改型前后高壓工作葉片冷卻特性分析

□ 郭曉玲 □ 張江偉 □ 李 斌 □ 邵 莉

中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司 西安 710021

1 分析背景

航空發(fā)動機高壓工作葉片溫度場的準(zhǔn)確計算對葉片冷卻設(shè)計而言,具有非常重要的意義,一方面可以為葉片冷卻方式的選擇和冷氣用量的分配提供依據(jù)與評價,另一方面能夠為葉片安全、可靠工作提供保證。筆者對某型航空發(fā)動機高壓工作葉片改型前后結(jié)構(gòu)的溫度場進(jìn)行對比計算,內(nèi)容主要包括葉片外換熱計算、葉片內(nèi)換熱計算、葉片壁面溫度計算,由此進(jìn)行冷卻特性分析。

葉片外換熱計算包括燃?xì)獾牧鲃訝顩r計算、葉片外表面的換熱系數(shù)計算,以及在有氣膜冷卻情況下的換熱系數(shù)修正和燃?xì)鉁囟刃拚Ｈ~片內(nèi)換熱計算包括經(jīng)過葉片內(nèi)冷通道的冷氣流量、流動損失、冷氣溫升,以及與內(nèi)表面間的換熱系數(shù)等參數(shù)的計算。在葉片外換熱計算和葉片內(nèi)換熱計算的基礎(chǔ)上計算葉片壁面溫度場,為強度計算和壽命分析提供溫度場數(shù)據(jù)。

2 計算方法

應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行航空發(fā)動機高壓工作葉片氣動熱力計算,得到葉片型面靜壓和馬赫數(shù)分布。將計算得到的馬赫數(shù)分布作為已知條件,應(yīng)用二維邊界層計算程序計算葉片外換熱系數(shù)。根據(jù)葉片外換熱計算和葉片內(nèi)換熱計算得到的葉片外部燃?xì)馀c內(nèi)部冷氣溫度,結(jié)合對流換熱系數(shù),計算出整個葉片的溫度分布。上述三部分計算互為邊界條件,互相影響,計算流程如圖1所示,最終計算結(jié)果收斂的條件是相鄰兩次迭代計算的壁溫溫差足夠小。

3 計算模型

為驗證航空發(fā)動機高壓工作葉片葉冠、進(jìn)氣孔及內(nèi)冷通道對葉片冷卻效果的影響,筆者對原型葉片進(jìn)行優(yōu)化改型。改型后葉片與原型葉片相比,有三處結(jié)構(gòu)變動:① 葉冠改為鋸齒形結(jié)構(gòu);② 葉根處的進(jìn)氣孔位置上移,進(jìn)氣孔形狀也有所改變;③ 前緣內(nèi)冷通道和中弦通道的面積有所改動。改型前后葉片結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。

4 原型葉片分析

4.1 外換熱計算

對原型葉片進(jìn)行外換熱計算,得到葉片通道內(nèi)的靜壓分布,如圖3所示,相應(yīng)的葉片型面靜壓和馬赫數(shù)分布如圖4所示。原型葉片燃?xì)鈧?cè)外換熱系數(shù)分布規(guī)律如圖5所示。

▲圖1 計算流程

▲圖2 改型前后葉片結(jié)構(gòu)對比

▲圖3 原型葉片通道內(nèi)靜壓分布

4.2 內(nèi)換熱計算

葉片內(nèi)部冷氣從葉根進(jìn)入,分流至前緣、中弦、尾緣的三個通道,最后從葉尖排出。

根據(jù)葉片內(nèi)換熱計算,得到原型葉片前緣通道的換熱系數(shù)為3 629～4 446 W/(m2·K),尾緣通道的換熱系數(shù)為3 232～4 355 W/(m2·K),中弦通道的換熱系數(shù)為1 314～1 762 W/(m2·K)。

▲圖4 原型葉片型面靜壓和馬赫數(shù)分布

▲圖5 原型葉片燃?xì)鈧?cè)外換熱系數(shù)分布規(guī)律

4.3 壁面溫度計算

原型葉片壁面溫度計算結(jié)果顯示,前緣和尾緣的溫度均偏高,最高溫度出現(xiàn)在尾緣接近葉根位置,最低溫度出現(xiàn)在前緣通道的入口位置。原型葉片的平均溫度為1 173.18 K,最大溫差達(dá)到276 K,綜合冷卻效率為0.373。

5 改型葉片分析

5.1 外換熱計算

改型葉片的外型線與改型前相同,沿葉高三個截面的表面壓力、馬赫數(shù)分布、外換熱系數(shù)均與原型葉片相同。

5.2 內(nèi)換熱計算

通過內(nèi)換熱計算,得到改型葉片前緣通道的換熱系數(shù)為3 282～3 669 W/(m2·K),尾緣通道的換熱系數(shù)為2 680～3 506 W/(m2·K),中弦通道的換熱系數(shù)為1 409～1 826 W/(m2·K)。

5.3 壁面溫度計算

改型葉片壁面溫度分布結(jié)果顯示,最高溫度出現(xiàn)在尾緣附近位置,前緣溫度也較高。從溫度場計算結(jié)果可以看出,改型葉片壁面最高溫度為1 327 K,最低溫度為1 000.4 K,最大溫差為327 K,平均溫度為1 167.8 K,綜合冷卻效率為0.381。

6 葉片溫度分布對比

6.1 壁面溫度

從原型與改型葉片溫度分布計算結(jié)果可以看出,原型葉片與改型葉片最低溫度都出現(xiàn)在前緣內(nèi)腔,改型葉片最低溫度有所降低。原因有兩個,一個是改型后前緣通道流通面積有所擴大,另一個是改型后榫頭部位進(jìn)氣孔位置有所提高。

改型葉片最高溫度仍出現(xiàn)在尾緣區(qū)域,但最高溫度有所上升。主要原因是改型后前緣通道增大,吸引了更多的冷卻氣體流入前緣通道。

6.2 葉冠溫度

相鄰葉片葉冠之間有縫隙存在,縫隙內(nèi)部可能有高溫氣流通過,這種情況對葉冠有加熱作用。特別是鋸齒形葉冠長邊縫隙在尖部更接近葉身,對葉片受熱有更大的影響。改型前后葉片葉冠溫度分布對比如圖6所示。

▲圖6 改型前后葉片葉冠溫度分布對比

6.3 榫頭溫度

改型前后葉片榫頭溫度分布對比如圖7所示。由7圖可以看出,改型后進(jìn)氣孔上移,加強了對榫頭上部的冷卻,同時榫頭下部溫度則有所提高?？傮w而言,榫頭上部,特別是進(jìn)氣孔附近區(qū)域的溫度梯度有減小的趨勢。

7 結(jié)論

筆者針對某航空發(fā)動機高壓工作葉片進(jìn)行優(yōu)化改型,對改型前后葉片的冷卻特性進(jìn)行了分析,主要得到以下結(jié)論:

(1)改型葉片前腔、中腔的結(jié)構(gòu)提高了葉片前部、中部區(qū)域的冷卻效果,降低了尾部冷卻效果;

▲圖7 改型前后葉片榫頭溫度分布對比

(2)改型對葉片葉冠壁面溫度分布的影響較小;

(3)改型葉片榫頭沿高度方向的溫度梯度有減小的趨勢。