航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣傳熱分析技術(shù)研究

佟軼杰，曲勝，劉國(guó)庫

（海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣傳熱分析技術(shù)研究

佟軼杰，曲勝，劉國(guó)庫

（海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽 110043）

佟軼杰（1979），男，碩士，工程師，從事艦船燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷、測(cè)試、維修與全壽命保障技術(shù)研究。

通過數(shù)值仿真和基礎(chǔ)試驗(yàn)系統(tǒng)研究了渦輪機(jī)匣的傳熱特點(diǎn)，建立了高壓渦輪機(jī)匣傳熱分析方法?？偨Y(jié)機(jī)匣傳熱分析的主要技術(shù)環(huán)節(jié)，開展了機(jī)匣關(guān)鍵部位的CFD流動(dòng)換熱數(shù)值分析，給出了機(jī)匣表面換熱分布規(guī)律，通過換熱試驗(yàn)修正了機(jī)匣表面換熱分析方法；通過機(jī)匣的過渡態(tài)溫度分析,建立了渦輪機(jī)匣傳熱分析工程方法。

渦輪機(jī)匣；傳熱；工程應(yīng)用；數(shù)值仿真；試驗(yàn)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣傳熱分析一直是熱分析中的1個(gè)難點(diǎn)，究其原因主要是流動(dòng)換熱分析難度較大。由于機(jī)匣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)換熱模型很難通過1維的典型準(zhǔn)則經(jīng)驗(yàn)公式來模擬，而且設(shè)計(jì)中現(xiàn)有的用于機(jī)匣模型的換熱經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則僅有3～4種，大大增加了準(zhǔn)確預(yù)估機(jī)匣溫度的難度；且對(duì)機(jī)匣傳熱分析很難采用統(tǒng)一的計(jì)算方法，國(guó)外現(xiàn)有的機(jī)匣結(jié)構(gòu)流動(dòng)或換熱的計(jì)算方法都是針對(duì)某具體結(jié)構(gòu)建立的。國(guó)內(nèi)外開展機(jī)匣的傳熱研究相對(duì)較少，且多集中在基礎(chǔ)研究上，針對(duì)工程應(yīng)用的研究更少。

本文從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)機(jī)匣的傳熱分析開展了CFD數(shù)值計(jì)算和換熱試驗(yàn)研究，以數(shù)值分析和試驗(yàn)為基礎(chǔ)獲得了機(jī)匣的流動(dòng)換熱規(guī)律，總結(jié)完善機(jī)匣的換熱特性模型，開展機(jī)匣溫度預(yù)估，提高了溫度分析精度，為完善機(jī)匣設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 技術(shù)環(huán)節(jié)分析

以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪機(jī)匣為例進(jìn)行機(jī)匣傳熱分析。高壓渦輪機(jī)匣的流動(dòng)傳熱分析是1個(gè)比較復(fù)雜的過程，其影響因素較多，而其本質(zhì)屬于流體動(dòng)力與熱交換理論與發(fā)動(dòng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)的結(jié)合。流動(dòng)特性是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部二次流空氣的流動(dòng)狀況(包括流量壓力溫度等因素)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，而換熱特性是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件的表面和氣流熱交換的原理進(jìn)行研究。流動(dòng)換熱的核心問題是對(duì)流場(chǎng)的求解，目前N-S方程的準(zhǔn)確求解仍然是1個(gè)世界性的難題，必須通過試驗(yàn)來彌補(bǔ)理論解的不足。

本文研究目的在于建立渦輪機(jī)匣的傳熱分析方法，其思路為：以1維流動(dòng)換熱經(jīng)驗(yàn)公式分析為基礎(chǔ)，局部深化開展3維數(shù)值仿真獲得流動(dòng)換熱規(guī)律，開展基礎(chǔ)試驗(yàn)對(duì)換熱特性進(jìn)行局部驗(yàn)證，修正傳熱計(jì)算方法，總結(jié)出機(jī)匣的傳熱工程計(jì)算方法，最終有待發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車的溫度測(cè)試驗(yàn)證。

