鄧麗君, 余 毅, 張 平

(1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002;2.桂林電子科技大學 機電工程學院,廣西 桂林 541004)

冷卻效果試驗是航空發(fā)動機渦輪冷卻葉片研制過程中的一個重要環(huán)節(jié),目的是模擬發(fā)動機實際工作狀態(tài),確定渦輪冷卻葉片的冷卻效果和冷卻特性,驗證該葉片冷卻設計是否滿足要求,為渦輪葉片的冷卻設計改進和故障分析提供依據(jù)。

目前,由于試驗設備受限,國內(nèi)渦輪葉片的冷卻效果試驗多為靜止狀態(tài)下的中溫中壓?；囼瀃1-2],不僅無法考慮旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下流體產(chǎn)生的離心浮升力和哥氏力等附加作用力對葉片換熱的影響[3-8],而且利用相似準則換算時存在一些假設條件,無法同時滿足部分相似準則數(shù)[9],導致實驗室測試得到的冷卻效果與真實發(fā)動機設計狀態(tài)存在一定差異。

為分析發(fā)動機實際運行與實驗室工況下葉片冷卻效果的具體差異,通過數(shù)值模擬方法,以某型發(fā)動機渦輪冷卻葉片為研究對象,開展了燃氣進口溫度和轉(zhuǎn)速因素對渦輪葉片冷卻效果影響的數(shù)值模擬研究,為后續(xù)基于實驗室測試數(shù)據(jù),分析發(fā)動機實際運行工況下渦輪葉片冷卻效果提供了依據(jù)。

1 研究模型及研究方法

1.1 計算模型與網(wǎng)格

數(shù)值計算采用某航空發(fā)動機渦輪冷卻葉片的幾何模型和工況參數(shù),以保證計算結(jié)果的實用性和參考價值。渦輪冷卻葉片結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 渦輪冷卻葉片結(jié)構(gòu)示意圖

由于葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復雜,為了減少計算量與節(jié)省計算資源,建立單個通道的周期計算模型。利用ICEM 軟件,通過非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[10]對計算模型進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分,如圖2所示,重點對葉尖間隙及流固交界面流體側(cè)近壁區(qū)域進行邊界層網(wǎng)格加密,從而更準確地模擬邊界層內(nèi)的流體流動及換熱。

圖2 計算網(wǎng)格模型

在細化主流網(wǎng)格尺度的基礎上,通過改變流體側(cè)近壁處第一層網(wǎng)格的高度以及邊界層內(nèi)網(wǎng)格層數(shù),調(diào)節(jié)Y+值[11],分析網(wǎng)格尺度對葉片壁面溫度的影響。圖3為發(fā)動機實際工作狀態(tài)下,葉身表面Y+值改變時,葉片中截面平均溫度的變化。結(jié)果表明,當Y+≤1時,截面平均溫度變化只有0.5 K,已經(jīng)滿足網(wǎng)格無關性要求。最終計算模型Y+值為1,網(wǎng)格單元865萬,網(wǎng)格節(jié)點535萬。

圖3 網(wǎng)格密度對葉片中截面平均溫度的影響

1.2 計算方法與邊界條件

采用流體力學軟件CFX,N-S方程使用控制容積法離散,計算精度為高階。湍流模型選擇冷卻葉片數(shù)值仿真文獻中較為廣泛的應用和認可的SST模型[12-15]。

葉柵通道周向為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件,主流燃氣給定流量和溫度,出口給定平均靜壓,冷氣進口給定流量和溫度,冷氣進口方向垂直于邊界,燃氣進口方向根據(jù)實際氣流方向設定。另外,對于轉(zhuǎn)速影響的研究,旋轉(zhuǎn)方向為葉盆轉(zhuǎn)向葉背,上流道通過設置反向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)絕對靜止。由于渦輪葉片通道中為高溫氣流,考慮小通道的壓縮性較強,工質(zhì)采用理想氣體,物性參數(shù)隨溫度變化[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理時,在葉片截面選取與實驗室冷卻效果試驗測試相同的測點分布,具體測點位置如圖4所示。

圖4 實驗室葉片中截面測點分布

葉片i點冷卻效果ηi和葉片平均冷卻效果η的計算公式為:

其中:Tg為燃氣進口平均溫度;Tw,i為葉片i點處壁溫;Tw為葉片平均壁溫;Tc為冷氣進口平均溫度。

根據(jù)相似原理[9],在實驗室條件下模擬發(fā)動機實際運行狀態(tài),必須保證馬赫數(shù)、雷諾數(shù)相等,試驗模型與發(fā)動機通道幾何相似[17],即氣動、幾何均相似((t)

-?；?(e)-發(fā)動機)。?；椒ㄈ缦?

模化點燃氣總壓用馬赫數(shù)不變確定:

其中:Pg、Mg、μg分別為燃氣進口總壓、流量和粘性系數(shù);Mc為冷氣進口流量。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 燃氣溫度影響

表1給出了不同燃氣進口溫度條件下各狀態(tài)對應的邊界參數(shù),其中狀態(tài)1的燃氣進口沿徑向不均勻分布(發(fā)動機運行工況),具體分布規(guī)律見表2(R為半徑),其它狀態(tài)燃氣進口為徑向均勻分布,狀態(tài)1和狀態(tài)2的燃氣進口平均總溫相同。其中,Po表示主流道出口靜壓。

表1 不同溫度狀態(tài)邊界參數(shù)

表2 燃氣進口溫度沿徑向分布表(狀態(tài)1)

