華國忠

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1 數值模擬法

為研究和分析葉片安裝角偏差對渦輪通道內熱斑遷移所產生的影響，文章選用了數值模擬法來進行該項作業(yè)。在數值計算中，所用軟件為Numeca，并借助于三維非定常方程組來進行求解。其中在空間離散上采用了中心差分格式，在時間離散上采用的是四階Runge-Kutta法來進行迭代求解。此外，在非定常計算過程中，采用的方式為雙重時間步法。

在本次研究中,所研究的對象其葉片數目分別為10、20以及40，在計算過程中，通道的數目比例為1：2：4。因渦輪葉片一般成組安裝與加工，對此，在這種形勢下，就會成組地出現安裝角偏差。鑒于此，在研究和分析過程中,把四個動葉中間兩個葉片所產生的安裝角降低了2°，以此來進行安裝角偏差的模擬，在此將原型定義為算例1,而動葉安裝角所存偏差情況定義為算例2。在計算過程中，靜葉與動葉為H-O型網格，而支板則呈H型網格，且第一層網格y+低于10。

除了滿足上述需求以外，在研究和分析過程中，還需明確邊界條件。在本次研究中，總壓呈均勻分布，而總溫為非均勻分布，其熱斑呈圓型，其圓心處于展向50%的葉高位置，且正對著靜葉的前緣，同時熱斑的直徑是靜葉進口展高的二分之一，熱斑中心的總溫和周圍總溫之間的比例是1.5：1，且其總壓比是1:1。在固定位置給定了相應的無滑移邊界與絕熱條件；在轉子/靜子的交界面上也給定了相應的邊界條件，即“Domain Scaling”；除此之外，在葉片通道兩側邊界位置也給定了相應的周期性邊界條件。

2 葉片安裝角偏差對渦輪通道內熱斑遷移作用的分析

從研究的情況來看，盡管靜葉壓力面中熱流體逐漸向葉尖端區(qū)域與葉根擴散，但其吸力面中熱流體沿著徑向基本上未擴散。因靜葉中二次流相對較弱，因此在葉高的方向，熱斑所產生的擴散并不是特別明顯。從計算與研究的結果來看，相對于算例1而言，在算例2中，動葉安裝角偏差對于靜葉通道內流動所產生的影響并不是很明顯，同時在其通道內熱斑遷移基本上也未受較大影響。

從算例2的研究情況來看，動葉通道中通道渦二次流較強，在其不斷向下游發(fā)展的過程中，基于二次流的不斷作用，動葉吸力面的某一側熱氣流逐漸向大約40%葉高處聚焦，而在壓力面一側，其熱氣流則逐漸擴散至葉尖方向，并覆蓋了大部分的壓力面。就兩種算例而言，算例2中葉片吸力面的前半段，其熱負荷明顯比算例1大，特別是動葉，其后半段葉尖與葉根所處低溫區(qū)域逐步變大，且其熱負荷逐漸變小，使得葉片整個吸力面溫度呈現出一種不均勻增大狀態(tài)。在算例2中，造成動葉壓力面的熱負荷不斷減少的主要原因就在于動葉2與動葉3安裝角相對原型而言，要小很多，使得動葉進口熱流體對于動葉2與動葉3的攻角不斷減小，使更多熱流體向吸力面聚焦，最終造成吸力面的熱負荷不斷增大，而壓力面的熱負荷卻不斷地減小。

為將二次流不斷作用下動葉通道內遷移軌跡清晰地展現出來，分別在不同軸向弦長下，對動葉總溫實施了分析和研究。從其研究的結果來看，在25%軸向弦長下，轉子通道內通道強渦強度相對較大，且在通道的上半部分中二次流不斷驅動下，動葉壓力面中一側熱流體逐步移動至葉尖位置；而在通道的下半部分二次流不斷驅動下，其熱流體逐漸聚焦至吸力面的輪轂角區(qū)。在熱斑不斷向下游進行遷移時，基于二次流的不斷作用，動葉吸力面一側熱流體就會逐漸移動至壓力面，而吸力面輪轂角區(qū)中的熱流體則會沿著吸立面移動至葉中，并和吸力面一側熱流體匯合在一起。

從研究的結果來看，動葉安裝角偏差對于靜葉通道中溫度分布并未產生較大影響，但是對于動葉通道中溫度分布卻產生了較為明顯的影響，同時動葉出口的溫度分布相對于原型而言，也發(fā)生了較為明顯的變化，而這種變化也使得高溫區(qū)周向位置與大小也發(fā)生了一定的變化，繼而造成支板通道中溫度分布也發(fā)生了相應的變化。當熱斑在通過支板通道、靜葉通道以及動葉通道中傳播以后，其截面的溫度分布也變得較為復雜，因高溫區(qū)和低溫區(qū)呈一種交替分布方式，再加上在熱斑傳播中受到相應的二次流作用，使得高溫區(qū)逐漸從葉中擴散至葉尖與葉根，盡管高溫區(qū)性狀并未發(fā)生較大的變化，但是其溫度大小以及位置卻發(fā)生了較大的差距。因在算例中，其中間兩個動葉安裝角逐漸變小，使得動葉出口的氣流角也不斷減小，在葉片安裝偏差的情況下，高溫區(qū)周向位置也會發(fā)生相應的變化，其相對于原型而言，逐漸偏移至支板的吸力面。

評判發(fā)動機運行狀態(tài)的一個重要的指標就是渦輪的排氣溫度，同時該指標也是測試發(fā)動機所需的一個重要參數。通過上述內容的分析可知，相對于原型而言，動葉安裝角偏差會造成熱斑在支板通道內出現周向偏移，在這種偏移逐漸被傳播至下游渦輪的出口截面時，必然會使出口排氣溫度出現變化。對此，在實際進行發(fā)動機的測試時，綜合考慮在同一實驗條件下，應對兩個批次相同的發(fā)動機進行測量，因兩個批次發(fā)動機動葉在安裝與制造上可能會存在著一定的偏差，而這種偏差造成排氣溫度測量所出現的偏差也相對較為可觀；或在同一工況下對同一臺發(fā)動機進行測量，在拆裝發(fā)動機以后再次實施測量，其發(fā)動機安裝角也可能會存在著一定的偏差，而這種偏差造成排氣溫度所出現的測量偏差也是非常可觀的。鑒于此，在借助于排氣溫度診斷發(fā)動機時，應注意兩個方面的內容，即氣動性能與熱斑遷移作用所產生的變化均會造成排氣溫度發(fā)生較為顯著的變化。

結束語

文章就數值模擬法的應用，對葉片安裝角偏差對渦輪通道內熱斑遷移作用的影響進行了研究和分析，得出了以下三個方面的結論：第一，熱斑遷移和渦輪通道內流動結構之間存在著較為緊密的關系，尤其是和二次流之間的關系尤為緊密；第二，葉片安裝偏差不僅會使熱斑遷移規(guī)律出現較為顯著的變化，同時在此基礎上還會使渦輪葉片的表面溫度負荷分布產生相應的變化，而這種變化對于葉片可靠性以及其使用壽命也會造成一定的影響；第三，在診斷發(fā)動機時，必須要注意熱斑遷移的規(guī)律與氣動性能，避免其測量出現較大誤差。

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