渦輪葉片輻射熱沖擊疲勞試驗應(yīng)力溫度場模擬仿真

王則力，巨亞堂，張 凱，武小峰

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

0 引言

在渦輪發(fā)動機設(shè)計中，常通過提升渦輪前的燃氣溫度來提高發(fā)動機的燃氣效率和推重比，因此發(fā)動機渦輪葉片須長期在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下工作。當(dāng)前，為延長渦輪葉片的使用壽命，普遍采用葉片內(nèi)腔通氣冷卻、氣膜冷卻等措施降低渦輪葉片的工作溫度；并在葉片表面噴涂低熱導(dǎo)率涂層對高溫合金葉片進行保護。當(dāng)發(fā)動機啟動時，渦輪入口高溫燃氣到達葉片前緣時，葉片表面溫度快速上升，在葉片厚度方向形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，對葉片結(jié)構(gòu)形成熱沖擊[1-2]。在熱應(yīng)力的反復(fù)作用下，渦輪葉片作為一種具有復(fù)雜截面結(jié)構(gòu)（冷卻腔、冷卻孔）和復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)（高溫合金和涂層）的部件，將面臨結(jié)構(gòu)開裂、材料熱失配等問題，對此需要進行熱沖擊試驗研究。

傳統(tǒng)的葉片熱沖擊試驗在燃氣風(fēng)洞中進行，通過一次性使用至少5片葉片聯(lián)裝成扇形葉柵，中間一片葉片為試驗件，兩側(cè)對稱布置一定數(shù)量的葉片為試驗件提供邊界條件和用作對照件[3-4]。在燃氣沖刷狀態(tài)下的葉片熱沖擊疲勞試驗中，環(huán)境參數(shù)是通過內(nèi)埋在葉片中的溫度傳感器確定的。由于葉片的壁厚通常很薄，葉片內(nèi)外壁面溫度能夠快速達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，所以可以通過單一傳感器測點的溫度值來表征熱沖擊疲勞環(huán)境載荷[5-6]。在渦輪葉片熱沖擊疲勞試驗中，除了需要模擬葉片厚度方向上的溫度環(huán)境和熱應(yīng)力，還需要模擬出葉片燃氣流向方向（葉片弦向）的溫度環(huán)境和熱應(yīng)力。為獲得特定的試驗件溫度場，可以基于結(jié)構(gòu)熱效應(yīng)等效理論[7-8]，從渦輪葉片自身的熱效應(yīng)出發(fā)，采用輻射加熱的方式，使渦輪葉片結(jié)構(gòu)的溫度時間歷程滿足熱沖擊疲勞試驗所需的狀態(tài)。當(dāng)前常采用石英燈對葉片外表面進行直接輻射加熱。石英燈熱慣性小，便于電控，可以實現(xiàn)試件局部點位的溫度控制，非常適合模擬氣動加熱的溫度瞬變[7]，但實現(xiàn)渦輪葉片氣流方向大梯度熱環(huán)境模擬難度較大。為此，需開展渦輪葉片熱試驗的數(shù)值仿真分析方法研究。

目前，國內(nèi)研究主要集中在對葉片燃氣試驗的流場換熱和固體傳熱的流-固耦合分析上。在計算氣冷渦輪的葉片溫度場時，必須預(yù)先求出葉片和燃氣界面，以及葉片和內(nèi)腔冷氣界面上的對流換熱系數(shù)，然后代入熱傳導(dǎo)求解器，以求得葉片內(nèi)部區(qū)域的溫度分布[9]。Mazur等[10]用計算流體力學(xué)軟件Star CD對鈷基合金葉片進行流-固耦合模擬仿真，計算分析葉片的溫度場分布。周馳等[11]用有限差分法對渦輪葉片進行氣-熱耦合數(shù)值模擬，研究流場中壁面附近網(wǎng)格、普朗特數(shù)以及湍流模型對計算精度的影響。劉振俠等[12]提出一種無須求解葉片表面對流換熱系數(shù)的熱-流耦合方法來計算氣冷渦輪葉片的溫度場，并用鈍形平板的二維層流驗證了方法的可靠性，對渦輪葉片換熱問題進行了仿真計算，得到了與實驗吻合良好的計算結(jié)果。

除了對渦輪葉片本體溫度場分布的仿真分析外，基于數(shù)值分析理論的虛擬試驗技術(shù)能夠有效指導(dǎo)試驗方案設(shè)計[13-14]。本文采用虛擬試驗技術(shù)，對石英燈加熱葉片的輻射傳熱過程進行瞬態(tài)模擬仿真，針對有內(nèi)腔氣流冷卻和無冷卻2種情況，對比分析葉片溫度場分布，討論同時采用石英燈輻射加熱和空氣冷卻的試驗方法實施渦輪葉片熱疲勞試驗的可行性。

