復(fù)合冷卻渦輪導(dǎo)葉的氣熱耦合數(shù)值模擬.pdf

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1、第14卷第5期2014年2月科學(xué)技術(shù)與工程Vo1．14No．5Feb．20141671—1815f2014)05—0292-06ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sci．Tech．Engrg．航空航天復(fù)合冷卻渦輪導(dǎo)葉的氣熱耦合數(shù)值模擬邵婧李杰吳偉亮(上海交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所，上海200240；中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108)摘要采用氣熱耦合方法對(duì)高壓渦輪一級(jí)導(dǎo)葉帶全氣膜冷卻、沖擊冷卻和尾緣劈縫冷卻的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了帶復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)葉片的三維溫度場(chǎng)，主要研究了主流燃?xì)饫字Z數(shù)、冷氣與燃?xì)獾牧髁勘群腿細(xì)馀c冷氣的溫

2、比對(duì)葉片溫度和冷卻效果的影響。結(jié)果表明：隨著流量比增大，葉片前緣壁面平均溫度先增后減，壓力面和吸力面溫度均減小。葉片壁面各處平均溫度隨溫比增大而降低，受雷諾數(shù)影響很小。葉片綜合冷卻效果隨流量比增大而增大，受溫比和雷諾數(shù)影響很小。關(guān)鍵詞渦輪葉片復(fù)合冷卻數(shù)值模擬氣熱耦合冷卻效果中圖法分類(lèi)號(hào)V231．1；文獻(xiàn)標(biāo)志碼A為了提高推重比和燃油效率，現(xiàn)代航空燃?xì)鉁u以往的氣熱耦合數(shù)值模擬主要針對(duì)局部復(fù)合冷輪發(fā)動(dòng)機(jī)不斷提高渦輪的進(jìn)口溫度，當(dāng)前渦輪溫度卻結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)化后的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，本文在以已經(jīng)遠(yuǎn)超出材料的溫度極限，為了保證葉片在高溫往研究的基礎(chǔ)上，采取了更接近真實(shí)的渦輪葉片進(jìn)下的正常工作和提高

3、渦輪壽命，必須采用先進(jìn)的冷行分析，對(duì)某型渦輪高壓一級(jí)導(dǎo)葉進(jìn)行流固熱耦合卻技術(shù)來(lái)降低葉片溫度?。目前單一的冷卻技術(shù)數(shù)值模擬，其中葉片冷卻結(jié)構(gòu)包括外部氣膜冷卻、內(nèi)已經(jīng)不能滿(mǎn)足渦輪冷卻需求，在航空燃?xì)鉁u輪設(shè)計(jì)部沖擊冷卻和尾緣劈縫冷卻。本文分析了帶復(fù)合冷中普遍采用復(fù)合冷卻技術(shù)來(lái)保護(hù)熱端部件。卻結(jié)構(gòu)葉片的流動(dòng)和溫度分布，主要研究了主流燃在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確地估算葉片溫氣雷諾數(shù)(舶)、冷氣與燃?xì)獾牧髁勘?Kc)、燃?xì)馀c度對(duì)于估計(jì)葉片壽命至關(guān)重要。目前對(duì)葉片溫度的冷氣的溫比()，三種因素對(duì)葉片溫度和冷卻效果估算主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算手段實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)方法的影響?？煽啃愿?，但是周期長(zhǎng)、代價(jià)高

4、，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，氣熱耦合數(shù)值模擬技術(shù)因?yàn)榈统杀竞洼^高1數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性逐漸成為輔助渦輪葉片冷卻設(shè)計(jì)的重要1．1計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分工具'。本文的模型為某型渦輪高壓一級(jí)導(dǎo)葉，其冷卻近年來(lái)，一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用氣熱耦合方法對(duì)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，葉片為直葉片，葉身內(nèi)部分前、帶復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的葉片做了初步研究。朱延鑫后兩腔，腔內(nèi)安裝有帶沖擊冷卻孔的沖擊冷氣導(dǎo)管，等針對(duì)導(dǎo)向葉片前緣沖擊+擾流元+氣膜出流其中前腔有13排沖擊孔，后腔有12排沖擊孔；葉身的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)開(kāi)展數(shù)值模擬，分析了擾流元、氣膜的前緣、葉盆側(cè)和葉背側(cè)的靠近前緣區(qū)共排布了11出流方式對(duì)流動(dòng)和換熱效果的影響。周建興等

5、排氣膜孔，其中位于前緣區(qū)的第3～6排氣膜孔呈對(duì)渦輪葉片尾緣冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，該冷卻45。徑向角度，其余氣膜孔徑向角度均為0。；尾緣采結(jié)構(gòu)由橫肋通道和交錯(cuò)擾流柱排構(gòu)成，研究了進(jìn)氣用半劈縫冷卻結(jié)構(gòu)。雷諾數(shù)對(duì)換熱系數(shù)的影響。Mazur等對(duì)Fsx414本文采用ICEMCFD軟件劃分網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格葉片進(jìn)行了氣熱耦合數(shù)值模擬，該冷卻結(jié)構(gòu)包括兩由主流流道、固體葉片、氣膜孔、沖擊襯套、沖擊孔和個(gè)獨(dú)立內(nèi)腔，內(nèi)部嵌套沖擊冷卻插件，外部全氣膜冷內(nèi)部冷氣通道組成。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)全結(jié)卻和尾緣冷卻，主要研究了在實(shí)際進(jìn)口溫度分布條構(gòu)化網(wǎng)格處理，因此沖擊襯套和固體葉片之間的區(qū)件下葉片的速度場(chǎng)和溫度

6、分布。域、后腔冷氣流通道和葉片固體域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)2013年9月10日收到，1O月8日修改格，其他流域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在不同流域以及固第一作者簡(jiǎn)介：邵婧，女。上海交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所碩士研體域之間采用交界面連接，并對(duì)流固交界面區(qū)域究生。研究方向：動(dòng)力工程。E—mail：sjing8905@grnail．tom。(葉片壁面，流域上下端壁，孔內(nèi)壁)網(wǎng)格進(jìn)行加密，保證Y+在1左右，總網(wǎng)格數(shù)量約為1200萬(wàn)，保證5期邵婧，等：復(fù)合冷卻渦輪導(dǎo)葉的氣熱耦合數(shù)值模擬295吸力面向尾緣出氣邊流動(dòng)時(shí)，經(jīng)歷了層流邊界層，轉(zhuǎn)顯著。捩過(guò)渡區(qū)到湍流邊界層。吸力面前緣區(qū)域覆蓋的氣膜為層流邊界層，邊界層較

7、薄，隨著冷氣流量增大，氣膜孔射出的冷氣流速度增大，擾亂了前緣氣流流動(dòng)，燃?xì)馀c壁面表面換熱增強(qiáng)，導(dǎo)致前緣處溫度升高。當(dāng)冷氣流量進(jìn)一步增大，冷氣能較好地在壁面堇表面形成一層氣膜，從而前緣壁面溫度降低。圖8給出了不同流量比下的葉片綜合冷卻效果?？梢钥吹剑~片的綜合冷卻效果隨著流量比的增大呈上升趨勢(shì)，在小流量比下增長(zhǎng)速度較快。這是因?yàn)樾×髁勘葪l件下，出流的冷氣量較少，冷氣覆pressureX／Lsuction蓋范圍較小，這時(shí)增大冷氣量可以增加氣膜的覆蓋圖9不同溫比下的葉片表面平均溫度范圍