張強，吉洪湖，梁萌，朱強華

(1. 南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016；2. 南昌航空大學，江西 南昌 330063)

0 引言

航空發(fā)動機渦輪導向葉片直接受到高溫燃氣的沖擊，尤其是葉片前緣部位。渦輪葉片材料的耐高溫性能達不到現(xiàn)代高推重比發(fā)動機的需求，葉片高溫和葉片顫振[1]一樣對其壽命構(gòu)成威脅，所以必須對渦輪導向葉片采用冷卻技術。

層板冷卻集沖擊冷卻、氣膜冷卻、對流換熱冷卻等多種冷卻方式于一體，結(jié)構(gòu)復雜、冷卻效率優(yōu)秀[2]。郭瑞[3]對渦輪導向葉片前緣整體采用層板冷卻結(jié)構(gòu)，通過改變不同的流動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了對比研究。梁萌[4]提出了一種新型層板冷卻結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)值模擬方法對此結(jié)構(gòu)進行了研究。研究結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)取得了一定的冷卻效果，但其研究只考慮了氣動特性，沒有考慮傳熱。由于其結(jié)構(gòu)特點，所需冷氣量較小，局部冷卻效果好，但對于大面積的燃燒室壁面其冷卻效果不如薛雙松[5]的多孔壁層板結(jié)構(gòu)。本文對該層板結(jié)構(gòu)進行改進，在擾流柱通道前方區(qū)域增設10個氣膜斜孔，使冷氣進口延伸至燃氣出口位置并且在其上方增加沖擊板與沖擊腔，旨在應用流固耦合傳熱特性于渦輪導向葉片前緣局部區(qū)域。其優(yōu)點在于使得葉片內(nèi)部冷氣腔小部分面積引出冷氣，可以冷卻葉片前緣外部較大部分區(qū)域。由于渦輪導向葉片前緣是弧形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的層板結(jié)構(gòu)也呈彎曲型結(jié)構(gòu)。本文為了研究層板的基本特性，將彎曲層板結(jié)構(gòu)拉成平板形狀進行研究。對9種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的層板結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算，得到了一種冷卻效果最優(yōu)的層板結(jié)構(gòu)。

1 物理模型

1.1 冷卻模型結(jié)構(gòu)

層板結(jié)構(gòu)中有一定形狀的擾流柱(共3種形狀，每個層板結(jié)構(gòu)對應其中一種)，并且分為3列和4列兩種布置方法，狹縫出口有兩種角度。通過正交試驗合理分析，選出9種具有代表性的冷卻模型進行討論分析。先介紹9種模型中的一種，如圖1所示，然后給出其他8種模型的具體結(jié)構(gòu)。

圖1 層板結(jié)構(gòu)

層板前方設置10個氣膜斜孔，氣膜孔與x方向的夾角為30°且氣膜孔直徑均為0.7mm；沖擊孔A、B為層板內(nèi)擾流柱通道進氣口，擾流柱通道出口為傾斜狹縫Slot-A、Slot-B。本文有3個不同形狀的擾流柱如圖2所示。

圖2 3種擾流柱形狀

每種擾流柱有3種尺寸。菱形擾流柱以圖3中兩條黑線之間夾角β的大小來衡量。擾流柱高度均為0.8mm。3個尺寸的菱形擾流柱具有相同的當量直徑D1=1.385mm。

圖3 菱形擾流柱角β的定義

圓形擾流柱的尺寸直徑是d，分別有d1=1.4mm、d2=1.2mm、d3=1.0mm。梅花形的尺寸以圖4中兩條黑色線之間夾角α的大小來衡量。

圖4 梅花形擾流柱角的定義

3個尺寸具有相同的當量直徑D2=1.246mm。3種不同尺寸擾流柱角α的大小分別為60°、45°和30°。所有尺寸梅花形擾流柱的四瓣圓形直徑均為0.7mm。

每種擾流柱有兩種排列方式。擾流柱排列分為3列和4列兩種方法，梅花形擾流柱兩種布置方式如圖1(b)所示。

本文為9種模型進行了統(tǒng)一編號。編號采取5位形式，每一位對應著一種因素及其水平數(shù)。第1位表示擾流柱形狀，有R、C和Q 3種，分別代表菱形、圓形和梅花形；第2位表示擾流柱尺寸，有B1、B2和B33個，其數(shù)值隨擾流柱形狀的改變而改變；第3位是擾流柱通道進氣口直徑，有I1、I2和I33個，分別對應1.2mm、1.5mm和1.8mm；第4位是擾流柱布置方式，含M4和M3兩種，分別代表4列和3列的擾流柱布置；第5位是冷氣出口傾斜角度，有O1和O2兩種，分別代表30°和45°。9種異型擾流層板-狹縫氣膜冷卻結(jié)構(gòu)模型的編號如表1所列。

