某轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

鄧麗君 孫瑞嘉 余毅

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

作為承受高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的熱端零部件，小型渦輪轉(zhuǎn)子冷卻葉片涉及到渦輪空氣動力學、流體力學、傳熱學、機械動力學、材料學等多學科，設計工作由氣動、冷卻、結(jié)構(gòu)及強度等多專業(yè)迭代優(yōu)化完成，其技術(shù)復雜程度和設計難度非常高。

隨著航空發(fā)動機功率與熱效率的不斷提高，要求渦輪轉(zhuǎn)子的進口溫度（RIT）不斷增高，因此渦輪葉片內(nèi)部需要高度復雜的冷卻[1]；但是對于復雜冷卻通道的葉片內(nèi)腔容易出現(xiàn)分離、回流（滯止），從而會引起某些局部冷卻失效，并且導致發(fā)動機工作期間的某些部位金屬溫度熱點[2]，嚴重時會引起發(fā)動機故障。

文獻[2]中指出新型設計的轉(zhuǎn)子葉片冷卻通道內(nèi)的復雜流動特性分析需要通過模擬試驗，即用水流流動顯示試驗來證明冷卻通道的設計是否可行，其目的就是在保證冷氣流量的前提下最大程度地減少葉片轉(zhuǎn)折區(qū)域的回流（滯止）。鑒于目前國內(nèi)研制轉(zhuǎn)子葉片的實際情況，加工不同方案的轉(zhuǎn)子葉片模型也是一個費時、耗資的過程，本文選擇對轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)腔的流動情況進行數(shù)值模擬與優(yōu)化。

1.問題描述

某轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)腔初始設計結(jié)構(gòu)如圖1。采用CFD軟件對轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行流場數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)：第三腔縱向隔板后存在渦流區(qū)，具體位置見圖2。由于第三腔存在較大的低速渦流區(qū)，需要進行設計修改，最大程度地減少渦流區(qū)域，消除局部熱點提高冷卻效果。

圖1 轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

圖2 葉片內(nèi)腔流場

2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進方案

圖3為兩種典型的先進氣冷轉(zhuǎn)子葉片冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1與2分別是各冷氣腔隔板頭，3均是連接段，對比發(fā)現(xiàn)隔板頭直徑大小不同，可以推測這些隔板頭直徑的變化與連接段曲率的變化均是為了消除流體在葉片轉(zhuǎn)折區(qū)域的回流而設計，因此，本文在選擇該葉片第三腔的初始設計結(jié)構(gòu)為方案1的基礎上，對初始設計的第三腔隔板頭直徑、連接段曲率進行優(yōu)化設計，建立以下修改設計方案：將隔板頭直頭直徑不變但連接段曲率減小作為方案2；隔板頭直頭直徑變?yōu)樵瓉韮杀肚疫B接段曲率減小作為方案3；隔板頭直頭直徑變?yōu)樵瓉砣肚疫B接段曲率減小作為方案4。

圖3 典型轉(zhuǎn)子內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)值模擬與優(yōu)選

2.2.1 計算模型

由于三維轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型復雜，網(wǎng)格劃分處理與數(shù)值模擬比較困難，并耗時太長，所以將修改方案集中在簡化二維模型的分析上，初始設計結(jié)構(gòu)方案及修改方案簡化模型示意圖均如圖4，修改方案只是在隔板頭直徑與連接段曲率有所變化。

圖4 模型示意圖

2.2.2 數(shù)值方法及邊界條件

計算采用Fluent[3]商用軟件，湍流模型選取標準k—ε模型，數(shù)值離散采用二階迎風格式，算法為SIMPLE，收斂殘差小于1×e-6，且考慮流體粘性熱。在進行數(shù)值模擬時進口邊界條件總壓為0.57MPa、總溫823K，出口靜壓0.4MPa、回流總溫1200K，繞x軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為45000r/min。

