渦輪葉片壓力面縫型氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究

周 峰

（中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的高溫部件之一。為了獲得更大的推力，發(fā)動(dòng)機(jī)的來(lái)流燃?xì)鉁囟刃枰粩嗌?，?duì)葉片熱防護(hù)工作提出了更高要求。僅依靠材料本身的耐高溫性遠(yuǎn)不能達(dá)到熱防護(hù)的理想效果，更大程度上需通過(guò)主動(dòng)冷卻的方式進(jìn)行熱防護(hù)。目前，常見(jiàn)的主動(dòng)冷卻方式有氣膜冷卻、對(duì)流冷卻、發(fā)散冷卻和復(fù)合冷卻等，其中，氣膜冷卻是渦輪葉片最常用的冷卻方式之一[1]。葉片氣膜冷卻應(yīng)用最多的是孔型結(jié)構(gòu)，通過(guò)在葉片表面加工出具有特定角度和大小的不連續(xù)小孔，可使低溫氣體通過(guò)小孔噴射出來(lái)保護(hù)葉片。但冷氣與來(lái)流燃?xì)鈸交爝^(guò)程比較劇烈，易造成整體壓力損失，降低冷卻效果[2]。此外，該結(jié)構(gòu)具有不連續(xù)性，通過(guò)小孔噴射出的冷氣會(huì)在其下游形成“低溫帶”，相鄰“低溫帶”之間存在相對(duì)高溫區(qū)域，導(dǎo)致葉片內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而對(duì)葉片造成深度損傷，降低葉片使用壽命。

孔型結(jié)構(gòu)在加工方面也有明顯不足，渦輪葉片本身尺寸較小[3]，在其表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)加工難度較大，對(duì)孔徑、角度、方向等要求嚴(yán)格。此外，由于孔徑細(xì)小，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中易被雜物堵塞，不能保證達(dá)到設(shè)計(jì)的冷卻效果，甚至可能帶來(lái)安全隱患。針對(duì)孔型結(jié)構(gòu)存在的上述弊端，提出一種新型冷卻結(jié)構(gòu)——縫型冷卻結(jié)構(gòu)。該種縫型冷卻結(jié)構(gòu)是在渦輪葉片表面開(kāi)出一條細(xì)小的縫，出口指向葉片表面的切線方向，冷氣進(jìn)入冷氣腔再通過(guò)細(xì)縫吹出，冷氣在來(lái)流燃?xì)庾饔孟戮鶆蚋街陂_(kāi)縫下游的葉片表面，從而起到冷卻作用。該結(jié)構(gòu)在冷卻均勻性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也降低了葉片熱應(yīng)力和加工難度。本研究通過(guò)采用數(shù)值計(jì)算方法模擬渦輪葉片工作過(guò)程，從而獲得溫度和壓力參數(shù)，在葉片壓力面研究縫型結(jié)構(gòu)的不同縫寬、唇口厚度及加工位置對(duì)渦輪葉片冷卻效率和氣動(dòng)損失的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型

采用E3 導(dǎo)葉作為計(jì)算分析模型，縫結(jié)構(gòu)設(shè)置在葉盆，葉片中部為冷氣腔，冷氣由葉根進(jìn)入腔內(nèi)，再通過(guò)開(kāi)縫沿切線方向噴射出，冷氣出口上表面與上游葉片表面連接部位為唇口。為保證葉片整體強(qiáng)度，在相鄰縫間設(shè)加強(qiáng)肋，共6 個(gè)肋片，寬度均為0.5 mm，葉片模型如圖1 所示。

圖1 葉片模型Fig.1 Blade model

針對(duì)流固耦合和氣動(dòng)效率分析計(jì)算，采用Adapco軟件的Star 模塊，相對(duì)于傳統(tǒng)軟件的四面體網(wǎng)格劃分方法，其采取多面體網(wǎng)格劃分，保證模型在細(xì)微處的良好貼附性包裹，提高了計(jì)算精度。圖2（a）為開(kāi)縫出口位置網(wǎng)格劃分放大圖，開(kāi)縫處及尾緣等重點(diǎn)部分進(jìn)行局部加密，在流體接觸葉片表面建立邊界層，共8層，且層間變化系數(shù)為1.1，使得控制近壁面參數(shù)y+＜1[2]，同時(shí)也使得網(wǎng)格可以平滑過(guò)渡，有助于獲得更好的流動(dòng)換熱結(jié)果。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)解驗(yàn)證，最終得到用于計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)為270 萬(wàn)，如圖2（b）所示。

圖2 模型網(wǎng)格Fig.2 Model grid

參考國(guó)內(nèi)孔型氣膜冷卻研究進(jìn)展[4-6]，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式，湍流模型選用k-ε 模型，選擇能量方程及湍流耦合方程，利用增強(qiáng)壁面函數(shù)對(duì)壁面進(jìn)行處理，采取二級(jí)迎風(fēng)差分格式進(jìn)行計(jì)算，邊界條件設(shè)定包括：燃?xì)馊肟跒槿肟谫|(zhì)量流量、總溫為796 K、給定冷氣質(zhì)量流量、總溫為500 K、吹風(fēng)比為2.3、出口設(shè)為壓力出口邊界條件。考慮實(shí)際葉片工作狀態(tài)，將葉片左右壁面邊界條件設(shè)為周期性邊界條件。