了解高壓渦輪機(jī)匣以及主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，掌握其影響流動(dòng)傳熱的關(guān)鍵因素，為流動(dòng)和傳熱分析模型的建立奠定基礎(chǔ)。結(jié)合整個(gè)二次流空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)開展1維分析獲得機(jī)匣的初步氣體流動(dòng)環(huán)境。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)及流動(dòng)情況，針對(duì)每個(gè)流動(dòng)單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則模化處理，形成由各不同種類的節(jié)流單元串聯(lián)和并聯(lián)組成的復(fù)雜空氣系統(tǒng)1維流體計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行計(jì)算分析，獲得高壓渦輪機(jī)匣的流動(dòng)特征和氣體分布。在1維分析的基礎(chǔ)上開展機(jī)匣局部深化的CFD數(shù)值仿真分析，研究獲得機(jī)匣的流動(dòng)換熱分布規(guī)律，通過數(shù)值仿真達(dá)到換熱特性的概念驗(yàn)證。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究,CFD技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行較好地仿真分析。

顯然，數(shù)值仿真可以獲得規(guī)律，但還不能完全準(zhǔn)確地分析機(jī)匣的流動(dòng)換熱特性，其換熱特性的建立必須開展試驗(yàn)驗(yàn)證。本文對(duì)渦輪機(jī)匣的流動(dòng)傳熱結(jié)構(gòu)開展了基礎(chǔ)試驗(yàn)驗(yàn)證，在將來具備條件后再開展發(fā)動(dòng)機(jī)試車傳熱試驗(yàn)驗(yàn)證，以提高技術(shù)成熟度。

根據(jù)建立的熱物理模型和計(jì)算得到的邊界條件，通過有限元計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)工作歷程下機(jī)匣的瞬態(tài)溫度，為渦輪葉尖間隙分析以及機(jī)匣強(qiáng)度設(shè)計(jì)奠定了良好的傳熱分析基礎(chǔ)。

綜上所述，為了獲得高壓渦輪機(jī)匣的溫度，需要逐一解決上述問題，其關(guān)鍵技術(shù)為對(duì)換熱邊界條件的計(jì)算分析。機(jī)匣組件是1個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜的零部件，其周圍的流動(dòng)換熱環(huán)境相對(duì)難以準(zhǔn)確預(yù)估。常規(guī)換熱計(jì)算都是根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則公式進(jìn)行，而機(jī)匣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致很難有比較吻合的模型準(zhǔn)則公式，而換熱邊界的準(zhǔn)確度直接決定了機(jī)匣溫度分析的精度，這就使得對(duì)換熱邊界條件的分析成為整個(gè)機(jī)匣溫度分析中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。需要完善原有的計(jì)算方法，通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究來獲得更準(zhǔn)確的換熱邊界條件。

2 高壓渦輪機(jī)匣換熱特性研究

在流動(dòng)分析結(jié)束后，獲得了機(jī)匣內(nèi)外表面的工作環(huán)境，結(jié)合部件性能的分析結(jié)果，具備了換熱分析的邊界條件。通過分析機(jī)匣的流動(dòng)結(jié)構(gòu)形式可知，機(jī)匣的前段和中段上表面為沖擊換熱，下表面為對(duì)流換熱，機(jī)匣后段均為對(duì)流換熱。整個(gè)機(jī)匣的換熱環(huán)境具有一定的特殊性，很難直接用已有的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則公式來分析計(jì)算。引入CFD的數(shù)值分析來研究機(jī)匣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的換熱情況，將CFD的結(jié)果轉(zhuǎn)化為工程可用的分析方法，從而提高換熱計(jì)算的準(zhǔn)確度。同時(shí)，對(duì)機(jī)匣開展換熱試驗(yàn)研究，以對(duì)數(shù)值仿真獲得的換熱特性進(jìn)行修正完善，最終根據(jù)試驗(yàn)和計(jì)算的驗(yàn)證分析獲得較完善的換熱計(jì)算方法，提高分析結(jié)果的精度，為準(zhǔn)確預(yù)估機(jī)匣的溫度奠定良好的基礎(chǔ)。

2.1 高壓渦輪機(jī)匣的數(shù)值分析

高壓渦輪機(jī)匣的內(nèi)部為1個(gè)構(gòu)造比較特殊的腔體，其內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜換熱形式包括沖擊換熱、圓管換熱、渦流換熱和封閉腔換熱等，其換熱情況主要受氣流在腔體內(nèi)的流動(dòng)影響，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性很難通過準(zhǔn)則經(jīng)驗(yàn)公式來準(zhǔn)確計(jì)算。本文以1維空氣系統(tǒng)流動(dòng)計(jì)算結(jié)果的進(jìn)口壓力和質(zhì)量流量為邊界條件，利用商用CFD軟件CFX進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，其計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 渦輪機(jī)匣腔CFD計(jì)算模型

