高壓渦輪動(dòng)葉吸力面氣膜冷卻特性研究

趙洪利，來永超，魏 凱，鄭 涅，陳天銘

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

引言

高壓渦輪動(dòng)葉是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中溫度最高的旋轉(zhuǎn)部件。近些年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，高壓渦輪入口溫度已遠(yuǎn)高于葉片材料的耐熱極限，因此必須采取措施對高壓渦輪動(dòng)葉進(jìn)行冷卻。其中，氣膜冷卻就是一種高效的冷卻方式[1]。

近些年來，國內(nèi)外關(guān)于高壓渦輪葉片氣膜冷卻有大量的研究成果，通過高溫燃?xì)夂屠淞鞯膿交旌蛯α鲹Q熱降低葉片溫度[2-3]，主要分析了氣膜孔的幾何參數(shù)(孔型、孔角度、孔間距等)和不同的氣動(dòng)參數(shù)(密度比、吹風(fēng)比、壓力梯度等)對氣膜特性的影響。其中，氣膜孔孔型和孔角度是研究渦輪葉片氣膜冷卻的一個(gè)重要分支，圓柱型氣膜孔是氣膜冷卻研究中的基本孔型，國內(nèi)外學(xué)者通過改變氣膜孔型，使氣膜冷卻效果得到了提高。凹槽孔、收縮縫孔、交叉孔等孔型均是在圓柱型孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，這些孔在流向上進(jìn)行了擴(kuò)張，使氣膜孔出口面積要大于圓柱截面的面積，從而使二次流射流的出流動(dòng)量降低，減弱了氣膜孔射流在主流中的穿透能力，使得氣膜孔射流在主流的作用下更好的貼近渦輪葉片表面。但是這種異形孔加工困難且成本高，目前應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片上的大多數(shù)氣膜孔孔型仍以圓柱形孔和擴(kuò)張型孔為主。朱惠等[4]研究了渦輪導(dǎo)向葉片氣膜孔的不同位置對氣膜冷卻效率的影響，結(jié)果表明孔排位置不同，換熱系數(shù)和冷卻效率分布規(guī)律有較大的區(qū)別；JASON E A等[5]研究了渦輪葉片凹槽氣膜孔的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和氣膜冷卻效率，發(fā)現(xiàn)圓柱形孔綜合冷卻效率要低于凹槽孔；GIEL等[6]在滿足真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片工作馬赫數(shù)和雷諾數(shù)條件下，測量了渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面的換熱系數(shù)分布，研究表明，葉片表面氣流從層流向湍流轉(zhuǎn)捩所導(dǎo)致的換熱系數(shù)隨著主流雷諾數(shù)的增大而增大，主流雷諾數(shù)是影響渦輪轉(zhuǎn)子葉片換熱強(qiáng)度的關(guān)鍵因素；WAYE等[7]研究了葉片在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下復(fù)合傾角對圓柱形孔氣膜冷卻特性的影響；ETHRIDGE M I等[8]研究了密度比、吹風(fēng)比以及動(dòng)量比對渦輪葉片前緣和壓力面氣膜冷卻效率的影響，研究表明，在忽略密度比的影響下，渦輪葉片前緣使用流量比作參數(shù)比較合適，平板上高流量比下采用動(dòng)量比比較合適，低流量比下采用吹風(fēng)比作參數(shù)比較合適；WINK等[9]研究了葉片曲率對冷卻效率的影響，結(jié)果表明，葉片吸力面氣孔下游表面的曲率對氣膜冷卻影響比較大，葉片垂直壁面方向的壓力梯度隨著曲率的增加而增加，從而使射流更好的貼近壁面；NEWMAN等[10]測量了渦輪導(dǎo)葉前緣噴淋結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效率，隨著吹風(fēng)比的增大，壓力面的冷卻效率升高，但該研究并未將主流湍流度作為單獨(dú)的變量進(jìn)行研究。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片冷卻設(shè)計(jì)的不斷精確化，需要在數(shù)值模擬過程中盡可能的在接近真實(shí)工況的條件下研究不同冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效率和換熱特性。本研究通過對某航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行準(zhǔn)確三維建模，采用數(shù)值模擬的方法，分析了該葉片吸力面的氣膜冷卻特性。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

