引言水力测功器是测试和验证航空、工业以及舰船燃气轮机性能的重要设备[1]，也是发动机进行研制、耐久性、修复等试验的标准手段[2]。机组能够将发动机输出的机械能转化成水的热能，通过测量壳体的反向扭矩和转子转速计算发动机的输出功率，为发动机的研制、生产以及修复提供试验数据[3-4]。市场上的高速水力测功器以孔盘式结构应用最为广泛，但针对其内部流动状态以及设计原理的研究较少[5-8]。针对此类流体机械，运用CFD方法能够有效分析其内部流场，实现高效的机组结构设计[9-13]。针对现有孔盘式水力测功器的静转子，利用数值计算的方法，分析不同孔面积条件下水力测功器腔室内的流动特性，对比水力测功器进出口温差、流量、扭矩和吸收功率等参数，以探究孔面积变化对孔盘式水力测功器性能的影响。1研究对象孔盘式水力测功器的剖视图如图1所示。机组主体包括转子与静子，两者均为盘片结构。在静子上设计有工质水的进口与出口槽道，通过进口槽道，工质水被引至转轴周围，随着转子的旋转，水逐渐被搅拌、加热，并甩向转子外缘，再由出口槽道甩出。水力测功器的静子由两片静子盘组成，中部构成的腔室内布置一片转子盘，静子盘与转子盘的结构如图2所示。静子盘上设置三圈圆孔形凹槽，每圈24个，最内圈的凹槽孔径较小，外两圈孔径一致。转子盘上设置两圈通孔，与静子盘上的内两圈凹槽相对应。静子凹槽与转子通孔的设置能够增加腔室内水的湍流程度，扩大水力测功器的功率吸收范围。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F001图1孔盘式水力测功器的剖视图图2静子盘与转子盘的结构10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F2a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F2a22计算方法水力测功器的分析采用三维计算模型，计算域根据水力测功器的结构以及静转子作用区域的范围确定，并利用三维造型软件UG进行建模。计算模型采用非结构化网格的形式进行网格离散，生成的网格总数为1 280万。水力测功器流场的计算在Fluent软件内进行，各项计算参数的设置由水力测功器满水状态的实际运行情况确定，计算参数设置如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.T001表1计算参数设置项目内容计算状态Steady湍流方程Realizable k-ε壁面方程Standard Wall Functions旋转模式Frame Motion计算工质Water-liquid控制压力0.101 325 MPa转速1 000 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min重力加速度9.8 m/s2进口压力Gauge Total Pressure 0.25 MPa进口温度300 K出口压力Gauge Pressure 0 MPa3现有机组流场分析3.1流线分布在水力测功器的腔室内，水流的运动由转子的旋转带动，水流与转子之间的相对速度也随着转子转速的增加而增大。不同转子转速下转子附近平面上的水流线分布如图3所示。转子转速由1 000 r/min增至3 000 r/min，水流相对于转子运动的最大速度从34.3 m/s增至99.5 m/s。图3不同转子转速下转子附近平面上的水流线分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F3a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F3a210.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F3a3在流线分布方面，相对速度较大的区域集中在腔室内缘和外缘以及转子外圈孔的内侧。在这些区域，孔的影响效果较小，水的流线较为平滑。在孔的外侧区域，流线开始扭曲，大部分孔内出现漩涡，反映了转子对水的搅拌过程，该过程主要通过转子上的孔实现。3.2温度分布水力测功器通过转子对水的搅拌作用吸收轴输入的机械能，搅拌会导致水温升高。不同转子转速下转子附近平面上水的温度分布如图4所示。水流从靠近轴的位置进入腔室，在被甩向腔室外侧的过程中温度逐渐升高，转子转速的增加也使腔室内的水温明显升高，腔室内最高温度从转速1 000 r/min时的303 K增加到转速3 000 r/min时的342 K，与进口水温的差值增长了10多倍。