■ 李亞忠 魏寬 苗輝 / 中國航發(fā)研究院

對于推重比高達(dá)20:1的航空發(fā)動機，提升以渦輪葉片為主的熱端部件的耐高溫性能的需求十分迫切，先進(jìn)的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗方法則是提高渦輪前溫度的重要保障。

傳統(tǒng)的典型渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)主要包含前緣的沖擊和氣膜冷卻結(jié)構(gòu)、尾緣的擾流柱和劈縫冷卻結(jié)構(gòu)，以及中弦區(qū)域氣膜冷卻和帶擾流肋的通道冷卻結(jié)構(gòu)等（如圖1所示）。然而，隨著渦輪前溫度的不斷提升，通過典型冷卻結(jié)構(gòu)的簡單組合的設(shè)計已經(jīng)不能滿足冷卻的需求，優(yōu)化設(shè)計已勢在必行。由于渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個綜合了氣動、傳熱、結(jié)構(gòu)、強度、可靠性等多學(xué)科的復(fù)雜問題，所以設(shè)計過程中不僅需要先進(jìn)的方法和流程，相關(guān)的配套試驗也同樣不可或缺。

圖1 現(xiàn)代渦輪葉片典型冷卻結(jié)構(gòu)

圖2 渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計流程

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計是依據(jù)渦輪葉片的工作環(huán)境、設(shè)計壽命以及降溫需求等為基礎(chǔ)，在渦輪葉片各位置采用合理的冷卻方式來實現(xiàn)最佳冷卻效果，同時滿足壽命、強度以及耐高溫的要求。

傳統(tǒng)設(shè)計方法和流程

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計主要分為方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計兩個階段。在方案設(shè)計階段是初步確定渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)并進(jìn)行初步熱分析，初步熱分析通常采用S1流面流動以及換熱計算，基于經(jīng)驗公式的管網(wǎng)計算以及二維導(dǎo)熱計算相結(jié)合，實現(xiàn)對葉片二維溫度場的預(yù)測。在詳細(xì)設(shè)計階段則是根據(jù)渦輪葉片冷效試驗結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計（設(shè)計流程如圖2所示）。目前，渦輪葉片冷卻設(shè)計都是結(jié)合實際情況對上述渦輪葉片設(shè)計步驟進(jìn)行改良的過程。

新型設(shè)計方法和流程

隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展和計算能力的提升，設(shè)計人員更多地借助數(shù)值方法提高渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性并縮短設(shè)計周期。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的渦輪葉片設(shè)計團(tuán)隊結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模技術(shù)、傳統(tǒng)的管網(wǎng)計算方法與新興的全三維氣熱耦合數(shù)值模擬技術(shù)，提出了一套新的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和流程，并編寫了相關(guān)的設(shè)計程序與計算程序（如圖3所示）。在初步設(shè)計階段，設(shè)計人員根據(jù)氣冷葉片的氣動參數(shù)和葉型特征，參考以往的氣冷葉片設(shè)計結(jié)果，選擇多種形式的初步冷卻結(jié)構(gòu)。在方案設(shè)計與詳細(xì)設(shè)計環(huán)節(jié)，冷卻結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計采用參數(shù)化設(shè)計方法，即冷卻結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整若干控制參數(shù)快速生成，從而實現(xiàn)高效率的葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于熱分析采用了管網(wǎng)計算方法和三維計算方法，因此參數(shù)化設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)向管網(wǎng)計算程序與三維建模程序快速而準(zhǔn)確地傳遞計算模型數(shù)據(jù)。通過多次迭代，形成最終的滿足條件的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖3 渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展

從渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展趨勢來看，傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計在初步設(shè)計階段為了節(jié)省計算資源，并快速篩選出較好的冷卻結(jié)構(gòu)，通常采用S1流面流動與換熱計算、管網(wǎng)計算、二維導(dǎo)熱計算等計算量較小的方法進(jìn)行葉片的初步熱分析。在篩選的基礎(chǔ)上進(jìn)行冷效試驗，根據(jù)試驗結(jié)果改進(jìn)設(shè)計方案，獲得最終的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計。

由于渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計涉及到氣動、傳熱、結(jié)構(gòu)、強度、可靠性等多學(xué)科，為了更加準(zhǔn)確地了解冷卻結(jié)構(gòu)的可靠性，需要綜合多學(xué)科進(jìn)行分析，所以隨著三維數(shù)值模擬方法和計算資源的發(fā)展，在渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)詳細(xì)熱分析階段引入三維多學(xué)科耦合仿真技術(shù)以及部件一體化耦合仿真計算，對渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的熱分析，獲取更多信息，使得渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加可靠，同時能極大地縮短設(shè)計周期。

渦輪葉片冷卻試驗

渦輪葉片冷卻試驗貫穿整個渦輪葉片設(shè)計周期，不同冷卻試驗可以對不同設(shè)計階段的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證和修正，同時可以指導(dǎo)葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，主要包括研究性試驗、綜合冷效試驗以及整機試驗。

研究性試驗

研究性試驗是渦輪葉片初步設(shè)計時的主要試驗，用于驗證和改進(jìn)冷卻設(shè)計過程中試驗的計算程序和設(shè)計方法，如外部換熱計算程序、管網(wǎng)計算方法，也可以驗證不同冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效率，發(fā)展新型高效的冷卻結(jié)構(gòu)以及挖掘相關(guān)冷卻機理。渦輪葉片冷卻研究性試驗主要包括：內(nèi)帶肋通道流動換熱特性試驗、葉片氣膜冷卻試驗、沖擊冷卻試驗和一些部件級試驗。

