雙輻板渦輪盤(pán)盤(pán)腔單向流固耦合分析

韓玉琪，賈志剛，劉 紅，朱大明

（中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京101304）

雙輻板渦輪盤(pán)盤(pán)腔單向流固耦合分析

韓玉琪，賈志剛，劉 紅，朱大明

（中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京101304）

為減輕質(zhì)量、提高冷卻效率，針對(duì)下一代高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪盤(pán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于3維雙輻板渦輪盤(pán)模型進(jìn)行單向流固耦合分析，通過(guò)定常流動(dòng)換熱分析得到該結(jié)構(gòu)盤(pán)腔中的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，將盤(pán)腔表面壓力分布和盤(pán)體上的溫度分布作為載荷傳遞給盤(pán)體，對(duì)盤(pán)體進(jìn)行應(yīng)力分析得到應(yīng)力場(chǎng)，從而建立起溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的直接關(guān)聯(lián)，總結(jié)出盤(pán)腔轉(zhuǎn)速是影響盤(pán)體最大等效應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)，為雙輻板渦輪盤(pán)的冷卻設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

雙輻板渦輪盤(pán)；旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔；流動(dòng)；換熱；單向流固耦合；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

增大推重比，降低耗油率，提高可靠性是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的主要目標(biāo)，對(duì)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，提高渦輪前燃?xì)獾臏囟群驮龃髩簹鈾C(jī)壓縮比是2種主要途徑。在工作過(guò)程中渦輪盤(pán)承受離心力載荷、熱應(yīng)力載荷和輪盤(pán)外載荷，是典型的壽命限制件[1]。雙輻板渦輪盤(pán)是在美國(guó)高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃下，針對(duì)下一代高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪盤(pán)設(shè)計(jì)的輕質(zhì)量、高冷卻效率的新型結(jié)構(gòu)，由2個(gè)對(duì)稱半盤(pán)通過(guò)焊接工藝加工而成，并在輪盤(pán)中心形成盤(pán)腔結(jié)構(gòu)[2]。美國(guó)的Cairo[3-4]申請(qǐng)了雙輻板渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)的專利，并對(duì)該雙輻板渦輪盤(pán)進(jìn)行了分析，實(shí)施了不同程度的模擬試驗(yàn)，關(guān)注了焊接區(qū)域的應(yīng)力和疲勞壽命。為防止2個(gè)輻板在高轉(zhuǎn)速工況下盤(pán)心由于軸向變形而接觸，Benjamin[5]設(shè)計(jì)了1個(gè)盤(pán)轂尺寸較大的雙輻板渦輪盤(pán)；Joseph[6]申請(qǐng)了應(yīng)用于高壓壓氣機(jī)最后1級(jí)輪盤(pán)的雙輻板輪盤(pán)專利；江和甫[7]認(rèn)為雙輻板渦輪盤(pán)的技術(shù)關(guān)鍵是焊接工藝、冷卻設(shè)計(jì)、強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；陸山提出并建立了雙輻板渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型及方法，篩選了子午面形狀設(shè)計(jì)參數(shù)，針對(duì)典型高負(fù)荷渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了雙輻板盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]，并采用盤(pán)/榫結(jié)構(gòu)分部快速優(yōu)化/整體精細(xì)優(yōu)化的高效優(yōu)化策略，進(jìn)行了雙輻板渦輪盤(pán)／榫的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]；欒永先[10-11]對(duì)雙輻板渦輪盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝難點(diǎn)進(jìn)行了介紹，通過(guò)與傳統(tǒng)渦輪盤(pán)進(jìn)行對(duì)比闡述了雙輻板結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性，并應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)傳統(tǒng)渦輪盤(pán)和雙輻板渦輪盤(pán)進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并提出其未來(lái)的研制設(shè)想；董少靜[12]采用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法確定出雙輻板渦輪盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析和尺寸優(yōu)化，使得同等應(yīng)力水平下的雙輻板渦輪盤(pán)的質(zhì)量比傳統(tǒng)渦輪盤(pán)的降低23.6%，通過(guò)3維旋轉(zhuǎn)光彈試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的雙輻板渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)的合理性和相關(guān)計(jì)算的正確性；金琰[13]通過(guò)劃分各區(qū)域的換熱模型，計(jì)算了雙輻板渦輪盤(pán)的溫度分布，并通過(guò)間接熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算出了盤(pán)體上的應(yīng)力分布；付德斌[14]基于對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用熱管理的思路，使用單向流固耦合方法研究了盤(pán)體溫度分布與應(yīng)力水平的關(guān)聯(lián)性；丁水汀[15]推導(dǎo)給定變厚度渦輪盤(pán)內(nèi)外緣加熱能量下渦輪盤(pán)的溫度分布與應(yīng)力分布，從而建立起以能量轉(zhuǎn)移系數(shù)表示的渦輪盤(pán)能量、溫度及應(yīng)力分布之間的直接關(guān)聯(lián)。

