渦輪導(dǎo)葉綜合冷效試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

鐘山，劉志剛，朱榕川，方弘毅，顧楊

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

渦輪導(dǎo)葉綜合冷效試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

鐘山，劉志剛，朱榕川，方弘毅，顧楊

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

為保證新研制的導(dǎo)向葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)上可靠工作，須先對(duì)其進(jìn)行冷效試驗(yàn)，以驗(yàn)證氣膜冷卻的氣動(dòng)參數(shù)、幾何參數(shù)對(duì)冷卻效果及渦輪氣動(dòng)性能的影響。試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)相似原則，采用單層干燒結(jié)構(gòu)，并采用UG參數(shù)化建模和裝配、間隙分析減小裝配誤差和干涉，提高了冷效試驗(yàn)效率。試驗(yàn)件內(nèi)溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)較好，具有良好的耐溫性、密封性；試驗(yàn)件設(shè)計(jì)中，配合更換試驗(yàn)件耐熱材料，較常規(guī)水冷式試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)簡單，且加工周期縮短一半，造價(jià)減少約60%。

渦輪導(dǎo)向葉片；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；間隙分析；數(shù)值模擬；冷效試驗(yàn)件；耐熱材料

1 引言

提高高壓渦輪導(dǎo)葉的承溫能力是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)。高壓渦輪導(dǎo)葉位于燃燒室出口，工作條件惡劣，承受有氣動(dòng)力和熱應(yīng)力，且在高溫燃?xì)庾饔孟乱赘g。此外，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)工況的不斷變化，葉片還需承受冷熱交變載荷作用。因此，渦輪導(dǎo)葉的冷卻換熱設(shè)計(jì)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、可靠性和壽命。目前，渦輪導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為保證新研葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)上可靠工作，必須在保證幾何、流動(dòng)、熱相似的條件下，對(duì)渦輪導(dǎo)葉的冷卻效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，之后才可用于發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)試驗(yàn)[1]。

傳統(tǒng)的渦輪導(dǎo)葉冷效試驗(yàn)件，通常由帶水冷的前轉(zhuǎn)接段、前測(cè)量段、試驗(yàn)段、后測(cè)量段構(gòu)成，存在以下缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于加工和改造，且加工周期長；冷卻水對(duì)冷效試驗(yàn)結(jié)果有影響；主要零、部件需采用昂貴的高溫合金制造，造價(jià)高。因此，這種結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)件不適合進(jìn)行大量、多種渦輪導(dǎo)葉的冷效試驗(yàn)研究。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種采用單層干燒式結(jié)構(gòu)的渦輪綜合冷效試驗(yàn)件。設(shè)計(jì)中，采用FLUENT軟件進(jìn)行流場(chǎng)驗(yàn)算，利用UG軟件進(jìn)行試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬裝配，并綜合考慮了氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、裝配間隙、熱變形等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和效率的影響，最后通過冷效試驗(yàn)予以了驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

渦輪導(dǎo)葉冷效試驗(yàn)需盡可能模擬發(fā)動(dòng)機(jī)典型工況下葉片的冷卻特性，以驗(yàn)證葉片是否滿足冷卻設(shè)計(jì)要求；采錄渦輪導(dǎo)葉綜合冷卻效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得設(shè)計(jì)狀態(tài)下葉片的絕對(duì)和平均相對(duì)冷卻效果，研究冷氣流量比等冷卻參數(shù)對(duì)葉片平均和局部冷卻效果的影響。冷效試驗(yàn)件裝在有較好溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)，能模擬試驗(yàn)葉柵的進(jìn)口壓力、溫度，測(cè)量試驗(yàn)件進(jìn)口流量、葉片冷氣流量。試驗(yàn)件前端與設(shè)備加溫器出口段相聯(lián)，將燃?xì)庹骱缶鶆驅(qū)朐囼?yàn)件進(jìn)氣測(cè)量段，后段流出的燃?xì)饨?jīng)收斂段順利排出到設(shè)備排氣段。