由于實驗室中主流氣體多采用電加熱升溫的方式,使得整個流道氣體進口溫度徑向為均勻分布,而發(fā)動機實際進口燃氣溫度分布存在徑向不均勻度(RTDF)[18]。圖5給出了在燃氣進口平均溫度一致的條件下,2種狀態(tài)下各點冷卻效果的差異,即狀態(tài)1與狀態(tài)2各點的冷卻效果對比,其中橫坐標對應各測點位置編號。

圖5 燃氣進口徑向溫度分布對冷效的影響

結(jié)果發(fā)現(xiàn)2個狀態(tài)的分布趨勢基本一致,但徑向均溫狀態(tài)下各測點的冷效值均高于徑向不均勻溫度分布狀態(tài),2種狀態(tài)的中截面平均冷卻效果差異為8%,局部測點冷卻效果最大的偏差達到16%(測點3)。通過回歸分析,可得到2種狀態(tài)的修正關系式,各測點修正前后結(jié)果對比偏差在5%以內(nèi)。

燃氣進口溫度分布均勻時,不同?；癄顟B(tài)(狀態(tài)2～狀態(tài)7)下各測點的冷效分布規(guī)律如圖6所示。各狀態(tài)沿程測點的冷效變化規(guī)律相同,同一測點處,隨著燃氣進口模化溫度的降低,冷效呈現(xiàn)出先略微下降后升高的趨勢。

圖6 不同?；癄顟B(tài)下各測點冷效分布

圖7為燃氣進口徑向均溫分布時,葉片中截面的平均冷效隨燃氣進口溫度的變化規(guī)律。由圖7可知,隨著?；瘻囟鹊慕档?狀態(tài)2～狀態(tài)7),中截面平均冷卻效果會逐漸升高,但升高的幅度較小,實驗室常用?；癄顟B(tài)5相比高溫狀態(tài)2冷卻效果僅增加了1.2%。因此,在實驗室葉片冷卻效果試驗過程中,可以考慮用低溫狀態(tài)替代高溫狀態(tài)進行?；囼灐Ｍ瑫r通過數(shù)據(jù)擬合可得到冷卻效果隨?；瘻囟茸兓年P系式,見式(8),最大修正偏差在0.1%以內(nèi)。

圖7 不同?；瘻囟葼顟B(tài)下葉片平均冷效

2.2 轉(zhuǎn)速影響

表3給出了各計算狀態(tài)下燃氣和冷氣的進、出口邊界及對應的葉片轉(zhuǎn)速(n)。其中,各狀態(tài)的燃氣和冷氣的流量和溫度邊界保持不變。

表3 不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)邊界參數(shù)

一般情況下,除了葉尖附近區(qū)域,旋轉(zhuǎn)對徑向流動的影響遠大于橫向流動。因此,在工作葉片中截面冷卻效果試驗數(shù)值計算中,主要考慮轉(zhuǎn)速變化對內(nèi)腔冷氣流動的影響。圖8給出了不同轉(zhuǎn)速下,葉片中截面各測點位置的冷效分布規(guī)律。由圖8可知,由于尾緣區(qū)域的4個測點(葉盆測點1、2和葉背測點15、16)剛好位于葉片尾緣孔之間的實體區(qū)域,冷氣換熱較小,冷卻效果隨轉(zhuǎn)速基本不發(fā)生變化。其它多數(shù)測點的冷卻效果均隨著轉(zhuǎn)速增加而呈現(xiàn)出不同程度的降低趨勢,其主要是由旋轉(zhuǎn)引起冷氣流場的變化導致。

圖9為實驗室條件即靜止狀態(tài)(狀態(tài)1)和發(fā)動機運行狀態(tài)(狀態(tài)6)各測點的分布。從圖9可看出,2種狀態(tài)局部冷效最大偏差達11%(測點13)。通過回歸分析可得到2種狀態(tài)的修正關系,見式(9),各測點修正前后偏差在6%以內(nèi)。

圖9 靜止與運行狀態(tài)下葉片測點冷效對比

圖10為葉片中截面平均冷效隨轉(zhuǎn)速變化分布規(guī)律。分析可知,靜止狀態(tài)(狀態(tài)1)與實際工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)(狀態(tài)6)的平均冷效偏差為3.7%,表明轉(zhuǎn)速對該葉片的?；湫г囼灲Y(jié)果有一定影響,可以通過靜止狀態(tài)的模化試驗得到實際轉(zhuǎn)速下的葉片冷卻效果。通過數(shù)據(jù)擬合可得到葉片平均冷卻效果隨?；D(zhuǎn)速變化的關系,見式(10),最大修正偏差在0.3%以內(nèi)。

圖10 轉(zhuǎn)速對葉片平均冷效的影響

3 結(jié)束語

采用數(shù)值模擬方法,研究了燃氣溫度和轉(zhuǎn)速對發(fā)動機葉片冷卻效果的影響。基于研究模型和參數(shù),可得到以下結(jié)論:

1)燃氣進口平均溫度相同時,溫度進口按給定徑向分布規(guī)律比徑向均勻分布葉片平均冷卻效果低8%,中截面局部測點最大低16%;

2)燃氣進口溫度徑向均布時,不同?；癄顟B(tài)隨著進口溫度的升高逐漸降低,但實驗室常用模化狀態(tài)5與發(fā)動機工作狀態(tài)2相比,差異僅1.2%。因此,在燃氣進口徑向均溫條件下,可用低溫狀態(tài)替代高溫狀態(tài)進行?；囼?

3)在相同燃氣與冷氣進口條件下,葉片中截面平均冷卻效果隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低,在設計轉(zhuǎn)速時平均冷卻效果降低3.7%,由于轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的哥氏力以及二次流等的影響,使得葉片中截面局部測點在實際工作轉(zhuǎn)速下的冷卻效果降低11%。