渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法簡(jiǎn)析

■ 李亞忠 魏寬 苗輝 / 中國航發(fā)研究院

對(duì)于推重比高達(dá)20:1的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，提升以渦輪葉片為主的熱端部件的耐高溫性能的需求十分迫切，先進(jìn)的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法則是提高渦輪前溫度的重要保障。

傳統(tǒng)的典型渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)主要包含前緣的沖擊和氣膜冷卻結(jié)構(gòu)、尾緣的擾流柱和劈縫冷卻結(jié)構(gòu)，以及中弦區(qū)域氣膜冷卻和帶擾流肋的通道冷卻結(jié)構(gòu)等（如圖1所示）。然而，隨著渦輪前溫度的不斷提升，通過典型冷卻結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單組合的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足冷卻的需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)已勢(shì)在必行。由于渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合了氣動(dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、可靠性等多學(xué)科的復(fù)雜問題，所以設(shè)計(jì)過程中不僅需要先進(jìn)的方法和流程，相關(guān)的配套試驗(yàn)也同樣不可或缺。

圖1 現(xiàn)代渦輪葉片典型冷卻結(jié)構(gòu)

圖2 渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是依據(jù)渦輪葉片的工作環(huán)境、設(shè)計(jì)壽命以及降溫需求等為基礎(chǔ)，在渦輪葉片各位置采用合理的冷卻方式來實(shí)現(xiàn)最佳冷卻效果，同時(shí)滿足壽命、強(qiáng)度以及耐高溫的要求。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和流程

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。在方案設(shè)計(jì)階段是初步確定渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)并進(jìn)行初步熱分析，初步熱分析通常采用S1流面流動(dòng)以及換熱計(jì)算，基于經(jīng)驗(yàn)公式的管網(wǎng)計(jì)算以及二維導(dǎo)熱計(jì)算相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片二維溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段則是根據(jù)渦輪葉片冷效試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)流程如圖2所示）。目前，渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)都是結(jié)合實(shí)際情況對(duì)上述渦輪葉片設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行改良的過程。

新型設(shè)計(jì)方法和流程

隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算能力的提升，設(shè)計(jì)人員更多地借助數(shù)值方法提高渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性并縮短設(shè)計(jì)周期。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的渦輪葉片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模技術(shù)、傳統(tǒng)的管網(wǎng)計(jì)算方法與新興的全三維氣熱耦合數(shù)值模擬技術(shù)，提出了一套新的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和流程，并編寫了相關(guān)的設(shè)計(jì)程序與計(jì)算程序（如圖3所示）。在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)氣冷葉片的氣動(dòng)參數(shù)和葉型特征，參考以往的氣冷葉片設(shè)計(jì)結(jié)果，選擇多種形式的初步冷卻結(jié)構(gòu)。在方案設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，冷卻結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，即冷卻結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整若干控制參數(shù)快速生成，從而實(shí)現(xiàn)高效率的葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于熱分析采用了管網(wǎng)計(jì)算方法和三維計(jì)算方法，因此參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)向管網(wǎng)計(jì)算程序與三維建模程序快速而準(zhǔn)確地傳遞計(jì)算模型數(shù)據(jù)。通過多次迭代，形成最終的滿足條件的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

從渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)來看，傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在初步設(shè)計(jì)階段為了節(jié)省計(jì)算資源，并快速篩選出較好的冷卻結(jié)構(gòu)，通常采用S1流面流動(dòng)與換熱計(jì)算、管網(wǎng)計(jì)算、二維導(dǎo)熱計(jì)算等計(jì)算量較小的方法進(jìn)行葉片的初步熱分析。在篩選的基礎(chǔ)上進(jìn)行冷效試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，獲得最終的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由于渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)涉及到氣動(dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、可靠性等多學(xué)科，為了更加準(zhǔn)確地了解冷卻結(jié)構(gòu)的可靠性，需要綜合多學(xué)科進(jìn)行分析，所以隨著三維數(shù)值模擬方法和計(jì)算資源的發(fā)展，在渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)詳細(xì)熱分析階段引入三維多學(xué)科耦合仿真技術(shù)以及部件一體化耦合仿真計(jì)算，對(duì)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的熱分析，獲取更多信息，使得渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加可靠，同時(shí)能極大地縮短設(shè)計(jì)周期。

