航空發(fā)動機渦輪導向葉片冷氣流量數(shù)值計算分析

李 瑩 呂文菊 馬 蕾（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110862）

航空發(fā)動機渦輪導向葉片冷氣流量數(shù)值計算分析

李 瑩 呂文菊 馬 蕾
（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110862）

本文采用商業(yè)軟件對航空發(fā)動機低壓渦輪一級導向葉片冷氣流量進行了數(shù)值仿真計算，研究了單聯(lián)導向葉片及三聯(lián)導向葉片內腔冷卻氣體的質量流量。計算結果表明，數(shù)值仿真計算的質量流量值與水流量設備檢測的質量流量值比較吻合，并且三聯(lián)葉片的質量流量值基本上等于單聯(lián)葉片質量流量值的三倍。因此，可以用此數(shù)值仿真計算方法計算單聯(lián)葉片內腔冷卻氣流的質量流量，以此反應雙聯(lián)、三聯(lián)及多聯(lián)渦輪導向葉片的冷卻氣體流量的質量流量。

渦輪導向葉片；冷卻氣體；質量流量 ；數(shù)值計算

1 低壓渦輪導向葉片的結構特點

航空發(fā)動機渦輪氣冷導向葉片設計與制造技術是研制高推重比發(fā)動機的關鍵。當渦輪導向葉片材料承受的溫度高于1100℃以上時，渦輪導向葉片的高溫燃氣接觸表面不僅需要添加隔熱涂層，還需要采取比較復雜的冷卻措施，如在內腔型面增加導流管或在上、下緣板及葉身表面布設許多冷卻孔。航空發(fā)動機渦輪導向葉片多采用空心帶冷卻的結構，內腔型面增加導流管。低壓渦輪導向葉片大多采用單聯(lián)、雙聯(lián)、三聯(lián)及多聯(lián)結構。

1.1 單聯(lián)導向葉片的結構特點。由于鑄造技術的局限性，早期低壓渦輪導向葉片多為單個鑄造，其有一定的缺陷性，如氣密性不好，影響整機性能等。

1.2 雙聯(lián)及三聯(lián)導向葉片的結構特點。雙聯(lián)氣冷渦輪導向葉片主要分為分塊組合式、單葉整鑄組焊式、一模雙葉整鑄式等。三聯(lián)氣冷渦輪導向葉片的典型結構是單葉整鑄后再三葉組焊或蠟模組焊，最后再三葉整鑄。雙聯(lián)、三聯(lián)或多聯(lián)氣冷渦輪導向葉片既減少導葉緣板間的漏氣損失、提高渦輪效率，又可減少導葉工藝制造環(huán)節(jié)、提高可靠性。隨著鑄造水平的提升，雙聯(lián)、三聯(lián)或多聯(lián)氣冷渦輪導向葉片逐漸占據(jù)主導地位。

2 計算模型的建立

此數(shù)值仿真計算分為單聯(lián)導向葉片和三聯(lián)導向葉片兩種情況計算其質量流量。本次計算對低壓渦輪一級導向葉片冷卻氣體流道進行全尺寸三維模型，為計算方便，對內部冷卻氣流流道結構進行了一定的簡化，如圖1及圖2所示，運用ICEM軟件對計算模型進行網(wǎng)格劃分。圖1給出了單聯(lián)導向葉片內腔冷卻氣流流道示意圖，圖2給出了三聯(lián)導向葉片內腔冷卻氣流流道示意圖。

3 計算結果與分析

3.1 劃分網(wǎng)格。本文計算的低壓渦輪一級導向葉片冷卻氣流進口直徑為Φ18mm。將導向葉片冷卻氣流進口端面設為壓力進口，將導向葉片冷卻氣流出口端面設為壓力出口，流動介質選擇H2O。運用ICEM軟件對計算模型進行網(wǎng)格劃分。單聯(lián)低壓渦輪一級導向葉片內部冷卻氣流通道計算模型網(wǎng)格單元總數(shù)為347762，最佳網(wǎng)格質量為0.999，最差網(wǎng)格質量為0.28，平均網(wǎng)格質量為0.7226；三聯(lián)低壓渦輪一級導向葉片內部冷卻氣流通道計算模型的網(wǎng)格單元總數(shù)為1075658，最佳網(wǎng)格質量為0.999，最差網(wǎng)格質量為0.22，平均網(wǎng)格質量為0.7684，均滿足計算要求。

3.2 質量流量計算結果。本計算中單聯(lián)導向葉片及三聯(lián)導向葉片的進口均采用壓力進口，出口均采用壓力出口，進口及出口總壓均為2個大氣壓，進口及出口靜壓為1.99個大氣壓，溫度均為288k。計算結果顯示，單聯(lián)導向葉片的質量流量為0.421kg/s，三聯(lián)導向葉片的質量流量為1.259 kg/s。

4 結論

計算結果表明，三聯(lián)導向葉片內腔冷卻氣體的質量流量基本上是單聯(lián)導向葉片內腔冷卻氣體質量流量的三倍，因此，以后可以通過只計算單聯(lián)葉片的質量流量來反映雙聯(lián)、三聯(lián)及多聯(lián)導向葉片內腔冷卻氣體的質量流量，這樣既簡化了計算模型，又縮短了計算時間，同時提高了數(shù)值仿真計算的準確性。由車間流量設備測試的該航空發(fā)動機低壓渦輪一級導向葉片的水流量值為1.221 kg/s，與數(shù)值計算得到的三聯(lián)導向葉片的質量流量值相比誤差為3%，兩種方法得到的質量流量值基本吻合。因此，運用此數(shù)值仿真計算方法計算渦輪導向葉片內腔冷卻氣體的質量流量是可行的。此數(shù)值仿真計算方法對以后計算及測量航空發(fā)動機渦輪導向葉片內腔冷卻氣體的質量流量奠定了一定的基礎。

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[2] 尚義.航空燃氣渦輪發(fā)動機[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.

[3] 吳子牛.計算流體力學基本原理[M].北京：科學出版社，2001.

V235

A航空發(fā)動機渦輪導向葉片的冷卻氣體流量是導向葉片的重要參數(shù)之一，對航空發(fā)動機性能起著關鍵作用，直接影響航空發(fā)動機導向葉片的工作可靠性。有效控制冷卻氣體流量，有利于防止葉片失效。在工廠實際生產(chǎn)加工時，一般采用測量水流量的方式來反應其冷卻氣體流量。但手動測量方式存在誤差，會造成質量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的錯誤。本文采用商業(yè)軟件對單聯(lián)低壓渦輪導向葉片及三聯(lián)低壓渦輪導向葉片的冷卻氣流流量進行數(shù)值仿真計算，同時與水流量設備對葉片的測量值進行了對比，并對兩種方法得到的質量流量值進行了分析，驗證了此數(shù)值仿真計算方法的準確性和可行性。