比了两个长度相差30%的常规涡轮过渡段，其实验结果表明[3]:过 渡段A和B(长度缩短30%)的静压恢复系数C p分 别为0.464和0.420。

另外，他们还研究了支板在 常规涡轮过渡段中的影响，结果表明:安装支板的位 置发生了大规模的流动分离，成为了过渡段的主要 损失来源[4]。

同样是在Durham大学的实验台上, Dominy和Kirkham还研究了尾迹和旋流的影响[5’6]。

后续，国外又有人开始对超紧凑涡轮过渡 段进行研究[79]。

Wallin和Arroyo等在Chalmers大 学的大型低速实验台，对设计工况和非设计工况下 的过渡段进行了研究[7’8]，结果表明：设计工况下，进口的尾迹、漩涡，特别是泄漏流对流场的影响很 大，而非设计工况下的总压损失有所增加。

由于超 紧凑涡轮过渡段设计难度大，人们又研究了改进过 渡段流动的措施，主要包括两方面:流动控制和一体 化设计理念[^11]。

另外，针对带支板的涡轮过渡段，M a m等提出把支板和下游的低压涡轮导叶两者 合二为一，即一体化设计理念[12]。

作为一种新颖的 思路，一些先进的研究机构和航空公司也在逐渐对 此展开研究和应用。

另外，国内研究人员在这方面 也开展了一些工作，主要是来自中科院、西工大、哈 工大和北航的研究人员对过渡段的流动机理、流道 型线、流场结构、气动改型设计等[1P17]进行了初步 研究。

例如，哈工大的安柏涛较早地研究了流道型 线对损失的影响，结果表明[13]:流道外壁型线的改 变显著影响出口能量损失。

再如，中国科学院的胡 书珍在其博士论文中阐述了高低压涡轮过渡段内部144科学技术与工程17卷的复杂流动机理[14]，内容翔实。

从公开文献看来，涡轮过渡段的研究主要来源 于一些航空技术先进的国家，而国内研究机构对此 的研究尚不够全面和深入，尤其是对于设计更加“紧凑”的过渡段而言。

因此，针对超紧凑涡轮过渡 段，本文通过C F D软件对6个不同过渡段模型进行 了全三维数值模拟计算，对比研究了不同模型的流 动状态和流动损失状况，分析了长度和支板对超紧 凑过渡段流动的影响规律。

1物理模型和计算方法1.1过渡段几何模型以典型在研民用大涵道比涡扇发动机涡轮过渡 段为参考对象。

图1是带有支板的过渡段模型示意 图;无支板的模型与此类似，只是过渡段内部没有安 装支板而已。

图1过渡段模型示意图Fig. 1D iagram o f IT D models如图1所示，过渡段的进口截面定义在旋流叶 片下游流道曲率开始变化的位置。

考虑到超紧凑过 渡段把低压涡轮导向器放置在过渡段内部，故过渡 段的出口截面定义在低压涡轮导向器出口位置。

带 支板过渡段模型中包含了三排叶片:旋流叶片（48 片）、支板（12片）、低压涡轮导向器(96片）。

其中，旋流叶片用来模拟来自高压涡轮的出口气流角度。

本文共研究了 6个不同的过渡段模型，包括三 个无支板的模型（IT D00、IT D10、IT D20)和三个带支 板的模型（：^)00_3、：^)10_3、：^)2〇_3)。

所研究的6个过渡段是相当“紧凑”的设计，简称为“超紧 凑”，详见表1中的几何参数。

表1过渡段模型几何参数Table 1 Geometry parameters of ITD models模型L/h c p/n支板ITD00 3.66 1.4536XITD10 3.30 1.4536XITD20 2.93 1.4536XITD00_S 3.66 1.4536VITD10_S 3.30 1.4536VITD20_S 2.93 1.4536V 其中前3个模型长度不同（进口高度A保持不变），分别为原长度、缩短10%、缩短20%，长高比 (L//〇分别为3.66、3.30、2.93。

另外3个模型则是 在前3个模型基础上分别加上支板。

模型的其他主 要参数保持相同，如进出口面积比疋utA4m = 1.45，中位角^=36°。

1.2计算模型及方法使用 CFD软件 N U M E C A/F IN E，采用 SST(shear stress tra n s p o rt)模型对三维揣流 N avier-S tokes 方程 进行求解。

该方法已在过去的文献[18]中经实验验 证了其准确性。

在求解过程中，工质设置为理想气 体，米用多重网格和局部时间步长加速收敛，最终得 到定常解。

计算的网格划分情况和边界条件设置如 下所述。

1.2. 1网格划分在无支板的模型中，计算时采用单通道网格（图2)，并设置旋转周期性边界条件。

此时，模型的网格 总数约为255. 8万，过渡段区域的网格主要位于旋流 叶片所在通道。

其中，第一排叶片R〇w l(旋流叶片）所在通道网格数量147. 5万;第二排叶片Row2(低压 涡轮导向器)所在通道网格数量108. 3万。

图2无支板模型计算网格Fig. 2 C om putational mesh fo r IT D w ith o u t stm t在带支板模型中，考虑到该情形更接近真实情 况，计算时采用了多通道网格（图3)。

根据三排叶 片的数量比例(48: 12: 96)，网格的通道数依次为4、1、8。

此时，模型的网格总数约为1 079万，过渡段 区域的网格主要位于支板叶片所在通道。

其中，第 一排叶片R〇w l (旋流叶片）所在通道网格数量306. 6万(4个通道）；第二排叶片（支板叶片）所在 通道网格数量167.9万（1个通道）；第三排叶片 R〇w3(低压涡轮导向器）所在通道网格数量604. 7 万（8个通道）。

所有模型在环绕叶片处采用〇型网格，在其他 区域采用H型网格。

同时，在端壁附近进行加密处 理，保证壁面y+的值在2以内，以便更准确地计算 壁面附近的流动状况。

1.2.2边界条件根据相似准则及实际试验条件，计算域进口条 件给定总温和总压，其中总温333. 15 K;为了保证15期王晏根，等:超紧凑涡轮过渡段数值模拟研究145图3带支板模型计算网格Fig. 3C om putational mesh fo r ITD w ith stm t不同长度的过渡段模型的质量流量相近，总压依次为118 400 P a (原长度模型）、118 700 P a (缩短10% 模型）、119 000 P a (缩短20%模型）。

计算域出口条 件给定平均静压，值为101 300 P a 。

对于所有的固 体壁面，都给定绝热、无滑移的边界条件。

2计算结果及分析通过C F D 软件对六个过渡段模型进行了数值模拟，经对比分析不同过渡段模型的计算结果，该部分 先讨论了长度、支板对过渡段流动的影响。

在这些讨 论中，既包含了不同过渡段模型中流动的相同特征， 又强调了长度和支板对流动带来的差异。

在该部分 的最后，汇总分析了不同过渡段中流动损失的差异。

2.1长度对过渡段流动的影响首先，通过对比分析三个无支板、长度不同的过渡段模型（IT D 00、IT D 10、IT D 20)，可以得到过渡段流动的基本特征，以及长度对其内部流动的影响规律。

图4为三个无支板模型的静压分布曲线，其中 横坐标为无量纲化的轴向位置（即％/L )，〇表示过 渡段进口截面位置，1表示过渡段出口截面位置。

纵坐标中的C ps 为无量纲化的静压系数，S 卩C p s =(A_ P s ie f )/〇. 5p ( Fref )2，其中下标r e f 表示参考截面(进口截面）的参数。