2 參數(shù)定義

冷卻效率η 定義為

式中：Thot為入口處燃?xì)鉁囟?；Tblade為葉片表面溫度；Tcold為冷氣溫度。

壓力損失系數(shù)ε 為

式中：Pin，總為燃?xì)馊肟诳倝?；Pout，總為燃?xì)獬隹诳倝?；uin為入口燃?xì)馑俣龋沪?為入口燃?xì)饷芏取?/p>

吹風(fēng)比M 定義為

式中：ρc為冷氣密度；Uc為冷氣速度；ρ0為來(lái)流燃?xì)饷芏龋籙0為來(lái)流燃?xì)馑俣取?/p>

3 計(jì)算分析

3．1 不同縫寬

縫型結(jié)構(gòu)唇口厚度及其他參數(shù)不變，在同一位置建立4 個(gè)不同縫寬的模型。唇口厚度為1.0 mm，縫寬L分別為0.4、0.6、0.8、1.0 mm。在相同吹風(fēng)比下計(jì)算得到葉片壓力面在4 種工作條件下的溫度云圖，如圖3所示。

圖3 不同縫寬模型溫度分布云圖Fig.3 Temperature distribution nephogram of different slit width models

4 個(gè)溫度分布圖均采用同一溫度標(biāo)，為便于比較分析，分別在4 個(gè)模型葉片底部、中部與頂部取表面溫度分布值，通過(guò)式（1）計(jì)算得到不同縫寬模型冷卻效率曲線圖，如圖4 所示。其中，X 為開(kāi)縫位置下游葉片表面距離開(kāi)縫位置的長(zhǎng)度，D 為尾緣距開(kāi)縫位置長(zhǎng)度；冷卻效率曲線斜率越大，均勻冷卻效果越差，反之則越好。

從圖4 可看出，4 種縫寬工況下，葉片底部、中部與頂部的冷卻效率曲線斜率相差很小。這表明在葉片表面展向具有很好的均勻冷卻性。

圖4 不同縫寬模型冷卻效率曲線圖Fig.4 Cooling efficiency curves of different slit width models

在4 組數(shù)據(jù)中，分別取葉片中部溫度值做出卻效率曲線，如圖5 所示。

圖5 不同縫寬模型冷卻效率曲線圖（葉片中部）Fig.5 Cooling efficiency curves of different slit width models（the middle of blade）

從圖5 可看出，在唇口厚度和其余參數(shù)保持不變的前提下，開(kāi)縫寬度越大，均勻冷卻效率曲線斜率越小，均勻冷卻效果越好。

由式（2）計(jì)算得到不同縫寬模型的壓力損失系數(shù)如表1 所示。由表1 可知，隨著開(kāi)縫寬度的增加，系統(tǒng)壓力損失系數(shù)逐漸降低。這是因?yàn)樵诖碉L(fēng)比不變的前提下，隨著開(kāi)縫寬度增加，則單位時(shí)間進(jìn)入系統(tǒng)的冷氣質(zhì)量也會(huì)增加，出口總壓增加，使得整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失比例降低。

表1 不同縫寬模型壓力損失系數(shù)Tab.1 Pressure loss coefficients of different slit width models

3．2 不同唇口厚度

保持開(kāi)縫寬度及其余參數(shù)不變，建立4 個(gè)不同唇口厚度的葉片模型。縫寬為1.0 mm，唇口厚度L′分別為0.8、1.2、1.4、1.6 mm。吹風(fēng)比和其余參數(shù)保持一致，計(jì)算得到不同唇口厚度模型溫度分布云圖，如圖6 所示。

圖6 不同唇口厚度模型溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution nephogram of different lip thickness models

不同唇口厚度模型冷卻效率如圖7 所示。

從圖7 可以看出，4 種唇口厚度工況下，葉片底部、中部與頂部的冷卻效率曲線斜率相差較小，在葉片展向具有較好的均勻冷卻性。

圖7 不同唇口厚度模型冷卻效率曲線圖Fig.7 Cooling efficiency curves of different lip thickness models

為比較冷卻效率，在4 種唇口厚度工況下分別在葉片中部取葉片表面溫度分布，如圖8 所示。

由圖8 可知，4 種唇口厚度工況下的冷卻效率曲線斜率相差較小，改變唇口厚度并未對(duì)開(kāi)縫位置下游處的表面冷卻效率產(chǎn)生明顯影響，4 種唇口厚度工況下的均勻冷卻效果相差很小。壓力損失系數(shù)如表2 所示。

圖8 不同唇口厚度模型冷卻效率曲線圖（葉片中部）Fig.8 Cooling efficiency curves of different lip thickness models（the middle of blade）