表1 異型擾流層板-狹縫氣膜冷卻結(jié)構(gòu)模型編號

1.2 計算模型與邊界條件

計算模型如圖5所示，在層板結(jié)構(gòu)上方構(gòu)建矩形的燃氣通道，下方建立矩形的冷氣腔體和沖擊板、沖擊腔。該冷卻模型長L=40.5mm，W=21.6mm，，燃氣通道高為H1=5mm，層板結(jié)構(gòu)H2=2.4mm，沖擊腔的高度H3=1mm，沖擊板的厚度為H4=0.2mm，冷氣腔體高H5=3mm。低溫氣體首先進入低溫腔體，氣流穿過小孔(沖擊板上)進入沖擊腔，一部分冷氣通過10個氣膜斜孔進入燃氣腔直接與高溫燃氣摻混；另一部分通過下層壁上的兩個進氣口A、B進入冷卻層板內(nèi)部，隨后沿斜縫流出。

圖5 層板冷卻結(jié)構(gòu)流動傳熱計算的計算域

邊界條件：

對于9個層板冷卻模型采用相同的邊界條件，設計狀態(tài)如下所述。

燃氣進口設為壓力進口：Pt=2 780.5kPa，燃氣進口總溫Tt=1 984K。

燃氣出口給定壓力出口條件：出口壓力Pt1=1 541kPa。

冷卻氣體進氣口給定壓力進口邊界條件：Pt2=2 959.4kPa，冷氣進口總溫Tt1=895K。

擾流柱通道壁面(含擾流柱表面、沖擊板外表面和氣膜板內(nèi)壁面)、沖擊孔壁面均設為流固耦合壁面，其他壁面均為絕熱壁面。

1.3 控制方程

笛卡兒坐標系中，以張量形式表示的控制微分方程如下。

連續(xù)方程：

(1)

式中ui為時均速度。

動量方程：

i,j,k=1,2,3

(2)

式中：μeff是有效黏性系數(shù)，一般情況下是溫度的函數(shù)；ρ為流體密度；ui、uj為湍流的脈動速度。

能量方程：

(3)

導熱方程：

(4)

式中：Cwall為壁面材料的比熱容，Twall為壁面的溫度。

湍流計算按照SSTκ-ω模型。

1.4 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格獨立性驗證

9種結(jié)構(gòu)模型采用混合網(wǎng)格劃分方法。圖6給出了網(wǎng)格圖。網(wǎng)格劃分時，在近壁區(qū)采用附面層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格距離壁面僅0.01mm，之后間距以比率1∶2增大。

圖6 層板冷卻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

對不同網(wǎng)格量模型兩個沖擊孔上表面中心連線的線上溫度分布進行分析，當網(wǎng)格量>370萬時溫度分布基本不變，本文9種模型網(wǎng)格量均>370萬。

1.5 結(jié)果分析截面

為了便于分析，將模型內(nèi)部流動換熱細節(jié)作出兩個沿流向截面，如圖7所示。

圖7 冷卻結(jié)構(gòu)的分析截面

流向截面Plane-A、Plane-B在模型中的橫向位置在沖擊孔A、B中心。

2 結(jié)果與討論

文中以其中的一個R-B1-I1-M4-O1模型為例進行詳細介紹，并給出各模型的參數(shù)對比和相應結(jié)論。

2.1 層板結(jié)構(gòu)的流動傳熱分析

層板熱側(cè)表面壁溫分布情況如圖8所示。在擾流柱區(qū)域和狹縫出口下游局部區(qū)域溫度較低。

圖8 層板熱側(cè)表面壁溫

溫度云圖顯示從前往后溫度先降低再上升，斜孔出口和狹縫出口之間的復合冷卻區(qū)域以及狹縫出口處區(qū)域溫度相對較低，其對應的冷卻效率較高。其中狹縫出口溫度降低更加明顯，說明狹縫氣膜冷卻效果很好。

冷卻空氣從沖擊腔內(nèi)通過沖擊孔進入擾流柱通道。Plane-A截面的壓力速度場分布云圖和相應的沖擊孔A區(qū)域的流場結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。Plane-B與之類似。

圖9 Plane-A截面壓力分布與沖擊孔A流場

冷氣從沖擊腔內(nèi)沿進氣孔射入擾流柱冷卻通道，對擾流柱通道內(nèi)上壁面局部區(qū)域有沖擊效果。冷氣隨后沿壁面向周圍流動，向斜孔方向流動的氣體在很小的范圍內(nèi)形成渦旋結(jié)構(gòu)。向擾流柱方向流動的冷氣先沿通道上壁面流動，碰到擾流柱后貼擾流柱壁面流動，到達擾流柱底部后又向沖擊孔方向流動，也形成了漩渦結(jié)構(gòu)。

2.2 9種層板冷卻結(jié)構(gòu)流動與傳熱特性對比

表2、表3中所列的壁面溫度均為最高值，冷卻效率為平均冷卻效率。

表2 9種層板冷卻結(jié)構(gòu)流動傳熱特性

表3 9種層板冷卻結(jié)構(gòu)流動傳熱特性續(xù)表

3 結(jié)語

9個模型綜合起來看，第1個模型總壓損失最高，第3個模型R-B3-I3-M4-O1總壓損失系數(shù)最小，僅為0.26,其各壁面壁溫相對于其他模型來說最低、換熱強度較高且平均冷卻效率最大。所以R-B3-I3-M4-O1模型冷卻效果最顯著。