1 方法及模型

1.1 分析軟件

使用Sinda軟件計算分析渦輪葉片的輻射熱試驗和內(nèi)腔對流冷卻換熱過程。在輻射熱分析過程中，采用蒙特卡羅光線跟蹤法計算輻射熱，通過統(tǒng)計計算葉片接收熱輻射的交換因子和光線角系數(shù)，得到傳導(dǎo)的熱流和溫度場。在內(nèi)腔對流冷卻換熱分析中，按照點-面?zhèn)鳠釞C制，用固定對流換熱系數(shù)的邊界條件進行計算。

1.2 計算模型

計算對象為某型航空發(fā)動機的高壓渦輪葉片，如圖1所示，其截面弦長46 mm，葉高約53 mm。葉片的熱沖擊疲勞試驗的目的是模擬發(fā)動機在啟動時承受高溫燃氣的熱沖擊過程，并得到葉片在高溫狀態(tài)下的實際溫度分布。采用石英燈輻射加熱虛擬試驗方法，模擬石英燈加熱葉片的輻射傳熱過程，以葉片目標(biāo)溫度分布（如圖2所示）為基準(zhǔn)，驗證石英燈加熱模式獲取的可行性。

圖1 渦輪葉片三維結(jié)構(gòu)模型Fig.1 3D model of the turbine blade

圖2 渦輪葉片目標(biāo)溫度場分布Fig.2 Temperature distribution on the turbine blade

為了對比加熱末段時刻的葉片溫度場，計算采用瞬態(tài)物理模型對每一設(shè)定時刻的溫度進行求解。模擬加熱過程中特征點溫度為Tcp，升溫段計算時間為11 s，保溫段計算時間為33 s，總計算時長44 s，溫度-時間曲線如圖3所示，圖中：紅色為仿真過程溫度曲線；黑色為熱沖擊試驗的曲線。

圖3 熱沖擊溫度-時間曲線Fig.3 Thermal boundary condition in thermal fatigue test

1.3 邊界條件

采用石英燈輻射加熱器為加熱元件進行熱沖擊疲勞試驗，試驗邊界如圖4所示：圖4(a)為由石英燈加熱器形成的加熱邊界布置方案，依照試驗件需要滿足的控溫要求，以紅實線為界劃分為2個單獨控溫加熱區(qū)，圖中的圓圈表示石英燈的位置。對圖1所示的試驗件幾何結(jié)構(gòu)建立離散網(wǎng)格模型，與石英燈輻射加熱器共同構(gòu)成計算模型，如圖4(b)所示。其中石英燈輻射加熱器模型按照真實試驗中使用的石英燈結(jié)構(gòu)進行構(gòu)建，包括石英燈發(fā)熱芯、石英燈燈管、石英燈兩側(cè)端頭等結(jié)構(gòu)。

圖4 石英燈加熱試驗邊界Fig.4 Model of quartz lamp heaters

對石英燈加熱器的功率依據(jù)控制點1（CP1）和控制點2（CP2）采集的溫度實現(xiàn)分區(qū)控制，保證控制點的溫度按照設(shè)定的溫度曲線運行。其中，1區(qū)保溫段的控制溫度為1319K，2區(qū)保溫段的控制溫度為1000K，相應(yīng)的溫度-時間曲線如圖5所示。

圖5 溫度控制曲線Fig.5 Temperature conditions of thermal load

采用不同邊界條件進行對比計算：1）只考慮輻射熱加載，不考慮空氣對流的邊界條件；2）考慮內(nèi)膜氣流冷卻的邊界條件。在第2種邊界條件的計算中，冷卻空氣的溫度設(shè)置為931 K（658 ℃），葉片內(nèi)腔、氣膜孔和葉盆（控溫1區(qū)，模擬葉片前緣氣膜冷卻效果）為空氣對流邊界。

2 仿真結(jié)果及討論

2.1 無對流冷卻狀態(tài)