渦輪機(jī)匣腔內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要受其幾何結(jié)構(gòu)的影響，復(fù)雜的機(jī)匣腔結(jié)構(gòu)迫使其內(nèi)部氣流方向不斷發(fā)生改變，形成氣流渦，作用于壁面，影響氣流與壁面的換熱。由進(jìn)氣孔進(jìn)入渦輪機(jī)匣的氣流速度很快，對(duì)壁面產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊作用，沿沖擊區(qū)邊緣四周流動(dòng)，同時(shí)氣流速度迅速減慢。其速度分布如圖2所示，受其影響得到的復(fù)雜換熱分布如圖3所示。

圖2 機(jī)匣外腔速度分布

圖3 機(jī)匣外壁換熱分布

從圖3中可見，在沖擊孔正對(duì)沖擊的機(jī)匣外壁面區(qū)域，有明顯的斑狀沖擊強(qiáng)換熱區(qū)域，其換熱區(qū)域的特點(diǎn)與沖擊孔特點(diǎn)一致，是由很明顯的沖擊換熱造成的，也是空氣冷卻機(jī)匣作用的體現(xiàn)。從圖中還可見機(jī)匣2條肋的壁面是直接感受沖擊的區(qū)域，換熱較強(qiáng)；機(jī)匣外表面的小腔空間較小，有2排沖擊孔沖擊，腔內(nèi)流動(dòng)較劇烈，使得機(jī)匣表面的換熱也較強(qiáng)；機(jī)匣外表面大腔幾何空間較大，流動(dòng)較緩慢，換熱較弱，但在接近沖擊換熱區(qū)處的換熱要強(qiáng)一些，換熱強(qiáng)度基本上隨著離沖擊區(qū)的距離增加而減弱。

在機(jī)匣內(nèi)壁前段，在入流孔沖擊的作用下，在沖擊處的換熱系數(shù)很大，而在沖擊區(qū)外，換熱系數(shù)逐漸減小，但減小的趨勢(shì)漸弱；在機(jī)匣內(nèi)壁中段，氣流與壁面的作用較均勻，因此壁面的換熱系數(shù)分布也較均勻，換熱系數(shù)較小；在機(jī)匣內(nèi)壁后段，在壁面氣流沖擊處氣流與壁面作用較強(qiáng)，換熱劇烈，換熱系數(shù)較大，而在沖擊區(qū)周圍，氣流與壁面的作用減弱，因此換熱系數(shù)也減小。在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)下針對(duì)封閉腔下進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)基本相似。數(shù)值分析結(jié)果顯示，腔內(nèi)氣流速度均勻，壁面換熱也較均勻，略強(qiáng)于自然對(duì)流條件下的情況。

綜上所述，由數(shù)值分析可知：

（1）孔出流對(duì)壁面形成很強(qiáng)的沖擊作用，沖擊區(qū)氣流與壁面換熱很強(qiáng)，局部換熱系數(shù)很大；

（2）機(jī)匣腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致氣流方向不斷改變，形成多而復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu)；

（3）在氣流渦存在的位置，氣流與壁面的作用較強(qiáng)，壁面局部換熱系數(shù)較大。

2.2 高壓渦輪機(jī)匣換熱試驗(yàn)

在換熱特性研究中，重點(diǎn)分析了沖擊射流沖擊機(jī)匣表面后機(jī)匣表面的局部Nu和平均Nu，通過試驗(yàn)測(cè)量了機(jī)匣表面溫度和冷卻空氣流量。在換熱特性試驗(yàn)中采用了常規(guī)的熱膜法，即利用恒定的直流電流加熱機(jī)匣表面，提供1個(gè)熱流密度均勻的加熱表面，通過測(cè)量機(jī)匣表面的溫度和參考溫度間的差值，獲得機(jī)匣表面的局部換熱系數(shù)。

