孙立 刘习川
1. 中国航发湖南动力机械研究所 湖南 株洲 412002；
2. 中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点试验室 湖南 株洲 412002
作为航空燃气涡轮发动机的关键部件，风扇/压气机部件运行转速大、工作压比高，其性能需要通过试验进行验证和评估[1-3]。
风扇/压气机试验件出口气流近似等流速进入排气蜗壳，排气蜗壳在设计上要保证试验件出口流场的均匀性，减小对风扇/压气机性能的影响[4]。
双涵排气蜗壳主要用于风扇气动性能试验，由于风扇的级数少，压比低，要求其具有更小的气动损失，在结构允许的条件下，尽量减少蜗壳气流速度。本文设计适用于风扇气动性能试验的双涵排气蜗壳，并对其气动性能进行了数值计算。
本文设计的双涵排气蜗壳采用轴向进气，侧向排气的结构形式，按照等流速原则计算排气蜗壳内涵和外涵的流道截面几何参数。为兼顾试验台安装和试验要求，减小蜗壳轴向尺寸及蜗壳内部流动损失，蜗壳流道截面设计为偏心圆。蜗壳内部布置周向支板及出口过渡段支板以增强蜗壳强度，同时为保证内、外涵出口管路的安装空间，内、外涵道出口呈夹角布置。
安装机匣是试验件出口与蜗壳本体的过渡连接段，通过法兰安装面与试验件、双涵蜗壳本体螺栓连接，并作为承力件，通过四个安装耳与支撑底座连接。机匣环流道面采用光滑圆弧设计，并与试验件出口转接段及蜗壳本体流道相切。
利用UG软件进行三维造型，X轴为进气方向，Y轴为出口方向，双涵排气蜗壳本体及安装机匣三维模型如图1所示。
图1 双涵排气蜗壳几何模型
2.1 网格划分与计算设置
使用ICEM CFD软件分别对内、外涵流体域进行网格划分。由于排气蜗壳结构复杂，本文采用非结构化网格，在处理复杂几何外形具有明显优势。在近壁面及支板区域网格进行加密处理，壁面第一层网格厚度0.2mm，其中，外涵流体域网格总量为179.3万，内涵流体域网格总量为175.6万，如图2所示。
图2 排气蜗壳流体域网格模型
使用ANYSY CFX软件对流体域流场进行数值计算。流体区域介质设置为理想气体，气流为绝热流动，流体与管路不发生热交换。
湍流模型设置为SST模型。进口设置为质量流量进口边界条件，分别给定内、外涵质量流量以及总温，出口设置为静压出口边界条件，数值为101325Pa。
2.2 流场分析
图3给出了外、内涵排气蜗壳YOZ面速度分布图，安装机匣及环状流道前部结构过渡平缓，气流平稳均匀，随着流动的进行，由于沿程附面层逐渐增厚及转弯段、支板对气流的作用，进入蜗壳支板后流动趋于复杂。在轴向转径向的过渡区域，气流掺混作用影响大于平直区域。
图3 排气蜗壳YOZ面速度分布云图
经过计算，外涵蜗壳内部平均速度在75m/s左右，最大速度121m/s，内涵蜗壳内部平均速度在70m/s左右，最大速度152m/s，平均速度均低于排气蜗壳经验流速80m/s，但内涵蜗壳内的气流速度不均匀性高于外涵蜗壳。蜗壳内部的速度分布沿径向分布不均匀，出口侧支板附近的气流流速高于其余位置，支板后方的尾迹区发展影响了排气蜗壳内气流的流动与掺混。
2.3 进口截面参数分布
图4给出了内、外涵排气蜗壳进口截面的总压分布云图，可以看出外涵蜗壳的进口静压低于内涵蜗壳，这是由于外涵流道的流量较大，进口气流速度高，且靠近蜗壳出口侧的气流速度高于其他区域。
图4 排气蜗壳进口总压分布云图
计算得到外涵蜗壳进口平均总压为110219Pa，内涵蜗壳进口平均总压为114808Pa。试验件出口，即排气蜗壳进口的总压不均匀度不超过10%[5]。计算得到外涵蜗壳进口的总压不均匀度为27.1%，内涵蜗壳进口的总压不均匀度为5.7%。
由于安装机匣的存在，导致内涵蜗壳进口离蜗壳本体较远，蜗壳内的流场扰动难以对压气机出口的流场不均匀性造成影响，因此内涵蜗壳进口的总压不均匀度明显好于外涵蜗壳。
在实际试验状态，由于转接段的减速扩压作用，试验件出口流速会大于排气系统进口流速，压气机试验件出口的总压不均匀度会小于本文计算的排气系统进口总压不均匀度[6]。
2.4 蜗壳流动损失分析
气流在蜗壳内的损失包括流体黏性导致的沿程摩擦损失和支板、蜗壳流道造成气流损失，本文定义排气蜗壳损失系数σ*为：
本文计算了不同流量下内、外涵排气蜗壳的损失系数，如图5所示。
图5 排气蜗壳损失系数
可以看出，内、外涵排气蜗壳因为流量增大导致内部气体流速上升，流动损失增大，且流动损失的增长速率也越快，体现在流动损失曲线斜率与流量变化正相关。从图中可以看出，在设计范围内，内涵排气蜗壳的流动损失小于0.13，外涵排气蜗壳的流动损失小于0.25，这是由于内涵蜗壳内部气流速度相对较小，流动损失小于外涵蜗壳。
（1）排气蜗壳内部导流叶片对流场具有改善作用，外涵蜗壳内部平均速度在75m/s左右，内涵蜗壳内部平均速度在70m/s左右，均低于排气蜗壳经验流速80m/s。
（2）安装机匣导致内涵蜗壳进口的总压不均匀度明显好于外涵蜗壳，其中外涵蜗壳进口的总压不均匀度为27.1%，内涵蜗壳进口的总压不均匀度为5.7%。
（3）蜗壳内部流动速度越大，损失越大，流动损失曲线斜率与流量变化正相关，内涵排气蜗壳的流动损失小于0.13，外涵排气蜗壳的流动损失小于0.25。
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