試驗(yàn)件根據(jù)真實(shí)試驗(yàn)葉柵尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)排氣內(nèi)流道，來保證幾何(葉片的排列方式、進(jìn)出口氣流角、進(jìn)出氣截面形狀)、流動(dòng)(冷氣與燃?xì)獾牧髁勘?、溫?相似。試驗(yàn)器提供真實(shí)溫度的進(jìn)氣流量及試驗(yàn)件采用耐溫材料制造的單層干燒結(jié)構(gòu)，來保證流動(dòng)、熱相似。試驗(yàn)件根據(jù)具體的渦輪葉片參數(shù)及設(shè)備條件設(shè)計(jì)，由進(jìn)氣段、試驗(yàn)段、葉片試驗(yàn)件、進(jìn)氣組件、冷卻管組件、測(cè)壓管組件等構(gòu)成(圖1)。

圖1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of test specimen

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在保證相似原則的前提下，據(jù)風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理、冷卻渦輪氣體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)等進(jìn)行設(shè)計(jì)[2，3]。進(jìn)、出口截面上，需保證徑向壓力梯度?？拷罅鞯纻?cè)板的葉柵通道，葉片尾緣的燕尾波打到側(cè)板上，形成反射波，對(duì)中間通道出口波系形成一定干擾，葉柵中間葉片通道流場(chǎng)的周期性受到一定程度影響；中間通道流場(chǎng)與周期性基準(zhǔn)結(jié)果相比存在一定差異，良好的側(cè)板設(shè)計(jì)對(duì)提高葉柵出口的周向周期性有明顯作用[4]。

2.1.1 進(jìn)氣段

進(jìn)氣測(cè)量段與設(shè)備的加溫器出口相通，內(nèi)流道進(jìn)口形狀由圓形逐漸轉(zhuǎn)為扇形。扇形的幾何形狀和面積與試驗(yàn)葉柵在發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)口截面相同，其作用是將燃?xì)獬醪秸骱髮?dǎo)入前測(cè)量段。前測(cè)量段的內(nèi)流道形狀和大小與扇形段出口相同，其作用是將氣流均勻?qū)朐囼?yàn)葉柵，并完成試驗(yàn)進(jìn)口參數(shù)測(cè)量。

2.1.2 試驗(yàn)段

試驗(yàn)段內(nèi)安裝試驗(yàn)葉片，保證試驗(yàn)葉片的進(jìn)出口氣流角、流道面積、排列方式與在發(fā)動(dòng)機(jī)上相同，其上有柵后壁面靜壓引出接口，葉片冷氣引入、引出接口和測(cè)溫電偶絲引出口。流道形狀為扇形，其功能是將燃?xì)庹骱髮?dǎo)入設(shè)備的排氣段中。

試驗(yàn)段內(nèi)部由葉片組成葉柵通道，中間是帶測(cè)溫電偶的試驗(yàn)葉片，兩側(cè)是帶氣冷的陪襯葉片，在扇形通道中進(jìn)行冷效試驗(yàn)[5，6]。冷卻空氣從葉片頂部進(jìn)入，一部分從葉身前緣和葉盆尾部的氣膜孔排入主流道，剩余部分從葉片底部小孔排出。

2.2 材料選取

試驗(yàn)件在一定壓力、高溫狀態(tài)下工作，傳統(tǒng)水冷式冷效試驗(yàn)件采用價(jià)格昂貴的GH3044和GH5188材料制造，材料費(fèi)在試驗(yàn)件造價(jià)中占比較大?，F(xiàn)用價(jià)格便宜的16Cr25Ni20Si2制作，采用不帶冷卻的干燒方式，降低試驗(yàn)件造價(jià)[7，8]。該材料屬奧氏體型耐熱鋼，其韌性、可焊性稍差，但抗氧化和抗?jié)B碳性優(yōu)良，具有較好的抗一般腐蝕能力。其工作溫度最高可達(dá)1 200℃，連續(xù)使用最高1 150℃，間歇式使用最高1 100℃。為確保試驗(yàn)件的焊接質(zhì)量和強(qiáng)度，選用與其材質(zhì)相近的材料作焊絲或采用母材作焊絲，采用氬弧焊小焊量重復(fù)焊接方法，并加工專用焊接試件對(duì)此予以了驗(yàn)證。