2.2.3 結(jié)果分析與優(yōu)選

首先將方案1簡化為二維模型，然后進行數(shù)值計算，其二維流場如圖5。對比圖5中的方案一與圖2可以發(fā)現(xiàn)：在第三腔隔板后基本相同的位置都存在較大的渦流區(qū)域，可以說明第三腔二維簡化計算模型的流場與三維模擬流場有很大的相似性；只是二維流場渦流區(qū)域比三維流場的渦流區(qū)域小些，其原因是簡化的二維模型與真實的三維模型本身的結(jié)構(gòu)有所不同，且二維模型計算中入口條件與三維模型第三腔入口的真實條件有差別?；诜桨?二維模型與三維模型數(shù)值結(jié)果的相似性，因此將三維結(jié)構(gòu)簡化為二維結(jié)構(gòu)進行工程分析具有合理性和可靠性，并且能夠提高工作效率，加快設計進程。

圖5 方案1～4流場示意圖

由圖5方案一與方案二對比可知：數(shù)值結(jié)果顯示方案二隔板頭右邊的渦流區(qū)位置比方案一渦流區(qū)域有一定量減少，渦流區(qū)域位置有所下降，原因是在方案二中如果以隔板頭為參照，連接段曲率均下降，從而造成氣流外擴，形成緩沖，渦流區(qū)域下移并減少；同時方案二比方案一進出口流量增加約30%（見表1）。

表1 內(nèi)腔計算進出口流量與幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

分析圖5中的方案三與方案四可以得到：方案三與方案一、二相比，隔板右邊的渦流區(qū)明顯減小，流場也更加均勻，原因是方案三與方案二相比當隔板頭直徑變?yōu)閮杀稌r，相對于固定的連接段形成擴張區(qū)域，同時流量比方案一增加37%（見表1）；方案四中當隔板頭直徑變?yōu)槿稌r，右邊的渦流區(qū)域幾乎消失，但是流量比方案一只增加24%（見表1），相對于方案三有所下降；說明當隔板頭直徑由二倍增加至三倍時，隔板頭增大引起顯著的節(jié)流效應，造成節(jié)流后氣體壓力下降（見圖6）。

圖6 方案1～4壓力云圖

從以上分析與文中提供的壓力場圖，可以認為在設計條件下方案三即第三種改進方案的壓力分布高、流量最大、渦流區(qū)域較小。壓力分布高可以增強尾緣孔的流動，有利于提高尾緣換熱；流量最大說明在進出口截面不變時第三腔流速加快，可以增大內(nèi)腔換熱系數(shù)，有利于葉片內(nèi)外換熱。因此，在本文給定的條件下，綜合比較認為方案三即第三種改進方案為較優(yōu)的二維改進方案。

2.3 優(yōu)選方案三維數(shù)值模擬驗證

根據(jù)二維方案的優(yōu)選結(jié)果將葉片第三腔結(jié)構(gòu)進行調(diào)整即第三腔隔板頭直徑變?yōu)閮杀叮B接段曲率降低，如圖7。

圖7 調(diào)整后內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

在保證與原結(jié)構(gòu)進出口邊界條件相同的前提下，采用CFD軟件對優(yōu)選后的三維內(nèi)腔模型進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖8，與圖2相比第三腔流場的渦流區(qū)域比原結(jié)構(gòu)明顯減少，從而說明該改進方案能夠在一定程度上消除第三腔轉(zhuǎn)折區(qū)域的回流，該優(yōu)選方案合理，驗證了簡化二維模型分析的工程合理性。

圖8 調(diào)整后內(nèi)腔三維流場

3.結(jié)語

本文在對某初始設計葉片第三腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計過程中進行了兩個階段的分析工作：一是合理簡化建立正確的二維結(jié)構(gòu)模型，進行分析和對比尖部折轉(zhuǎn)區(qū)域的流動情況選出較優(yōu)方案；二是將選出較優(yōu)方案進行更為準確的三維數(shù)值分析并驗證二維分析的正確性。這種分析方法為獲得較優(yōu)的設計結(jié)構(gòu)提供了有效手段，并對今后轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設計有一定的參考價值。