對(duì)機(jī)匣的局部沖擊壁面區(qū)域進(jìn)行了換熱試驗(yàn)研究。機(jī)匣沖擊壁面局部Nu隨著機(jī)匣進(jìn)口Re的變化規(guī)律如圖4所示。從圖4中可見，機(jī)匣沖擊壁面局部的Nu隨著機(jī)匣進(jìn)口Re的增大而逐步增大。這是由于試驗(yàn)中機(jī)匣進(jìn)口Re的增大是通過提高冷卻空氣的進(jìn)口流量來實(shí)現(xiàn)的，顯然參與換熱的冷卻空氣質(zhì)量流量越大，其換熱效果必然越突出，體現(xiàn)在換熱系數(shù)Nu上即隨著Re的增大而增大。

圖4 機(jī)匣沖擊換熱壁面Nu分布

在沖擊換熱的換熱準(zhǔn)則下，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了比較，見表1。從表中可見，在機(jī)匣的B、C處，試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果吻合較好，而在A處二者的差異較大。這是因?yàn)闄C(jī)匣在A處的腔體較大，其流動(dòng)相對(duì)平緩，因此其換熱強(qiáng)度略小于機(jī)匣B、C處的。試驗(yàn)分析結(jié)果可修正完善機(jī)匣表面的換熱計(jì)算方法，最終形成經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證后的換熱特性分析方法。

表1 換熱特性Nu比較

2.3 工程應(yīng)用

通過對(duì)機(jī)匣進(jìn)行CFD數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，獲得了機(jī)匣的換熱邊界分布規(guī)律和計(jì)算方法，但由于計(jì)算網(wǎng)格和湍流模型的原因，特別是換熱系數(shù)的計(jì)算與壁面邊界層流動(dòng)之間的關(guān)系很大，CFD數(shù)值計(jì)算還需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證，并在工程使用時(shí)進(jìn)行一定的修正。

針對(duì)機(jī)匣的換熱邊界研究，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、CFD分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比可以總結(jié)歸納出工程計(jì)算方法。對(duì)于機(jī)匣沖擊換熱這類典型模型，可以在CFD計(jì)算和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上歸納沖擊換熱經(jīng)驗(yàn)公式。而其他一些流動(dòng)區(qū)域的換熱，通常不是簡(jiǎn)單的管內(nèi)典型流動(dòng)，含有復(fù)雜的渦類紊流，使得局部流動(dòng)換熱情況比較復(fù)雜，很難用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行1維計(jì)算，而需要參考CFD的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行修正。通過對(duì)高壓渦輪機(jī)匣的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，形成了渦輪機(jī)匣的換熱分析方法，能夠獲得較準(zhǔn)確的邊界條件，為溫度分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 機(jī)匣溫度分析

3.1 計(jì)算模型

為保證傳熱模型分析對(duì)象合理，高壓渦輪機(jī)匣組件的分析對(duì)象包括了高壓渦輪機(jī)匣及附近的機(jī)匣、外環(huán)、葉片緣板等傳熱零件。因整個(gè)模型比較復(fù)雜，適當(dāng)簡(jiǎn)化了計(jì)算對(duì)象，葉片離計(jì)算對(duì)象較遠(yuǎn)，只取了葉片的下緣板,考慮導(dǎo)熱影響，忽略了螺栓、銷子、引氣嘴等局部3維特征的影響，簡(jiǎn)化了一些局部幾何特征，完成了整個(gè)復(fù)雜模型的建模、分網(wǎng)以及溫度計(jì)算。

3.2 溫度計(jì)算

利用有限元軟件完成了某發(fā)動(dòng)機(jī)工作歷程的過渡態(tài)溫度計(jì)算。以機(jī)匣典型位置——肋的根部為特征點(diǎn)繪制了過渡態(tài)的溫度變化曲線，如圖5所示。從圖5中可見機(jī)匣在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的溫度變化情況，根據(jù)其溫度分布可以進(jìn)行渦輪葉尖的間隙分析以及機(jī)匣強(qiáng)度壽命預(yù)估。布來看，機(jī)匣前段分布均勻，中段徑向溫差較大，而且距離較短，后段的徑向和軸向溫差都很小。

圖6 高壓渦輪機(jī)匣溫度

4 總結(jié)