本文首先基于ICEM軟件對(duì)雙輻板渦輪盤(pán)的3維模型進(jìn)行了高精度六面體網(wǎng)格劃分，然后基于CFX軟件對(duì)其進(jìn)了流動(dòng)換熱數(shù)值模擬，得到了流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，進(jìn)而將盤(pán)腔表面壓力分布和盤(pán)體上的溫度分布作為載荷傳遞給應(yīng)力分析，基于ANSYS軟件對(duì)盤(pán)體進(jìn)行應(yīng)力分析得到應(yīng)力分布，建立起溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的直接關(guān)聯(lián)，分析總結(jié)了流量和轉(zhuǎn)速對(duì)流動(dòng)換熱和應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

1 物理模型與數(shù)值方法

在雙輻板渦輪盤(pán)模型中，2個(gè)輻板中間形成空腔，冷卻氣體由中心流入，沿徑向流出，沿盤(pán)緣均布了78個(gè)出氣孔。

由于該盤(pán)腔結(jié)構(gòu)在周向具有周期對(duì)稱性，為了提高計(jì)算效率，截取包含1個(gè)出氣孔的扇段進(jìn)行數(shù)值分析，所截取的扇段如圖1所示。基于ICEM軟件進(jìn)行流體域和固體域的六面體網(wǎng)格剖分工作，如圖2所示，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)解驗(yàn)證后，流體域包含58萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元，固體域包含54萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元，共計(jì)112萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元。

使用CFX軟件對(duì)雙輻板渦輪盤(pán)的流動(dòng)換熱問(wèn)題進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，湍流模型選用SST2方程模型。流體入口處給定質(zhì)量流量和靜溫為800 K，出口處給定靜壓為1.5 MPa，流固交界面上使用無(wú)滑移邊界條件，在周期面上使用周期對(duì)稱邊界條件；固體盤(pán)緣給定熱流密度為20000 W/m2，在周期面上使用周期對(duì)稱邊界條件，流固交界面耦合求解，其余固體壁面使用絕熱條件，收斂條件為最大殘差小于10-5。有限元分析中在流體入口處的流固交界面給定法向零位移的約束。

在數(shù)值模擬中使用的氣體為理想氣體，定性溫度取入口氣流溫度，即800 K，參考?jí)毫θ?.5 MPa，固體區(qū)域材料選擇為鋼。本文對(duì)6種不同冷氣流量和3種不同轉(zhuǎn)速下盤(pán)腔的流動(dòng)換熱工況進(jìn)行了數(shù)值分析。這 6種入口冷氣流量分別為 0.078、0.117、0.156、，0.195、0.23、0.273 kg/s，對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱流量系數(shù) Cw在104量 級(jí) ；3 種 轉(zhuǎn) 速 分 別 為 10000、12000、14000 r/min，對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Rew在106～107量級(jí)，共計(jì)18種工況。