2.3 間隙分析

應(yīng)用UG參數(shù)化建模和裝配。冷效試驗(yàn)件設(shè)計(jì)中主要需進(jìn)行試驗(yàn)件冷/熱態(tài)間隙分析，以保證熱態(tài)試驗(yàn)下相關(guān)間隙滿足試驗(yàn)要求。對(duì)裝配件的全部或部分區(qū)域進(jìn)行間隙/干涉分析，可采用交互式或批處理模式進(jìn)行。對(duì)每個(gè)組件定義為間隙區(qū)，不考慮組件可能的運(yùn)動(dòng)，只處理靜態(tài)問題。

2.3.1 干涉類型

干涉類型主要包括五方面：①不干涉——對(duì)象間的距離大于間隙區(qū)域。②軟干涉——對(duì)象間的最小距離小于間隙區(qū)域，但兩個(gè)對(duì)象不接觸。系統(tǒng)將建立表示最小距離的一條線，代表查出的干涉。③接觸干涉——兩個(gè)對(duì)象接觸但不干涉。此時(shí)系統(tǒng)將在查出接觸干涉的位置建立一個(gè)表示接觸干涉的點(diǎn)。④硬干涉——兩個(gè)對(duì)象彼此相交。系統(tǒng)將建立一個(gè)表示干涉的干涉實(shí)體。⑤包容干涉——一個(gè)對(duì)象完全包容在另一個(gè)對(duì)象內(nèi)。系統(tǒng)將建立表示干涉被包容實(shí)體的拷貝。

2.3.2 間隙區(qū)域

環(huán)繞在對(duì)象周圍的空間偏置體，對(duì)兩個(gè)組成的對(duì)象進(jìn)行間隙分析。

定義間隙區(qū)域的方法：將缺省的間隙區(qū)域分配給所有對(duì)象，給單個(gè)對(duì)象指定間隙區(qū)域，給對(duì)象組分配間隙區(qū)域，可覆蓋任何其他間隙區(qū)域。

2.3.3 間隙分析

最小組件(只含有零件)的間隙分析：每完成一個(gè)最小組件設(shè)計(jì)，就把其下所有零件的Reference Set都替換為BODY，然后采用Facet/Solid方式進(jìn)行冷/熱態(tài)間隙分析。

高級(jí)別組件的間隙分析：把已裝配組件放入List1，把新添加組件放入List2，然后采用Facet/Solid方式進(jìn)行冷/熱態(tài)間隙分析，初步找出發(fā)生干涉的零件對(duì)；將發(fā)生干涉的零件對(duì)的Reference Set都替換為Body，再次進(jìn)行間隙分析，以獲得精確結(jié)果。

幾處重點(diǎn)位置的間隙分析結(jié)果表明，熱態(tài)時(shí)葉片與試驗(yàn)段安裝無過渡配合，冷態(tài)時(shí)有一定間隙并裝拆自如，說明設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)件冷/熱態(tài)使用要求。

2.4 數(shù)值模擬

采用FLUENT軟件，對(duì)葉柵流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬的邊界條件為柵前總壓1 010 kPa、總溫1 230 K，柵后背壓855 kPa。葉柵前后部分采用分區(qū)網(wǎng)格技術(shù)，網(wǎng)格數(shù)約200萬，未帶進(jìn)口段和出口導(dǎo)流板的模型見圖2。為準(zhǔn)確描述附面層對(duì)計(jì)算流場(chǎng)的影響，劃分流道和加密壁面附近網(wǎng)格，可參照文獻(xiàn)[9]～[11]中方法，對(duì)葉柵前后及流道、測(cè)量做出分析。