圖5 高壓渦輪機(jī)匣溫度過渡態(tài)變化曲線

高壓渦輪機(jī)匣某個(gè)歷程點(diǎn)的溫度云圖如圖6所示。從圖6中可見，機(jī)匣的高溫區(qū)集中在與高壓渦輪外環(huán)和第1級(jí)低壓導(dǎo)向葉片接觸的位置，低溫區(qū)在機(jī)匣肋上。機(jī)匣中前段溫度較低，接近高壓壓氣機(jī)級(jí)間氣的溫度，這是因?yàn)闄C(jī)匣上表面為換熱很強(qiáng)的壓氣機(jī)級(jí)間氣，下表面為壓氣機(jī)出口，機(jī)匣壁很薄向前的導(dǎo)熱量很少。機(jī)匣中后段與高壓渦輪外環(huán)、第1級(jí)低壓導(dǎo)向葉片直接接觸導(dǎo)熱，而且第1級(jí)低壓導(dǎo)向葉片集氣腔的冷氣換熱較弱，以及中后段的壁較厚導(dǎo)熱量大，使得整個(gè)機(jī)匣的中后部溫度較高。從溫度梯度分

通過高壓渦輪機(jī)匣的流動(dòng)換熱研究以及過渡態(tài)溫度分析，掌握了機(jī)匣的流動(dòng)換熱規(guī)律，基本建立了渦輪機(jī)匣的傳熱分析方法。

通過對(duì)高壓渦輪機(jī)匣的流動(dòng)換熱進(jìn)行CFD仿真分析和換熱試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了機(jī)匣換熱分布特性。

（1）沖擊孔出流對(duì)壁面造成很強(qiáng)的沖擊作用，沖擊區(qū)換熱很強(qiáng)，局部換熱系數(shù)很大。

（2）機(jī)匣腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致氣流方向不斷改變，形成多而復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu)；在氣流渦存在的位置，氣流與壁面的作用較強(qiáng)，壁面局部換熱系數(shù)較大。

（3）機(jī)匣的流道結(jié)構(gòu)對(duì)換熱系數(shù)有影響，在突闊段（凹槽）換熱系數(shù)減小，在突縮段（窄縫）換熱系數(shù)增大，在死區(qū)附近換熱很弱。

（4）隨著雷諾數(shù)的增大，整個(gè)壁面的平均換熱系數(shù)依次增大。

通過將CFD數(shù)值分析和試驗(yàn)研究的結(jié)果應(yīng)用到工程計(jì)算中，建立了高壓渦輪機(jī)匣傳熱工程分析方法，能夠更準(zhǔn)確地分析機(jī)匣的溫度，完善機(jī)匣傳熱設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

本文的溫度分析借助了CFD仿真分析和基礎(chǔ)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，為改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的傳熱分析方法進(jìn)行了較好的嘗試。CFD分析作為1種代替試驗(yàn)的數(shù)值仿真手段，能夠很好地為一些缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算模型提供計(jì)算分析的依據(jù)和指導(dǎo)，也是將來在傳熱分析中可以使用的1種手段。但是，需要認(rèn)識(shí)到CFD數(shù)值仿真計(jì)算必須結(jié)合一定的試驗(yàn)驗(yàn)證才能更好地應(yīng)用到工程分析計(jì)算中。

另外，整個(gè)機(jī)匣部件的溫度分析結(jié)果還應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、試車中開展壁溫測(cè)試，通過整機(jī)級(jí)的試驗(yàn)驗(yàn)證完善機(jī)匣的傳熱分析方法，以進(jìn)一步提高其傳熱分析方法的技術(shù)成熟度。

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Heat Transfer Analysis Technology of Aeroengine Turbine Casing
TONG Yi-jie,QU Sheng,LIU Guo-ku

（Naval Aeroengine Consumer Representative Office in Shenyang,Shenyang 110043,China）

The heat transfer characteristics of turbine casing was systematically studied by the numerical simulation and basic test,and the analysis method of heat transfer for the high pressure turbine casing was built.The main technology of casing heat transfer was summarized,CDF flow and heat transfer of casing key parts was analyzed,and the distribution law of casing surface heat-transfer was obtained.The analysis method of casing surface heat-transfer was corrected by test,and then the heat transfer engineering method of turbine casing was built by casing transient temperature analysis.

turbine casing；heat transfer；engineering application;numerical simulation；test；aeroengine

2012-02-23