對某航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪動(dòng)葉進(jìn)行幾何掃描獲得渦輪葉片點(diǎn)云分布，采用Geomagic Studio逆向建模軟件對點(diǎn)云進(jìn)行逆向建模，然后運(yùn)用UG軟件對該高壓渦輪動(dòng)葉模型進(jìn)行冷卻腔和氣膜孔的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，本研究氣膜孔采用圓柱型孔。高壓渦輪動(dòng)葉前緣采用3排交錯(cuò)排列的氣膜孔，每個(gè)氣膜孔孔徑為0.5 mm，分別稱為吸力、中間和壓力氣膜孔，并且葉片前緣每排氣膜孔和前緣滯止線的夾角分別為30°，0°，30°，渦輪動(dòng)葉壓力面和吸力面氣膜孔孔徑d=0.5 mm，氣膜孔的射流角度β=45°，如圖1所示，氣膜孔位置與真實(shí)葉片氣膜孔位置分布一致。帶氣膜冷卻的高壓渦輪動(dòng)葉幾何模型如圖2所示。

圖1 高壓渦輪葉片吸力面氣膜孔示意圖

圖2 高壓渦輪動(dòng)葉幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

構(gòu)建高壓渦輪動(dòng)葉的計(jì)算域，并采用10節(jié)點(diǎn)的四面體網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分[11-12]，由于在渦輪動(dòng)葉附近區(qū)域速度梯度較大、流動(dòng)情況比較復(fù)雜，為了使模擬計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，需要對流固交界面采用邊界層網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格加密,距離葉片壁面最近的一層網(wǎng)格厚度為0.001 mm，氣膜孔網(wǎng)格數(shù)量為182萬。計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)量為385萬，如圖3、圖4所示。

圖3 高壓渦輪葉片計(jì)算域網(wǎng)格

圖4 高壓渦輪葉片邊界層網(wǎng)格

1.3 計(jì)算條件

本研究采用冷卻效率η來評價(jià)氣膜冷卻對高壓渦輪動(dòng)葉吸力面的冷卻效果，定義高壓渦輪動(dòng)葉平均冷卻效率為η=(Tg-Taw)/(Tg-Tc)，其中Tg為主流溫度，Taw為高壓渦輪動(dòng)葉絕熱壁面溫度，Tc為射流溫度，其中，Tg=1464 K，Tc=829 K。

2 結(jié)果分析

2.1 靜止條件下吸力面氣膜冷卻效率

圖5是在靜止條件主流湍流度Tu=1%下，不同吹風(fēng)比M時(shí)葉片氣膜冷卻效率分布云圖，可以看出，在不同吹風(fēng)比下，高壓渦輪動(dòng)葉吸力面氣膜孔的氣膜射流軌跡為聚斂狀，葉片的氣膜覆蓋面積隨著流向尾緣逐漸變小，這是由于渦輪葉片葉柵通道中的通道渦造成的，葉片吸力面的氣流會受通道渦旋轉(zhuǎn)方向的影響，氣流向葉片中部卷吸聚攏，從而使得高壓渦輪葉片吸力面尾緣區(qū)域的氣膜覆蓋效果逐漸變差，這與賀宜紅等[14]研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

圖5 氣膜冷卻效率分布云圖(Tu=1%)

對比圖5中各工況可知，在相同主流湍流度下，吹風(fēng)比對高壓渦輪動(dòng)葉吸力面氣膜冷卻效率有很大的影響。在小吹風(fēng)比下，葉片吸力面的氣膜覆蓋面積較大，氣膜冷卻效果較好，但是隨著吹風(fēng)比的不斷增大，葉片氣膜冷卻效果變差。這是由于吹風(fēng)比較小時(shí)，從葉片氣膜孔噴出的氣流在科恩達(dá)效應(yīng)和主流壓力下能更好的附在葉片的壁面上，隨著吹風(fēng)比的增大，渦輪動(dòng)葉的二次流有更大的射流速度，射流能夠穿透邊界層，從而脫離葉片壁面。

圖6是主流湍流度Tu=10%下，不同吹風(fēng)比時(shí)葉片氣膜冷卻效率分布云圖。比較各種工況下的云圖可以看出，在高主流湍流度下，高壓渦輪葉片氣膜孔附近的氣膜覆蓋區(qū)域比較均勻，隨著吹風(fēng)比的增大，高壓渦輪葉片氣膜冷卻效率減小。在小吹風(fēng)比下，當(dāng)主流湍流度Tu由1%增大到10%時(shí)，會加劇主流和氣膜射流的摻混，使渦輪葉片尾緣區(qū)域的氣膜冷卻效率的峰值有明顯的減小。在大吹風(fēng)比下，主流湍流度的增大會使葉片脫離壁面的氣膜與主流的氣流進(jìn)行二次摻混，有助于二次氣流擴(kuò)展到渦輪葉片壁面，從而有效的改善氣膜冷卻效率。