渦輪葉片冷卻試驗(yàn)

渦輪葉片冷卻試驗(yàn)貫穿整個(gè)渦輪葉片設(shè)計(jì)周期，不同冷卻試驗(yàn)可以對(duì)不同設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，同時(shí)可以指導(dǎo)葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要包括研究性試驗(yàn)、綜合冷效試驗(yàn)以及整機(jī)試驗(yàn)。

研究性試驗(yàn)

研究性試驗(yàn)是渦輪葉片初步設(shè)計(jì)時(shí)的主要試驗(yàn)，用于驗(yàn)證和改進(jìn)冷卻設(shè)計(jì)過程中試驗(yàn)的計(jì)算程序和設(shè)計(jì)方法，如外部換熱計(jì)算程序、管網(wǎng)計(jì)算方法，也可以驗(yàn)證不同冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效率，發(fā)展新型高效的冷卻結(jié)構(gòu)以及挖掘相關(guān)冷卻機(jī)理。渦輪葉片冷卻研究性試驗(yàn)主要包括：內(nèi)帶肋通道流動(dòng)換熱特性試驗(yàn)、葉片氣膜冷卻試驗(yàn)、沖擊冷卻試驗(yàn)和一些部件級(jí)試驗(yàn)。

內(nèi)部帶肋通道流動(dòng)換熱特性試驗(yàn)可以用來驗(yàn)證帶肋通道冷卻結(jié)構(gòu)的綜合換熱效率。內(nèi)部帶肋通道的對(duì)流強(qiáng)化換熱主要用于葉片的中弦區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)部通道壁面的吸力側(cè)和壓力側(cè)布置擾流肋，起到強(qiáng)化換熱的目的。研究表明，帶肋通道冷卻效果的影響因素包括肋的形狀和角度、通道形狀、肋間距與肋高比、通道堵塞比和雷諾數(shù)等。在研究內(nèi)部帶肋通道冷卻過程中通常需要結(jié)合換熱特性和流動(dòng)特性來進(jìn)行綜合評(píng)估冷卻效果。因此在試驗(yàn)過程中需要采集相關(guān)流動(dòng)參數(shù)以及換熱參數(shù)，目前的溫度數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括溫度采集的熱電偶、示溫漆、紅外熱像儀和熱敏液晶等方式，而流動(dòng)參數(shù)的測(cè)量技術(shù)則包括熱線測(cè)速、激光多普勒測(cè)速技術(shù)（LDV）和粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)等。帶肋通道的試驗(yàn)臺(tái)則可以根據(jù)葉片狀態(tài)分為靜止臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)，分別模擬渦輪葉片靜子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。

渦輪葉片的沖擊冷卻主要用于熱負(fù)荷比較大的區(qū)域，比如渦輪葉片的前緣區(qū)域、冷卻氣流通過葉片內(nèi)部隔板上的小孔沖擊葉片的內(nèi)表面，以達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。最初的沖擊冷卻試驗(yàn)是針對(duì)光滑的沖擊靶板，但隨著冷卻能力要求的逐年提高，近年來球窩/球凸、柱肋等擾流結(jié)構(gòu)也逐漸用于沖擊靶板的強(qiáng)化換熱。例如斯圖加特大學(xué)的沖擊冷卻試驗(yàn)臺(tái)（如圖5所示），其的射流空氣溫度由熱電偶測(cè)量得到，而目標(biāo)板表面的溫度測(cè)量則采用瞬態(tài)液晶技術(shù)。