2 數(shù)值結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

在計(jì)算時(shí)各種工況下流動(dòng)結(jié)構(gòu)相似，以冷氣流量為0.195 kg/s、盤(pán)腔轉(zhuǎn)速為10000 r/min的工況為例來(lái)分析流動(dòng)結(jié)構(gòu)。對(duì)稱面上的流線分布如圖3所示，該圖清晰的展示了徑向內(nèi)流旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，流體由中心進(jìn)入盤(pán)腔后，首先是源區(qū)，隨后逐漸被卷吸進(jìn)入雙輻板內(nèi)兩側(cè)的?？寺鼘觾?nèi)，中間為核區(qū)，最后通過(guò)匯區(qū)流入出氣孔，呈現(xiàn)出典型的源-匯流動(dòng)結(jié)構(gòu)形式。

旋流系數(shù)定義為β=w/ωr， 其表征了流體切向速度與當(dāng)?shù)乇P(pán)體旋轉(zhuǎn)速度的相對(duì)大小，中心線上旋流系數(shù)的分布情況如圖4所示。其中轉(zhuǎn)速為12000 r/min時(shí)不同流量工況下的變化情況如圖4（a）所示，流量為0.195 kg/s時(shí)不同轉(zhuǎn)速工況下的變化情況如圖4（b）所示。從圖中可見(jiàn)，在各種工況下旋流系數(shù)均處于0～1之間，即流體的切向速度小于當(dāng)?shù)乇P(pán)腔的旋轉(zhuǎn)速度，流體進(jìn)入盤(pán)腔后剛開(kāi)始旋流系數(shù)為0，此時(shí)位于源區(qū)，隨后逐漸被卷吸進(jìn)入兩側(cè)的?？寺鼘?，此時(shí)中心核區(qū)流體的旋流系數(shù)逐漸增大，即圖中曲線0～1的增長(zhǎng)階段，然后通過(guò)匯區(qū)進(jìn)入出氣孔，旋流系數(shù)達(dá)到1。觀察各曲線中旋流系數(shù)為0的初始段可以發(fā)現(xiàn)，在相同轉(zhuǎn)速下，隨著冷氣流量不斷增加，冷氣的慣性力逐漸變大，源區(qū)的長(zhǎng)度尺度也逐漸增大，核心區(qū)的旋流系數(shù)變?。辉谙嗤錃饬髁織l件下，觀察各圖中相同顏色的曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著盤(pán)腔旋轉(zhuǎn)速度的增加，源區(qū)的長(zhǎng)度尺度逐漸減小，核心區(qū)的旋流系數(shù)逐漸增大。

2.2 總壓損失分析

2.3 溫度分布分析

以冷氣流量為0.195 kg/s、盤(pán)腔轉(zhuǎn)速為10000 r/min的工況為例來(lái)進(jìn)行分析，該工況下對(duì)稱面上的溫度分布如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，沿著半徑增大的方向，流體域和固體域的溫度都逐漸升高，溫度梯度也逐漸變大，盤(pán)緣處溫度達(dá)到最大值，出氣孔內(nèi)流體與固體的接觸面積小，換熱不充分，相應(yīng)部位的固體域的溫度梯度較大。不同工況下盤(pán)體的最高溫度值如圖7所示。在所計(jì)算的工況內(nèi)，盤(pán)體最大溫差為63.7 K，最小溫差為30.5 K；在相同轉(zhuǎn)速情況下，隨著冷氣流量的增大，盤(pán)體最高溫度逐漸降低；在相同冷氣流量下，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，盤(pán)體的最高溫度逐漸升高，這是由于冷氣在通過(guò)盤(pán)腔時(shí)受到摩擦和離心增壓作用，隨著轉(zhuǎn)速增大，輪盤(pán)對(duì)冷氣的做功量增加，氣體的溫度升高的更快，降低了冷氣的換熱效果，在盤(pán)緣熱流密度一定的邊界條件下，導(dǎo)致盤(pán)體溫度更高。