渦輪葉片在無冷卻的情況下，經(jīng)過石英燈輻射加熱后，在44 s時刻的葉片中間截面溫度場如圖6所示。對模型特征位置（采樣點P1～P7，控制點CP1）進行溫度采樣，采樣點位置分布見圖6。繪制采樣點溫度隨時間變化曲線如圖7所示，可以看出：對比相應(yīng)位置的目標(biāo)溫度（參圖2），輻射加熱后葉盆（P5點）和葉背（P2點）的溫度分別高出195 K和112K，葉尖處（P1點）的溫度亦高出40～80 K；在升溫段（0 s—11 s）葉片截面溫差較大，到保溫階段（11 s—44 s）各采樣點的溫度趨于一致，其中葉尖和葉盆位置的P1、P5、P6三點間的溫差不超過5 K。葉片各部位的溫度隨輻射加熱時間延長而趨于均勻化的現(xiàn)象，主要是由于葉片截面尺寸較小，且葉片材料熱導(dǎo)率較大，內(nèi)部傳熱速度較快所致。

圖6 輻射加熱44 s時刻的葉片中間截面溫度場（無對流冷卻）Fig.6 Temperature fields on turbine blade at the time of 44 s under condition of quartz lamp heating only

圖7 葉片中間截面采樣點溫度隨時間變化曲線（無對流冷卻）Fig.7 Temperature variation at typical locations against time under condition of quartz lamp heating only

對比圖6與圖2的溫度場分布發(fā)現(xiàn)：只有輻射熱載荷作用時，葉片截面最高溫與最低溫之差為208K，而目標(biāo)溫差為319 K；葉盆與葉尖處溫度接近，而目標(biāo)溫差為112 K。可見，單一的輻射加熱無法模擬出所需的目標(biāo)溫度場分布。因此，考慮采用輻射加熱加內(nèi)腔、氣膜空氣冷卻的載荷邊界條件再次進行仿真計算。

2.2 考慮對流冷卻狀態(tài)

渦輪葉片在石英燈加熱以及葉片內(nèi)腔、氣膜冷卻的載荷邊界條件下，在加熱44 s時刻的葉片中間截面溫度場如圖8所示。溫度采樣點P1～P7和控制點CP1的溫度隨時間變化的曲線如圖9所示：葉片截面最大溫差317K，葉尖與葉盆溫差24K，與無對流冷卻狀態(tài)相比有顯著變化。

圖8 輻射加熱44 s時刻的葉片中間截面溫度場（考慮對流冷卻）Fig.8 Temperature fields on turbine blade at the time of 44 s under condition of quartz lamp heating with air cooling

圖9 葉片中間截面采樣點溫度隨時間變化曲線（考慮對流冷卻）Fig.9 Temperature variation at typical locations against time under condition of quartz lamp heating with air cooling

表1為有無對流冷卻狀態(tài)下，特征位置處的溫度與目標(biāo)溫度對比結(jié)果?？梢钥闯?，在葉尖（P1）、葉盆（P5）、葉背（P2）三處關(guān)鍵位置，增加對流冷卻后，葉尖處溫度的相對偏差從7.48%降低至4.41%，葉盆處溫度的相對偏差從18.34%降低至13.14%，葉背處溫度的相對偏差從11.13%降低至0.23%。這表明內(nèi)腔和氣膜冷卻邊界條件對葉片低溫區(qū)降溫有明顯作用，使得葉片模擬溫度場與目標(biāo)溫度場分布更加接近。也就是說，采用石英燈輻射加熱與內(nèi)腔、氣膜冷卻相結(jié)合的方式，能夠有效實現(xiàn)渦輪葉片溫度場沿葉片厚度及葉弦方向的熱環(huán)境模擬。

表1 兩種狀態(tài)下模擬溫度與目標(biāo)溫度對比Table 1 Comparison of temperature at typical locations under the two conditions

3 結(jié)束語

本文采用虛擬試驗技術(shù)，對石英燈加熱渦輪發(fā)動機葉片的輻射傳熱過程進行了瞬態(tài)時序模擬仿真。針對有內(nèi)膜氣流冷卻和無氣流冷卻2種情況，對比分析了葉片溫度場分布。結(jié)果表明，在無內(nèi)膜氣流冷卻、只有熱輻射的情況下，葉片截面溫差較小，葉盆和葉腔內(nèi)壁的溫度較高，與目標(biāo)溫度場之間有較大差別。在輻射加熱的同時引入內(nèi)膜氣流冷卻后，模擬溫度場與目標(biāo)溫度場分布更為接近，葉片截面溫度梯度增大，葉盆與內(nèi)腔壁溫度明顯降低?？梢姡捎檬糨椛浣Y(jié)合內(nèi)膜氣流冷卻的試驗方法，能夠較為準(zhǔn)確地實現(xiàn)渦輪葉片結(jié)構(gòu)上沿厚度及葉弦方向的溫度梯度的模擬，從而更有效地滿足熱沖擊疲勞試驗所需的熱應(yīng)力模擬條件。