渦輪第二級(jí)動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

韓 俊，溫風(fēng)波，王松濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力研究中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

上世紀(jì)40年代開(kāi)始，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)創(chuàng)了人類航空事業(yè)的新紀(jì)元，發(fā)展先進(jìn)航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，是人類不斷改進(jìn)各類飛行器性能的主要努力方向。提高渦輪進(jìn)口溫度是改善燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是提高推重比和熱效率的有效途徑［1－4］。因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)渦輪入口溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)葉片所使用合金材料的熔點(diǎn)，所以為保證渦輪熱端部件的正常工作，必須采取有效的冷卻技術(shù)［5－9］。當(dāng)前，渦輪葉片的冷卻方式主要有氣膜冷卻、沖擊冷卻、擾流肋柱等?；谀壳暗臏u輪前進(jìn)口溫度和材料的限制，單一冷卻方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足渦輪冷卻的需要，必須采取多種冷卻方式協(xié)同作用才能保證渦輪的高效工作［10－12］。

本文以某兩級(jí)四列燃?xì)鉁u輪第二級(jí)動(dòng)葉為研究對(duì)象，完成葉片的仿真建模、網(wǎng)格離散直至最終仿真計(jì)算的全過(guò)程。主流燃?xì)庠诮?jīng)過(guò)了高壓渦輪兩列葉柵和低壓渦輪導(dǎo)葉以后，溫度和壓力下降了很多，低壓動(dòng)葉前燃?xì)膺M(jìn)口溫度大概在1 000 K，這時(shí)只需要更加簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)就能夠達(dá)到冷卻要求。因此，省略了氣膜噴孔、內(nèi)冷通道中的擾流斜肋片以及尾緣的劈縫結(jié)構(gòu)，只保留蛇形通道。

1 低壓動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 低壓動(dòng)葉的參數(shù)化建模

低壓動(dòng)葉的造型同樣采用了以Matlab為基礎(chǔ)的自編程序以及結(jié)合UGNX軟件的曲面造型功能。使用所提供的葉片型面積疊線，由曲線沿徑向方向掃略形成葉片曲面形狀，葉片中的蛇形通道分隔板、肋片等結(jié)構(gòu)由UG草圖中給定為表達(dá)式約束，在后期需要修改幾何外形時(shí)直接修改控制參數(shù)即可。

圖1 低壓動(dòng)葉參數(shù)化的蛇形腔

圖2 低壓動(dòng)葉實(shí)體透視圖

圖1中給出的是參數(shù)化的蛇形通道實(shí)體模型生成后的情況，該冷卻腔采用了雙回路的兩流程結(jié)構(gòu)，冷卻氣體均從底部引入，在蛇形腔內(nèi)運(yùn)行兩個(gè)流程后通過(guò)上部的引氣孔引出。圖2給出的是葉片實(shí)體構(gòu)造完成后的透視圖。

1.2 網(wǎng)格構(gòu)造方案

由于低壓導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系清晰，很容易劃分出結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，因此采用了全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方案。整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總共分為4個(gè)部分，主流道、葉片體、蛇形冷卻前腔和蛇形冷卻后腔，這4個(gè)部分分別構(gòu)造結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖3所示。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量

表1給出了各部分網(wǎng)格的統(tǒng)計(jì)情況，其中網(wǎng)格質(zhì)量以ICEM中網(wǎng)格質(zhì)量(quality)和最小角度(minmum angle)兩種評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為例，同時(shí)給出了各部分網(wǎng)格質(zhì)量的分布情況。由最后一欄中可以看出，網(wǎng)格質(zhì)量在0.7以上的網(wǎng)格占了總網(wǎng)格數(shù)的95%以上，這說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量是比較好的。

圖3 低壓動(dòng)葉各部分網(wǎng)格示意圖

2 低壓動(dòng)葉改型前后溫度分布

低壓動(dòng)葉是該兩級(jí)冷卻葉柵的末級(jí)葉片，當(dāng)主流燃?xì)獾竭_(dá)該區(qū)域時(shí)，經(jīng)過(guò)前三級(jí)葉片的焓降和壓降，溫度和壓力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于剛從燃燒室出來(lái)時(shí)的量級(jí)。因此，低壓動(dòng)葉的冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量的簡(jiǎn)單、有效。通常來(lái)說(shuō)，動(dòng)葉轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)量較多，不僅要承受高溫、高壓載荷，而且在正常工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，還要承受較大的離心載荷。所以，合理的動(dòng)葉的冷卻結(jié)構(gòu)不僅能夠減輕整個(gè)渦輪的重量、提高推重比，而且簡(jiǎn)單有效的冷卻結(jié)構(gòu)也能夠減小冷卻氣體的阻力，同時(shí)也能夠降低流動(dòng)損失，提高效率。對(duì)于低壓動(dòng)葉來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)還是采用雙流程兩回路的蛇形通道結(jié)構(gòu)，但是取消了通道內(nèi)的擾流肋片，尾緣的冷卻噴射槽縫也沒(méi)有保留。冷卻氣體均從葉片底部引入冷卻通道中，在蛇形通道中折轉(zhuǎn)兩次后由頂部的引出孔排出。