內(nèi)部帶肋通道流動換熱特性試驗可以用來驗證帶肋通道冷卻結(jié)構(gòu)的綜合換熱效率。內(nèi)部帶肋通道的對流強化換熱主要用于葉片的中弦區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)部通道壁面的吸力側(cè)和壓力側(cè)布置擾流肋，起到強化換熱的目的。研究表明，帶肋通道冷卻效果的影響因素包括肋的形狀和角度、通道形狀、肋間距與肋高比、通道堵塞比和雷諾數(shù)等。在研究內(nèi)部帶肋通道冷卻過程中通常需要結(jié)合換熱特性和流動特性來進(jìn)行綜合評估冷卻效果。因此在試驗過程中需要采集相關(guān)流動參數(shù)以及換熱參數(shù)，目前的溫度數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括溫度采集的熱電偶、示溫漆、紅外熱像儀和熱敏液晶等方式，而流動參數(shù)的測量技術(shù)則包括熱線測速、激光多普勒測速技術(shù)（LDV）和粒子圖像測速技術(shù)(PIV)等。帶肋通道的試驗臺則可以根據(jù)葉片狀態(tài)分為靜止臺和旋轉(zhuǎn)臺，分別模擬渦輪葉片靜子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。

渦輪葉片的沖擊冷卻主要用于熱負(fù)荷比較大的區(qū)域，比如渦輪葉片的前緣區(qū)域、冷卻氣流通過葉片內(nèi)部隔板上的小孔沖擊葉片的內(nèi)表面，以達(dá)到強化換熱的目的。最初的沖擊冷卻試驗是針對光滑的沖擊靶板，但隨著冷卻能力要求的逐年提高，近年來球窩/球凸、柱肋等擾流結(jié)構(gòu)也逐漸用于沖擊靶板的強化換熱。例如斯圖加特大學(xué)的沖擊冷卻試驗臺（如圖5所示），其的射流空氣溫度由熱電偶測量得到，而目標(biāo)板表面的溫度測量則采用瞬態(tài)液晶技術(shù)。

氣膜冷卻是溫度較低的冷卻氣體從渦輪葉片內(nèi)部通過氣膜孔流出之后，再在渦輪葉片和高溫燃?xì)庵g形成一層冷卻氣膜，避免了燃燒室出來的高溫燃?xì)庵苯咏佑|渦輪葉片表面。氣膜冷卻的主要影響因素有氣膜孔形狀、氣膜孔射流角度、氣膜吹風(fēng)比和密度比等。氣膜冷卻試驗臺主要包含試驗件、供氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，其中供氣系統(tǒng)包含主流氣路（高溫氣體）和氣膜氣路（氮氣或二氧化碳），試驗過程中通常采用熱電偶、瞬態(tài)液晶測溫技術(shù)、壓力敏感漆技術(shù)、紅外熱像測量技術(shù)等。

圖4 靜止帶肋直通道換熱試驗臺示意

圖5 斯圖加特大學(xué)沖擊冷卻試驗臺示意

綜合冷效試驗

研究性試驗往往通過簡化的冷卻結(jié)構(gòu)和邊界條件，快速地獲得主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和流動參數(shù)對于換熱效率的影響，而綜合冷效試驗往往將真實渦輪葉片置于高溫高壓工況下，通過長時間運行來檢驗渦輪葉片的冷卻設(shè)計的可靠性，是渦輪葉片冷卻設(shè)計過程中最重要的一環(huán)。綜合冷效試驗過程的主要測量參數(shù)有燃?xì)夂屠錃饬髁?、溫度、壓力和葉片表面溫度，其中葉片表面溫度用金屬套管熱電偶或示溫漆測量。目前，中國航發(fā)動力所和渦輪院都建有綜合冷效試驗臺，其試驗主流氣體通過兩級電加熱和兩級燃燒室加溫，最終可達(dá)1300K，葉片表面溫度主要通過埋入葉片表面的微型熱電偶測得。

整機試驗

航空發(fā)動機整機試驗是試驗驗證發(fā)動機性能和可靠性的主要試驗。對于渦輪葉片來說、整機試驗不僅考核渦輪葉片冷卻性能，同時也需要考核其供氣系統(tǒng)的可靠性以及發(fā)動機其他各部件的匹配性能。相比研究性試驗和綜合冷卻試驗，整機試驗下的渦輪葉片的工作環(huán)境以及冷卻氣路系統(tǒng)都更加接近真實環(huán)境。

渦輪葉片冷卻試驗的發(fā)展

對于渦輪葉片冷卻試驗的發(fā)展，一方面是需要更先進(jìn)的測量技術(shù)，目前溫度測量已經(jīng)從點測量發(fā)展到非接觸式表面溫度場的測量，如壓力敏感漆技術(shù)、瞬態(tài)熱敏液晶技術(shù)和穩(wěn)態(tài)熱敏液晶技術(shù)等，但是其測量精度仍有待提高；另一方面則需要繼續(xù)提高冷卻結(jié)構(gòu)的試驗條件，高溫高壓高流量的試驗條件仍是迫切需求。

結(jié)束語

相比傳統(tǒng)的設(shè)計方法和流程，渦輪葉片設(shè)計中參數(shù)化建模技術(shù)和全三維氣熱耦合數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，將有效地提升設(shè)計可靠性并縮短設(shè)計周期。渦輪葉片冷卻試驗對冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效率和冷卻機理的探索，以及設(shè)計方法的檢驗和評估都有著至關(guān)重要的作用。隨著渦輪前溫度的進(jìn)一步提升，高工況的試驗條件的模擬以及參數(shù)測量技術(shù)將是未來試驗發(fā)展的重要方向。