由表2 可知，唇口厚度對(duì)系統(tǒng)整體能量損失影響顯著。隨唇口厚度增加，系統(tǒng)壓力損失系數(shù)先減小后增大。這是因?yàn)楫?dāng)唇口厚度較小時(shí)，來(lái)流燃?xì)馀c冷氣摻混程度低，湍流度增加小，壓力損失較?。欢?dāng)唇口厚度較大時(shí)，增加了來(lái)流燃?xì)馀c冷氣之間的高度差，在冷氣出口摻混形成強(qiáng)烈渦流，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力損失增大。

表2 不同唇口厚度模型壓力損失系數(shù)Tab.2 Pressure loss coefficients of different lip thickness models

3．3 不同開(kāi)縫位置

葉片壓力面不同位置處的燃?xì)饬鲃?dòng)速度不同，溫度、壓力等參數(shù)也不同，有必要研究不同開(kāi)縫位置對(duì)整體效果的影響。模型的縫型尺寸為唇口厚度0.8 mm，縫寬1.0 mm。開(kāi)縫位置距前緣位置長(zhǎng)度X′分別為葉片前緣到后緣長(zhǎng)度D′的20%、40%、60%和90%。為便于分析，4 組模型在相同吹風(fēng)比下進(jìn)行計(jì)算，其余有關(guān)參數(shù)也都保持一致。不同開(kāi)縫位置模型溫度分布云圖如圖9 所示，不同開(kāi)縫位置冷卻效率曲線圖如圖10 所示。

圖9 不同開(kāi)縫位置模型溫度分布云圖Fig.9 Temperature distribution nephogram of different slot location models

從圖10 可看出，4 種開(kāi)縫位置工況下，隨著開(kāi)縫位置距葉片前緣距離越遠(yuǎn)，葉片底部、中部與頂部冷卻效率曲線斜率越接近，均勻冷卻效果越好；當(dāng)開(kāi)縫位置距離葉片后緣過(guò)近時(shí)，均勻冷卻效果反而變差。

圖10 不同開(kāi)縫位置模型冷卻效率曲線圖Fig.10 Cooling efficiency curves of different slot location models

在4 組模型中分別提取葉片中部的溫度參數(shù)，導(dǎo)入式（1）計(jì)算得到冷卻效率，如圖11 所示。

圖11 不同開(kāi)縫位置模型冷卻效率曲線圖（葉片中部）Fig.11 Cooling efficiency curves of different slot location models（the middle of blade）

從圖11 可看出，開(kāi)縫位置的選擇對(duì)葉片冷卻效率有很大影響。開(kāi)縫位置距離葉片前緣位置越近，葉片均勻冷卻效果越差；隨著開(kāi)縫位置后移，葉片均勻冷卻效果趨勢(shì)變好，但當(dāng)開(kāi)縫位置距離尾緣過(guò)近時(shí)，葉片均勻冷卻效果開(kāi)始變差，均勻冷卻效果最佳開(kāi)縫位置為X′/D′=60%位置處。

將相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入式（2），得到壓力損失系數(shù)，整理數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 不同開(kāi)縫位置模型壓力損失系數(shù)Tab.3 Pressure loss coefficients of different slot location models%

由表3 數(shù)據(jù)可知，隨開(kāi)縫位置從葉片前緣向尾緣移動(dòng)，系統(tǒng)壓力損失系數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。最大值出現(xiàn)在距離前緣60%處。這是因?yàn)楫?dāng)開(kāi)縫位置距離前緣較近時(shí)，進(jìn)口燃?xì)夂屠錃獍l(fā)生摻混時(shí)的劇烈程度低，因此壓力損失不大。隨著開(kāi)縫位置后移，與來(lái)流燃?xì)鈸交旒觿?dǎo)致壓力損失加重。在靠近葉片尾緣時(shí)，冷氣與燃?xì)鈸交爝^(guò)程時(shí)間明顯縮短，因此系統(tǒng)能量損失降低。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）不同縫寬的模型在葉片展向上均具有很好的均勻冷卻效果，隨著縫寬增加，模型的均勻冷卻效果變得更好；隨著縫寬的增加，壓力損失系數(shù)顯著下降，且在L/L′為1.0 左右時(shí)效果最佳。

（2）唇口厚度變化對(duì)葉片冷卻效率影響不大，不同唇口厚度的模型均勻冷卻效果相差不大；隨著唇口厚度增加，壓力損失系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，且在L/L′為1.0 左右時(shí)效果最佳。

（3）不同開(kāi)縫位置對(duì)葉片冷卻效率影響明顯。開(kāi)縫位置越靠前，均勻冷卻性效果越差；開(kāi)縫位置靠后，均勻冷卻效果明顯提高，但當(dāng)開(kāi)縫位置靠尾緣過(guò)近時(shí)，均勻冷卻效果又變差，當(dāng)X′/D′=60%時(shí)均勻冷卻效果最好；隨著開(kāi)縫位置自前緣向尾緣移動(dòng)，壓力損失系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。