圖6 氣膜冷卻效率分布云圖(Tu=10%)

2.2 靜止條件下吸力面的平均氣膜冷卻效率

圖7是葉片展向平均氣膜冷卻效率曲線，橫坐標(biāo)為葉片吸力面弧長和弦長的比值Sc,縱坐標(biāo)是平均氣膜效率ηave?？梢钥闯?，各個(gè)吹風(fēng)比下平均氣膜冷卻效率值均出現(xiàn)先上升后下降的過程。這種現(xiàn)象是由于渦輪動(dòng)葉吸力面的曲面結(jié)構(gòu)會使氣膜孔噴出的氣流先脫離葉片壁面，造成葉片吸力面氣膜孔附近區(qū)域的氣膜覆蓋面積比較差，隨著氣流繼續(xù)流動(dòng)，氣流重新貼合葉片壁面，從而氣膜冷卻效率得到提高。當(dāng)平均冷卻效率達(dá)到最高值后，氣膜射流與燃?xì)庵髁鲹交焓沟棉D(zhuǎn)子葉片的冷卻覆蓋面積逐漸減小，從而平均冷卻效率逐漸下降。

圖7 高壓渦輪葉片展向平均氣膜冷卻效率

從圖7中可以看出，在小主流湍流度下，隨著吹風(fēng)比的增大，渦輪轉(zhuǎn)子葉片的平均冷卻效率明顯的降低。但是在大主流湍流度下，隨著吹風(fēng)比的增大，葉片近孔區(qū)域平均氣膜冷卻效率下降，在葉片尾緣區(qū)域，吹風(fēng)比的增大對平均氣膜冷卻效率的影響不大。在小吹風(fēng)比工況下，主流湍流度較小時(shí)，平均氣膜冷卻效率比較大；在大主流湍流度下，渦輪動(dòng)葉平均氣膜冷卻效率較小。在大吹風(fēng)比工況下，隨著主流湍流度的增大，渦輪葉片平均氣膜冷卻效率也增大，但是增大的幅度不大。以上結(jié)論與文獻(xiàn)[14]給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論變化規(guī)律一致。

通過以上分析可以看出，在數(shù)值模擬過程中，提高主流湍流度對氣膜冷卻的影響主要有：影響渦輪動(dòng)葉主流和二次流的摻混；影響葉片氣膜孔射流的壁面貼附性；其次，隨著主流湍流度的變化，吹風(fēng)比的變化對渦輪葉片吸力面平均氣膜冷卻效率的影響規(guī)律有所不同。

2.3 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片吸力面氣膜冷卻效率分布

圖8分析了渦輪動(dòng)葉在低主流湍流度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下(轉(zhuǎn)速為1447 rad/s)，葉片吸力面的氣膜冷卻特性?？梢钥闯?，吸力面的氣膜射流運(yùn)動(dòng)軌跡朝向葉片高半徑方向偏轉(zhuǎn)，隨著吹風(fēng)比的增大氣膜射流軌跡向高半徑偏轉(zhuǎn)的程度減小，逐漸回到接近水平流線位置。

圖8 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪動(dòng)葉的氣膜冷卻效率(Tu=1%)

在吸力面上，由動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的哥氏力朝向葉片的低半徑，由動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)和溫差產(chǎn)生的離心浮力向高半徑方向偏轉(zhuǎn)，但是由于哥氏力小于離心浮升力，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下吸力面的氣膜軌跡朝向高半徑方向偏轉(zhuǎn)。該葉片在相同的主流湍流度和轉(zhuǎn)速下，當(dāng)吹風(fēng)比增大時(shí)，一方面朝向葉片低半徑的哥氏力增大，另一方面由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力增強(qiáng)，因此葉片氣膜射流向葉片高半徑方向偏轉(zhuǎn)的力度減小，使氣膜偏轉(zhuǎn)逐漸向水平流線方向移動(dòng)，該結(jié)論與文獻(xiàn)[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

由圖5和圖8可以看出，在靜止條件下的葉片吸力面氣膜射流沿水平流線方向流動(dòng),氣膜覆蓋面積呈聚斂狀；相比于靜止?fàn)顟B(tài)，葉片在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下由于旋轉(zhuǎn)附加力的影響，使氣流從氣膜孔出來之后在吸力面展向上會有較大的位移，使之偏離原來的流線方向，這樣不利于氣膜貼附在葉片壁面，因此在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片吸力面的氣膜覆蓋面積減小。

