高位进气径向出流转静系静盘压力特性研究

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1、CSAA06-P-045高位进气径向出流转静系静盘压力特性研究丁水汀】，黄立志彳，徐国强彳，罗翔役陶智5(1,2,3,4,5.北京航空航天大学能源与动力丁.程学院402教研室，北京100083)摘要：获得了高位垂直进气径向出流转静系中静盘表面静压沿径向分布的实验数据。分析了不同冷气流量、转速以及转静间距对腔内流动特性的影响。结果表明：在本实验工况范围内，静盘表面静压随冷气流童的増加而增大；随转速的增加而降低；静压分布沿半径方向先减小，后増大，在进气口附近沿半径增大方向压力突减至鼓小，后突增至最大：随着转静间距减小

2、，静盘盘心处压力先减小后增大，最后减小：当冷气流量较大、转速较低和转静间距较小时，盘腔内不能形成明显的旋转核心。关键词：航空发动机：转静系；高位进气：压力分布0引言现代航空发动机随着涡轮前温度和压气机压缩比的提高，对涡轮冷却系统具有的冷却和封严两种功用的研究显得尤为重要。大多数现代航空发动机中，用于涡轮叶片冷却的空气，先对涡轮盘进行冷却，然后经涡轮盘外缘的樺槽进入叶片内冷通道，同时还有部分冷气从篦齿封严装置泄漏到燃气主通道去。因此，涡轮盘腔内的压力分布是计算涡轮轴向力和防止燃气入侵的更要参数。在众多转静系冷却模型

3、中，对高位进气旋转盘冷却系统的研究开展的很少，Metzger(1989)ni研究了射流位置、喷嘴与转盘间距和射流孔数对口由旋转盘换热的影响。Roy121,Khilnani⑶等通过研究盘腔内的静压特性，评价了多种不同封严结构。徐国强⑷⑶等硏究了高位垂直进气外缘加热转静系旋转盘流动与换热特性，得到了转速、冷气流量、岀气间隙对盘流动与换热的影响，并与中心进气结构作了比较，从冷却品质讲，高位垂直进气结构要优于中心进气结构。本文针对高位进气径向出流转静系结构的流动特性进行研究，旨在对实际发动机设计提供一定依据。1实验系统简

4、介实验件转盘是宙不锈钢(lCrl8Ni9Ti)加工而成，静盘是由45#钢加工而成。具体尺寸如图1。山于木实验采用高位进气的模型，所以在静盘表面半径为320mm处沿圆周开有144个d>=5mm的通气孔，同时加工一组内径为图1转静系结构①=760mm,宽分别为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm的盘罩，实验过程中，将静盘和盘罩一同固定在静盘支架上，并通过使用不同宽度的盘罩来调节转盘和静盘的间隙S，以实现不同转静间隙下的实验测量。罩与转盘的间隙S2=3mm，用于模拟动静密封的封严。为了测量静盘表面的压力分布

5、，在迎风面径向开设了25个0>=2mni的取压孔。本实验的压力传感器为HoneyWell公司产的24pc微压级压力传感器，虽:程为Ipsi,精度为0.25%,信号由ADAM-4018数摇采集模块采集。驱动装直是一台Z4-132-3的直流电动机，其额定功率为30kw,最高转速为3600r/mino其转速由可控硅进行调节和控制，经变比为1：3的皮带轮带动空心主轴旋转。实验时，主轴的转速可在0〜3000rpm内连续变化。其转速由光电式数字转速表测定。2静盘压力特性图2为Rety=pQR2//y=O,G=$/R=0.16

6、58(60mm)下，改变流量系数=m/^R时静盘上压力系数^=2(P-Pin)/pV^的分布，其中P为静盘压力，巴为高位进气口气流静压，V„,为高位进气口气流平均速度。可以看出，在实验范围内，静盘的压力系数在r<180mm(r/R<0.4737)以内变化不大,在高位进气口(r=320mm,r/R=0.8421)附近急剧下降，在r=350mm(r/R=0.9211)附近降至全盘压力最低，在r=370mm(r/R=0.9737)左右压力突增至全盘压力最髙。并且盘面压力随流量增加而增大。静盘表面的压力分布是同转静腔中的

7、流动结构紧密联系的。图3是以实验结构为模型的CFD计算的流场结构。计算时，Refi?=0,C,=2.05xl0采用的是低雷诺数湍流模型，计算时网格数目为110X120X10,周向流动认为是轴对称的。从图中可以看出，冷气从高位进入腔体冲击转盘，在腔内压力梯度作用下，流线向高半径方向偏移，从高半径的岀口流出，入口主射流在腔内诱发了由一个很大的涡控制的涡系，这与文献⑹论述较为一致。0.4厂°00.050.1X图3CFD计算的流场结构图4显示了Cq==O,G=0.1658下，改变旋转雷诺数Re血时静盘上旋转压力系数:^

8、p