2.4 應(yīng)力分析

冷氣流量為0.195 kg/s、盤(pán)腔轉(zhuǎn)速為10000 r/min的工況下計(jì)算得到的Von-Mises等效應(yīng)力σ的分布如圖8所示，在不同工況下盤(pán)體上最大等效應(yīng)力σ的對(duì)比如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，最大等效應(yīng)力255.52 MPa出現(xiàn)在輪盤(pán)輻板外側(cè)的中部，整個(gè)輻板的中間部分等效應(yīng)力的值都比較大，盤(pán)心施加法向位移約束的地方出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著冷氣流量的增加，盤(pán)體最大等效應(yīng)力減??；隨著盤(pán)腔轉(zhuǎn)速的提高，盤(pán)體最大等效應(yīng)力顯著增大；輻板呈現(xiàn)出了向外側(cè)彎扭的趨勢(shì)，造成了離心應(yīng)力遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力的現(xiàn)象，也導(dǎo)致盤(pán)腔中平面處的應(yīng)力較小，對(duì)于雙輻板渦輪盤(pán)來(lái)說(shuō)，此處剛好為焊縫，這對(duì)于盤(pán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是有利的。

3 結(jié)論

對(duì)雙輻板渦輪盤(pán)盤(pán)腔進(jìn)行了單向流固耦合分析，初步總結(jié)了該盤(pán)腔結(jié)構(gòu)中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，建立了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的直接關(guān)聯(lián)，結(jié)論如下：

（1）雙輻板渦輪盤(pán)盤(pán)腔內(nèi)的流動(dòng)是典型的源-匯流動(dòng)，盤(pán)腔中心線上的旋流系數(shù)隨冷氣流量的增大而減小，隨旋轉(zhuǎn)速度的增大而增大。

（2）由于受到離心增壓作用，流體出口的總壓大于進(jìn)口的總壓，總壓差隨冷氣流量的增加而減小，隨旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大。

（3）沿徑向輪盤(pán)的溫度逐漸升高，在盤(pán)緣處達(dá)到最大值，盤(pán)體最大溫度值隨冷氣流量的增加而減小，隨旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大。

（4）等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在輪盤(pán)輻板外側(cè)的中部，整個(gè)輻板的中間部分等效應(yīng)力的值都比較大。隨著冷氣流量的增加，盤(pán)體最大等效應(yīng)力減??；隨著盤(pán)腔轉(zhuǎn)速的提高，盤(pán)體最大等效應(yīng)力顯著增大。對(duì)于本文中計(jì)算的工況來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速對(duì)于最大等效應(yīng)力的影響顯著大于溫度場(chǎng)的影響。

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Analysis on One Way Fluid-Structure Interaction of Rotating Cavity for Twin-Web Rotor Disk

HAN Yu-qi,JIA Zhi-gang,LIU Hong,ZHU Da-ming
（AECC Aero Engine Academy of China,Beijing 101304,China）

In order to reduce the weight and improve the cooling efficiency of the next generation of high thrust to weight ratio turbofan engine,considering the high pressure turbine disk optimizing design,a one way fluid-structure interaction analysis was performed based on three dimensional model of twin-web rotor disk,and the flow field,pressure field and temperature field distribution were obtained by steady flow and heat transfer analysis.Then the pressure distribution of cavity surface and temperature distribution of structure were transferred to the disk,stress distribution was then obtained with finite element analysis,which established the direct correlation between temperature and stress.As a result,rotating speed is the key parameter to the max equivalent stress.Current research firmly supports the cooling design and structural optimization of twin-web rotor disk.

twin-web rotor disk;rotating cavity;flow;heat transfer;one way fluid-structure interaction;aeroengine

V 211.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.005

2016-11-15 基金項(xiàng)目：國(guó)防重點(diǎn)科研項(xiàng)目資助

韓玉琪（1987），男，博士，工程師，主要從事盤(pán)腔流動(dòng)換熱研究工作；E-mail:hyqchyw@163.com。

韓玉琪，賈志剛，劉紅，等.雙輻板渦輪盤(pán)盤(pán)腔單向流固耦合分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（3）：19-23.HAN Yuqi,JIA Zhigang,LIU Hong,et al.Analysis on one wayfluid-structure interaction ofrotatingcavityfor twin-web rotor disk[J].Aeroengine，2017，43（ 3）：19-23.

（編輯：張寶玲）