APP下载

涡轴发动机轴向进气组件优化设计及仿真分析

2019-09-02曾强葛严王勋

中国科技纵横 2019年15期
关键词:优化设计

曾强 葛严 王勋

摘 要:文章针对某涡轴发动机进气组件进行了降轮廓及减重优化设计,并对两种方案流道在不同流量状态下的流场特性进行数值仿真及结构改进对比分析,对比分析结果表明优化方案进气组件流道进出口总压损失系数与原方案相当,流道最大直径减小约7.4%,结构减重约10%。

關键词:涡轴发动机;进气组件;优化设计

中图分类号:V231 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)15-0090-02

进气组件是发动机的一个重要部件,其主要作用是为压气机提供一定速度的稳定、均匀气流[2],并为燃气发生器转子前轴承提供支撑。某涡轴发动机由附件传动装置、进气组件、三级轴流加一级离心组合式压气机、环形回流燃烧室、两级轴流式燃气涡轮、两级轴流式自由涡轮和排气装置等组成[1]。文章在原进气组件方案的基础上进行优化设计,保持原有气动性能和功能不变,降低进气组件轮廓尺寸,减轻重量。

1 原方案仿真与试验分析

1.1 进气组件原方案简介

如图1所示,进气组件流道采用5个均布支板进行支撑;进气组件上方设置附件传动装置安装座,中央传动轴从进气组件支板穿过为附件传动齿轮提供功率输入;进气组件下方设置发动机辅助安装节;中央设置燃气发生器前轴承腔和相关滑油润滑功能,中央前端设置轴承腔密封组件和导流锥;此外,进气组件还集成发动机滑油箱、防冰装置、水洗装置等功能装置。

1.2 进气组件原方案流道仿真

采用FLUENT对进气组件进行三维流场仿真,采用标准k-ε湍流模型。如图2所示,由于进气组件流道为轴对称形式,故计算1/5扇形区域模型,采用六面体结构化网格进行流道模型网格划分,对流道壁面及支板处进行附面层加密处理,网格总量为127万左右。入口给定总压、总温边界,出口给定目标流量边界,分别计算不同流量情况下进气组件流道进出口的总压损失系数(见图3)。

1.3 进气组件原方案气动试验

针对原方案进行吹风试验,在进气组件前端增加导流盆进行导流,进气组件后端设置旋转测量装置进行出口参数测量。如图3所示,进气组件流道进出口总压损失仿真计算结果与试验结果一致性较好,进气组件流道仿真计算模型和方法可作为进气组件气动性能评估和对比的依据。

2 优化方案气动性能分析

2.1 优化设计思路

在原方案基础上,降低流道径向高度,缩小中央传动锥齿轮组件尺寸,减小支板轴向长度及最大厚度等方面进行降轮廓设计,同时保持与压气机接口尺寸不变,保证出口截面参数尽量一致,以减小对压气机气动性能的影响。

2.2 优化方案气动仿真计算

如图4所示,外流道壁面最大径向高度降低7.4%,内流道流道最大径向高度降低11.1%,同时支板长度减小33.6%,支板最大厚度减小24%,将支板最大厚度作为中央传动轴的穿过位置。

采用与原方案相同的网格拓扑结构和湍流模型对优化方案流场进行仿真分析。从图5可以看出,初始优化方案支板处由于通道相对变窄,气流马赫数突增,所以需对支板根部流道进行微调,增加支板最厚处的通道高度,调整后流场突增情况得到较大改善。从图6可以看出,由于压气机进口截面内流道径向高度降低,出口截面马赫数比原方案更低。

计算各个相同流量状态下的进出口总压损失,从图7可以看出优化方案与原方案流道总压损失相当。

从图8可以看出随着支板最大厚度减小,侧面流场高马赫数区域减小,支板尾迹影响区变小,从图9可以看出,优化方案进气组件出口截面总压分布与原方案基本一致,这是因为优化方案支板轻微后移,出口截面尾迹影响与原方案基本相当,气流经由压气机进口导叶通道参混后对压气机性能的影响较小。

2.3 结构优化设计

原进气组件方案中央的轴承腔无发动机输出组件,轴承腔空间利用率较低,在内流道壁面降低后,需对轴承腔内部结构进行重新设计,使内部结构更为紧凑。

由于内流道壁面降低与原方案从动锥齿轮单侧支撑双排球轴承顶部干涉,如图10所示,将轴承方案改为两侧支撑独立球轴承,可避免轴承干涉问题,且降低了单个轴承的径向载荷。

如图11所示,原方案燃气发生器前轴承鼠笼弹支采用外翻式安装边安装在进气机匣法兰面上,弹支从进气机匣轴承腔前端装入,零级导叶安装座从进气机匣轴承腔后端装入。由于流道径向高度降低,进气机匣轴承腔前端开口变小,原有弹支安装无法从前端装入,弹支改为内翻式结构,并采用扩口自锁螺母固定,燃气发生器转子轴承保持不变。

流道直径及轴承腔轮廓尺寸减小,间接缩小了导流锥及轴承腔密封组件的结构尺寸,同时缩短了进气组件轴向长度,通过以上改进措施,进气组件优化方案重量比原方案降低约10%。

3 结论

本文对某涡轴发动机轴向进气组件进行降轮廓及减重优化设计,通过对这两种设计方案气动仿真及结构改进分析,得到以下结论:(1)相比于原方案,优化方案外流道壁面最大径向高度降低7.4%,内流道流道最大径向高度降低11.1%,同时支板长度减小33.6%,支板最大厚度减小24%,重量降低约10%;(2)优化方案流道进出口总压损失与原方案相当,随着流量增大,总压损失系数均逐渐减小;(3)优化方案支板尾迹影响区变小,出口截面马赫数比原方案更低,总压分布与原方案基本一致。

本文所述优化设计思路及分析研究结果对涡轴发动机进气组件方案设计具有参考意义。

参考文献

[1] 曾强,谢买祥.某型涡轴发动机进气装置设计[J].南华动力,2015(4):22-25.

[2] 尚义主编.航空燃气涡轮发动机[M].北京:航空工业出版社,1995.

猜你喜欢

优化设计
导弹舵面的复合材料设计与分析
矿井主排水系统的优化设计与改造
如何实现小学数学课堂练习设计优化
简述建筑结构设计中的优化策略