图4不同转子转速下转子附近平面上水的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F4a110.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F4a210.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F4a3在图4中，转子以逆时针方向旋转，水流的出口位于腔室的下部，重力方向也垂直向下，导致轴周围的冷水更多地被引导到水流周向速度方向与重力方向夹角较小的区域。相应地，腔室内的高温区域集中在速度与重力夹角较大的位置。4孔面积变化的影响分析不改变现有水力测功器静转子的槽孔位置与数量的前提下，通过数值计算，分析了孔面积与现有机组比例分别为0.25、0.50、0.75、1.25这4种情况的水力测功器性能。4.1进出口温差不同转子转速下孔面积比对进出口温差的影响如图5所示。随着孔面积的增加，水力测功器的进出口温差逐渐增大，两者之间大致呈线性变化关系。在孔面积比从0.25增加到1.25的过程中，3个转速下的温差增大幅度均在4.4倍左右。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F005图5不同转子转速下孔面积比对进出口温差的影响在不同孔面积比条件下，转速变化对温差的影响程度均大致相当。转速从1 000 r/mim提升至2 000 r/mim，温差增大幅度在5.2倍左右；转速从2 000 r/mim提升至3 000 r/mim，温差增大幅度维持在2.4倍左右。4.2流量不同转子转速下孔面积比对流量的影响如图6所示。流量变化规律与温差曲线有很大的区别，流量随着孔面积比的增加先升高后降低，最大值出现在孔面积比为0.75附近。3条曲线的变化幅度均保持在20%以内，相较于温差曲线，这一变化的幅度范围很小。孔面积比的变化对机组流量的影响程度较小。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F006图6不同转子转速下孔面积比对流量的影响随着转速增加，流量增长的幅度变化也较小。转速从1 000 r/min增加到2 000 r/min，再增加到3 000 r/min。这两个增长区间上，流量的增长幅度均保持在1.4倍左右。4.3扭矩扭矩是水力测功器测试性能的主要指标，也是计算机组吸收功率的重要参数。不同转子转速下孔面积比对扭矩的影响如图7所示。扭矩的变化曲线单调递增，随孔面积的增加而增大。在孔面积较小时，曲线的斜率较大，随着孔面积的增加，斜率开始不断减小，曲线逐渐趋于平缓。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F007图7不同转子转速下孔面积比对扭矩的影响4.4吸收功率水力测功器的吸收功率可以根据扭矩和转速计算。P=0.000 104 7Mn (1)式中：P——吸收功率，kW；M——扭矩，N·m；n——转速，r/min。根据吸收功率计算公式，在转速一定的情况下，吸收功率的数值与转速成正比。不同转子转速下孔面积比对吸收功率的影响如图8所示。吸收功率随孔面积变化的规律与扭矩变化曲线一致。综合扭矩与吸收功率的变化曲线，对于孔盘式水力测功器，在孔面积较小时，孔面积的增加能够明显提高机组的吸收功率，但提高的幅度随着孔面积的增加而减小。在孔面积达到一定数值之后，其变化对机组吸收功率的影响将变得不再明显。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F008图8不同转子转速下孔面积比对吸收功率的影响5结语孔盘式水力测功器静子与转子上设置孔型凹槽和通孔，其面积的变化将对水力测功器的流动特性以及机组性能产生影响，具体表现为：第一，水力测功器进出口温差随孔面积增加而增大，两者大致呈线性关系，孔面积增加到最小面积的5倍时，进出口温差的增大幅度维持在4.4倍左右。第二，水力测功器的流量随着孔面积的增加呈先升后降的变化趋势，整个变化的波动幅度保持在20%以内，孔面积变化对机组流量的影响程度较小。第三，水力测功器吸收功率与扭矩和转速的乘积成正比，因此扭矩与吸收功率呈现相同的变化规律。随着孔面积的增加，扭矩与吸收功率均不断增大，而增大幅度则逐渐减小，说明孔面积变化对扭矩与吸收功率的影响在减少。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.019.F009