圖9給出了在低主流湍流度和M=1時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下葉片吸力面的氣膜冷卻效率。由于渦輪動(dòng)葉離心浮升力與渦輪轉(zhuǎn)速成二次方的關(guān)系，增大旋轉(zhuǎn)速度會使哥氏力的增大幅度小于離心浮升力，因此隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，氣膜射流的偏轉(zhuǎn)程度明顯增大。由于轉(zhuǎn)速的影響，隨著轉(zhuǎn)速的增大，葉片流向分速度減弱，會使氣膜脫離原來流向的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而降低氣膜貼附葉片壁面的能力，因此氣膜射流沿葉片流向的延伸能力不斷減弱，導(dǎo)致吸力面流向上的氣膜覆蓋面積減小。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下葉片吸力面的氣膜冷卻效率

2.4 氣膜孔優(yōu)化后的葉片吸力面冷卻效率分布

通過將葉片圓柱形氣膜孔優(yōu)化為扇形氣膜孔，發(fā)現(xiàn)扇形氣膜孔對葉片的冷卻效果更佳，其結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，扇形氣膜孔主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下α=β=45°，前擴(kuò)角γ=10°，L=l1+l2+l3，l2=2l3。

圖10 扇形氣膜孔示意圖

圖11給出了在在靜止條件下，Tu=1%和M=1時(shí)扇形氣膜孔對葉片吸力面的氣膜冷卻效率。云圖對比圖11和圖5可以看出，在相同仿真計(jì)算條件下，優(yōu)化后的扇形氣膜孔相比圓柱形氣膜孔，在葉片流向上具有更好的冷卻效率和氣膜覆蓋能力，在葉片氣膜孔附近的氣膜冷卻效率稍低，在氣膜孔中下游處對葉片的冷卻效率更高，具有更好的展向冷卻覆蓋面積。因而，扇形氣膜孔對葉片吸力面整體的冷卻效果要優(yōu)于圓柱形氣膜孔的冷卻效果。

圖11 葉片扇形氣膜孔吸力面冷卻效率

3 結(jié)論

本研究通過數(shù)值模擬的方法研究了葉片在靜止和旋轉(zhuǎn)條件下高壓渦輪動(dòng)葉吸力面氣膜冷卻效率的分布特性，對比分析了吹風(fēng)比和主流湍流度對高壓渦輪葉片吸力面氣膜冷卻效率的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1) 渦輪動(dòng)葉在靜止和低主流湍流度下，小吹風(fēng)比下的葉片吸力面氣膜射流可以更好的貼附在葉片壁面上，隨著吹風(fēng)比的不斷增大，葉片吸力面的氣膜覆蓋面積減小，氣膜冷卻效率明顯下降。大主流湍流度下，渦輪動(dòng)葉吸力面氣膜射流和主流發(fā)生強(qiáng)烈的摻混，相比于低湍流度在小吹風(fēng)比下葉片吸力面的冷卻效率明顯的降低，在大吹風(fēng)比下吸力面的冷卻效率下降幅度較小;

(2) 在靜止條件下，改變主流湍流度能夠影響氣膜射流與主流的摻混和對高壓渦輪葉片吸力面壁面的貼附性，隨著流動(dòng)區(qū)域的變化和主流湍流度的增大，在小吹風(fēng)比下隨著主流湍流度的增大，吸力面的氣膜冷卻效率降低；但是在大吹風(fēng)比下，隨著主流湍流度的增大，反而對渦輪動(dòng)葉吸力面的氣膜覆蓋面積有所改善，從而使得吸力面的氣膜冷卻效率增大;

(3) 在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，渦輪動(dòng)葉吸力面上的氣膜運(yùn)行軌跡受旋轉(zhuǎn)附加力的作用，會朝向葉片的高半徑方向偏轉(zhuǎn)，隨著吹風(fēng)比的增大，氣膜軌跡偏轉(zhuǎn)程度加劇。在相同主流湍流度和吹風(fēng)比條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增大氣膜的偏轉(zhuǎn)程度增大，葉片流向上氣膜覆蓋面積減小;

(4) 優(yōu)化后的扇形氣膜孔相較于圓柱形氣膜孔在相同模擬條件下，葉片流向上，具有更好的氣膜覆蓋面積和冷卻效率，提升了葉片吸力面的冷卻效果，有助于進(jìn)一步降低葉片表面的溫度。