低壓動(dòng)葉由于僅僅保留了蛇形通道結(jié)構(gòu)，因此總體的冷卻結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。在冷卻結(jié)構(gòu)造型階段只有四個(gè)部分，即兩組蛇形通道、葉片體和主流道，不加肋片的蛇形通道也給加工制造提供了極大的便利。圖4中所示的就是改進(jìn)后的低壓導(dǎo)葉幾何結(jié)構(gòu)示意圖。由圖中可以看到，改型后的低壓動(dòng)葉葉片在尾緣壓力面上增加了四個(gè)離散的縫，第二蛇形冷卻通道中的冷氣運(yùn)動(dòng)到這組縫以后，通過(guò)這組縫隙射流到葉片外形成氣膜，保護(hù)葉片尾緣表面。在圖4(b)中，通過(guò)小附圖的形式給出了這組縫的方位，縫隙的射流方向與當(dāng)?shù)厝~片表面法線方向成65°。

圖5用對(duì)比的方式給出了改型前和改型后兩種冷卻結(jié)構(gòu)下的葉片底部、中部和頂部三個(gè)截面上的溫度分布情況。其中左邊一欄是改型前葉片底部、中部和頂部截面上流體部分的溫度分布示意圖，右邊一欄是改型后對(duì)應(yīng)截面上的情況。從整體上看，改型前后對(duì)于流道內(nèi)的溫度分布影響很小，在葉片前緣滯止點(diǎn)處溫度較高，然后氣流分別沿著壓力面和吸力面流動(dòng)。在壓力面上，主流燃?xì)饩鶆虻募铀?，溫度逐漸下降;而在葉片吸力面上，主流有著明顯的加速過(guò)程，尤其是在吸力面中部區(qū)域，主流沿著葉片表面加速度非常大，導(dǎo)致在葉片表面附近有明顯的溫降，而后溫度又逐漸回升。

從兩個(gè)蛇形腔內(nèi)的溫度分布看，改型后調(diào)整了后腔隔板的位置，使得后腔通流面積在進(jìn)口段增大，減小了進(jìn)口壓力，同時(shí)由于低壓動(dòng)葉葉片尾緣較為狹窄，設(shè)計(jì)貫通的劈縫結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，因此在改型后的葉片在尾緣壓力面?zhèn)乳_(kāi)設(shè)一組離散的冷卻劈縫。從左邊一欄改型前的情況看，雖然沒(méi)有擾流肋片的存在，光滑通道內(nèi)的冷卻流體與壁面換熱過(guò)程也非常劇烈，在靠近壁面處的溫度梯度很大，由科氏力誘導(dǎo)出的渦系結(jié)構(gòu)極大的提高了通道內(nèi)的擾動(dòng)，從圖5(c)、(e)中可以看到，兩個(gè)蛇形通道內(nèi)冷卻氣體的溫度上升非?？欤谌~頂截面上的最高溫度已經(jīng)比進(jìn)口提高了大概200 K左右。再看圖5(b)、(d)、(f)中改進(jìn)后的情況，由于前部腔室并沒(méi)有做改動(dòng)，因此前部腔室的溫度沒(méi)有變化。而在后部蛇形腔內(nèi)，調(diào)整了隔板的位置并且在尾緣壓力面開(kāi)設(shè)了冷卻噴射槽縫使得腔內(nèi)的流動(dòng)發(fā)生了較大的改變。改型后的后腔結(jié)構(gòu)降低了進(jìn)氣壓力，改善了原有蛇形通道結(jié)構(gòu)最后一個(gè)流程內(nèi)出口段流體不合理的加速狀態(tài)，提高了冷卻流體和壁面的換熱效果。

圖4 改型后的低壓動(dòng)葉幾何結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 改型前后的低壓動(dòng)葉底部、中部、頂部截面流體部分溫度分布

圖6中所示的是與圖5對(duì)應(yīng)的改型前后各截面上葉片體的溫度分布情況，可以看出，后腔的改型沒(méi)有對(duì)前腔截面造成影響，而在后腔所在區(qū)域底部截面上，溫度下降了大概10 K左右，中部截面的溫降不是很明顯，在頂部截面上，可能是由于冷卻離散的冷卻槽縫噴射冷氣在尾緣位置易于散失，沒(méi)有完全覆蓋葉片表面，因此冷卻效果的改善也十分有限，然而改型后使得后腔冷卻進(jìn)口壓力降低了0.2.5 MPa，并且減小了阻力。

圖6 改型前后的低壓動(dòng)葉底部、中部、頂部截面葉片實(shí)體溫度分布

3 結(jié)論

本文以某高壓渦輪第二級(jí)動(dòng)葉為研究對(duì)象，通過(guò)Matlab和UG軟件結(jié)合參數(shù)化特征建模技術(shù)研究設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行改型前后溫度分布對(duì)比。葉片的改型對(duì)于流道內(nèi)的溫度分布影響很小，而葉片內(nèi)部溫度的分布有一定變化。在葉片后腔所在區(qū)域底部截面上，溫度下降了10 K左右，在中部截面和頂部截面上冷卻效果沒(méi)有明顯改善。

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