圖3為數(shù)值模擬流道縱截面速度分布圖，可見氣流在流道進(jìn)口部分速度較低、均勻性良好，進(jìn)入流道后在通道內(nèi)迅速加速，葉片尾緣出口尾跡區(qū)明顯。根據(jù)圖4中的端壁流線圖，氣流在葉片通道內(nèi)未出現(xiàn)附面層分離。

圖2 流道模型Fig.2 Flow path model

圖3 縱截面速度分布Fig.3 Velocity profiles at longitudinal section

圖4 流線圖Fig.4 Streamline diagram

從試驗(yàn)件流道馬赫數(shù)分布(圖5)看，試驗(yàn)件流場(chǎng)周期性良好，氣流在試驗(yàn)件前部加速，通過喉部后在斜切口后繼續(xù)膨脹加速，在輪轂處尾跡明顯，在中部和尖部出口均勻性良好。

圖5 馬赫數(shù)分布Fig.5 Mach number profiles

另據(jù)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，葉柵出口徑向壓力梯度與實(shí)際情況時(shí)氣流對(duì)輪轂的傾向性不同。由軸向間隙內(nèi)壓力橫向分布的測(cè)量表明，實(shí)際氣流對(duì)輪轂不分離，輪轂附近的損失含有葉柵端壁區(qū)域中未分離氣流的損失。靜壓沿柵距不變，引起氣流從輪轂分離及在輪轂附近靜壓沿額線不變。因輪轂附近的損失顯著增大，在中部三個(gè)葉片后面測(cè)量，有較好的周期流動(dòng)性，在輪緣處和在平均直徑氣流中的測(cè)量結(jié)果重合較好。

綜上分析，試驗(yàn)件進(jìn)口通道的流場(chǎng)參數(shù)滿足試驗(yàn)葉柵進(jìn)排氣要求；試驗(yàn)件排氣通道設(shè)計(jì)在與排氣角度相同、排氣口面積適當(dāng)放大狀態(tài)下，排氣流場(chǎng)周期性較好，不會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄取帶來不利影響，能獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 冷效試驗(yàn)驗(yàn)證

渦輪導(dǎo)葉綜合冷效試驗(yàn)在渦輪葉片冷卻效果試驗(yàn)器[1]上進(jìn)行。

3.1 壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布

試驗(yàn)件內(nèi)，進(jìn)入干燒冷效試驗(yàn)件的燃?xì)獗苊饬怂涫皆囼?yàn)件因冷卻水換熱對(duì)內(nèi)流道壁面燃?xì)獾挠绊?，減小了柵前溫度場(chǎng)梯度、不均勻的影響。在燃?xì)夤鈮毫?、溫度穩(wěn)定的情況下，由葉柵進(jìn)氣不同柵道位置采用的兩處梳狀探針(圖1)測(cè)量得出，進(jìn)口總壓沿徑向相差約0.7%，進(jìn)口總溫沿徑向相差約1.0%，如圖6、圖7所示，優(yōu)于帶水冷的冷效試驗(yàn)件(水冷試驗(yàn)件柵前壓力徑向相差約1.0%、溫度徑向相差約2.9%[1])。

圖6 壓力場(chǎng)分布曲線Fig.6 Distribution curve of pressure field

圖7 溫度場(chǎng)分布曲線Fig.7 Distribution curve of temperature field

3.2 冷效試驗(yàn)結(jié)果的可靠性

渦輪葉片冷效試驗(yàn)在保證相似原則的熱態(tài)條件下進(jìn)行，圖8示出了渦輪導(dǎo)葉葉中截面在不同流量比下的冷卻效果對(duì)比，圖9為葉中截面在不同溫比下的冷卻效果變化圖。可見，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合較好，用該試驗(yàn)件進(jìn)行的渦輪葉片冷效試驗(yàn)結(jié)果可靠。