氣膜冷卻是溫度較低的冷卻氣體從渦輪葉片內(nèi)部通過氣膜孔流出之后，再在渦輪葉片和高溫燃?xì)庵g形成一層冷卻氣膜，避免了燃燒室出來的高溫燃?xì)庵苯咏佑|渦輪葉片表面。氣膜冷卻的主要影響因素有氣膜孔形狀、氣膜孔射流角度、氣膜吹風(fēng)比和密度比等。氣膜冷卻試驗(yàn)臺(tái)主要包含試驗(yàn)件、供氣系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，其中供氣系統(tǒng)包含主流氣路（高溫氣體）和氣膜氣路（氮?dú)饣蚨趸迹囼?yàn)過程中通常采用熱電偶、瞬態(tài)液晶測(cè)溫技術(shù)、壓力敏感漆技術(shù)、紅外熱像測(cè)量技術(shù)等。

圖4 靜止帶肋直通道換熱試驗(yàn)臺(tái)示意

圖5 斯圖加特大學(xué)沖擊冷卻試驗(yàn)臺(tái)示意

綜合冷效試驗(yàn)

研究性試驗(yàn)往往通過簡(jiǎn)化的冷卻結(jié)構(gòu)和邊界條件，快速地獲得主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)對(duì)于換熱效率的影響，而綜合冷效試驗(yàn)往往將真實(shí)渦輪葉片置于高溫高壓工況下，通過長時(shí)間運(yùn)行來檢驗(yàn)渦輪葉片的冷卻設(shè)計(jì)的可靠性，是渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)過程中最重要的一環(huán)。綜合冷效試驗(yàn)過程的主要測(cè)量參數(shù)有燃?xì)夂屠錃饬髁俊囟?、壓力和葉片表面溫度，其中葉片表面溫度用金屬套管熱電偶或示溫漆測(cè)量。目前，中國航發(fā)動(dòng)力所和渦輪院都建有綜合冷效試驗(yàn)臺(tái)，其試驗(yàn)主流氣體通過兩級(jí)電加熱和兩級(jí)燃燒室加溫，最終可達(dá)1300K，葉片表面溫度主要通過埋入葉片表面的微型熱電偶測(cè)得。

整機(jī)試驗(yàn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)是試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性的主要試驗(yàn)。對(duì)于渦輪葉片來說、整機(jī)試驗(yàn)不僅考核渦輪葉片冷卻性能，同時(shí)也需要考核其供氣系統(tǒng)的可靠性以及發(fā)動(dòng)機(jī)其他各部件的匹配性能。相比研究性試驗(yàn)和綜合冷卻試驗(yàn)，整機(jī)試驗(yàn)下的渦輪葉片的工作環(huán)境以及冷卻氣路系統(tǒng)都更加接近真實(shí)環(huán)境。

渦輪葉片冷卻試驗(yàn)的發(fā)展

對(duì)于渦輪葉片冷卻試驗(yàn)的發(fā)展，一方面是需要更先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，目前溫度測(cè)量已經(jīng)從點(diǎn)測(cè)量發(fā)展到非接觸式表面溫度場(chǎng)的測(cè)量，如壓力敏感漆技術(shù)、瞬態(tài)熱敏液晶技術(shù)和穩(wěn)態(tài)熱敏液晶技術(shù)等，但是其測(cè)量精度仍有待提高；另一方面則需要繼續(xù)提高冷卻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)條件，高溫高壓高流量的試驗(yàn)條件仍是迫切需求。

結(jié)束語

相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程，渦輪葉片設(shè)計(jì)中參數(shù)化建模技術(shù)和全三維氣熱耦合數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，將有效地提升設(shè)計(jì)可靠性并縮短設(shè)計(jì)周期。渦輪葉片冷卻試驗(yàn)對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效率和冷卻機(jī)理的探索，以及設(shè)計(jì)方法的檢驗(yàn)和評(píng)估都有著至關(guān)重要的作用。隨著渦輪前溫度的進(jìn)一步提升，高工況的試驗(yàn)條件的模擬以及參數(shù)測(cè)量技術(shù)將是未來試驗(yàn)發(fā)展的重要方向。