圖8 冷卻效果-流量比曲線Fig.8 Cooling effectiveness vs.discharge ratio

圖9 冷卻效果-溫比曲線Fig.9 Cooling effectiveness vs.temperature ratio

4 結(jié)論

(1)采用UG參數(shù)化建模和模擬裝配及分析、FLUENT軟件模擬等手段，減小影響試驗(yàn)結(jié)果的多種誤差。流道結(jié)構(gòu)保證進(jìn)排氣段內(nèi)形及進(jìn)排氣角度精確相似、葉柵精確定位，保證葉形端面與進(jìn)排氣流道口的小間隙配合以減小泄漏。

(2)采用耐熱鋼材料16Cr25Ni20Si2代替GH材料，在保證使用溫度條件下，節(jié)約了試驗(yàn)件的造價(jià)和設(shè)計(jì)、加工周期。獨(dú)特設(shè)計(jì)的滑槽盒式葉柵裝夾結(jié)構(gòu)，在良好的密封性及受熱變形較小的條件下，更便于試驗(yàn)葉柵的裝拆和定位。

(3)冷效試驗(yàn)證明，冷效試驗(yàn)件采用單層、干燒結(jié)構(gòu)，提高了冷卻渦輪試驗(yàn)效率，能在滿足試驗(yàn)要求的參數(shù)范圍內(nèi)工作。試驗(yàn)件內(nèi)的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)較好，測(cè)量的各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

[1]劉志剛，朱榕川，周禹彬，等.渦輪葉片冷效試驗(yàn)專用蝸殼艙研制[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2005，18(4)：54—59.

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圖4 TBOM示例Fig.4 Illustration of TBOM

當(dāng)是否跟蹤為否時(shí)，維護(hù)BOM中不管理其實(shí)物零件，如圖中C、D1、D21；當(dāng)是否序列化為是時(shí)，維護(hù)BOM中對(duì)應(yīng)的實(shí)物零件含有序列號(hào)，如圖中D→D_(S/N2042)；當(dāng)是否批次為是時(shí)，維護(hù)BOM中對(duì)應(yīng)的實(shí)物零件含批次號(hào)，如圖中D2→D2_(LOT10)；發(fā)動(dòng)機(jī)的使用狀態(tài)信息，記錄在實(shí)物發(fā)動(dòng)機(jī)中；發(fā)動(dòng)機(jī)若因排故進(jìn)行了備件更換，則對(duì)維護(hù)BOM上對(duì)應(yīng)成附件或零件進(jìn)行更換，并可基于此維護(hù)BOM查看其維修前的BOM。

5 結(jié)束語

本文描述了在TeamCenter環(huán)境中如何演變各階段的BOM，形成系列的xBOM，提出了以BOM為主線在TeamCenter中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品單一數(shù)據(jù)源的管理方式。尤其是TBOM概念的提出，為試驗(yàn)BOM的管理提出了可行性方法，為設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)人員實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全過程跟蹤和追溯，及在PLM平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期管理，具有一定的參考價(jià)值。

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Design and Verification of Integrated Cooling Effectiveness Test Specimen for Turbine Vane

ZHONG Shan，LIU Zhi-gang，ZHU Rong-chuan，F(xiàn)ANG Hong-yi，GU Yang
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

To make turbine nozzle work reliably,cooling effectiveness test should be firstly conducted to study the aerodynamic effect and geometric parameters of film cooling on cooling effectiveness and turbine aerodynamic performance.Based on the principle of similarity，the test specimen adopted simple deck dry combustion constructure.UG parameterized modeling and assembling as well as clearance analysis was ap?plied to reduce the assembling error and interference,and thus improved the efficiency of cooling effective?ness test.Preferable temperature and pressure fields were obtained inside the test specimen,which were of good hot-resistance and sealing performance.Matched heat-resistant material made its common wa?ter-cooling construction simpler,shortened half of its process cycle and reduced approximately 60%of its cost.

turbine nozzle；structural design；clearance analysis；numerical simulation；cooling effectiveness test specimen；heat resistant material

V231.3

：A

：1672-2620(2014)03-0034-05

2013-10-06；

：2014-02-12

鐘山(1969-)，男，江西贛州人，高級(jí)工程師，主要從事航空試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)件等設(shè)計(jì)。