燃?xì)廨啓C(jī)渦輪導(dǎo)向葉片渦流交錯(cuò)肋冷卻技術(shù)研究

李俊山

(沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所,沈陽110015)

符號(hào)表

Bp肋頂部寬度，m

Bk槽道法向高度，m

de流體力學(xué)和熱力學(xué)上槽道當(dāng)量直徑，m

Dp肋間槽道平直段長(zhǎng)度值，m

Dk計(jì)算段導(dǎo)流管和葉片肋頂之間平均間隙值，m

FkΣ排列的肋與槽道總面積，m2

Fnpk槽道總流通面積，m2

G2決定是進(jìn)口壓力還是出口壓力控制符

Hk槽道平均高度，m

Hrk槽道沿葉高高度，m

IN整型變量所計(jì)算的節(jié)流單元號(hào)碼

K1槽道孔型

Kop葉片殼體在空氣槽道中加肋系數(shù)

Lk槽道長(zhǎng)度（即空氣流通的長(zhǎng)度），m

np槽道中肋數(shù)，個(gè)

PIN槽道進(jìn)口空氣壓力，N/cm2

POUT槽道出口空氣壓力，N/cm2

R肋底邊倒圓半徑，m

tp肋間距，m

TBcp1空氣平均溫度，K

β肋交叉半角，（°）

γ肋側(cè)表面傾斜角，（°）

λmp摩擦阻力系數(shù)

ξmp阻力系數(shù)

ξIN槽道進(jìn)口阻力系數(shù)

ξOUT槽道出口阻力系數(shù)

ξΣ槽道總阻力系數(shù)

ξmp槽道換算阻力

ΔPL槽道進(jìn)、出口空氣壓差，N/cm

1 引言

隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)正向著效率更高、可靠性更好、壽命更長(zhǎng)的方向發(fā)展。燃?xì)廨啓C(jī)的效率、可靠性、壽命主要取決于熱端部件能否安全可靠地工作，這就對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)工作環(huán)境設(shè)計(jì)提出了更高要求。如何對(duì)熱端部件進(jìn)行有效冷卻，已經(jīng)成為燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題之一。帶肋通道是最普遍使用的1種強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，針對(duì)不同的肋排布形式對(duì)換熱的影響進(jìn)行了研究，得到了大量有價(jià)值的結(jié)論。

本文對(duì)某燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向葉片渦流交錯(cuò)肋通道的幾何特性參數(shù)、流體阻力特性、渦輪導(dǎo)向葉片冷卻系統(tǒng)的流體動(dòng)力和換熱、渦輪導(dǎo)向葉片的溫度場(chǎng)等進(jìn)行了計(jì)算研究。

2 流路系統(tǒng)和換熱特點(diǎn)

渦輪導(dǎo)向器由24組雙聯(lián)鑄造冷卻葉片組成，成組以懸臂式固定在渦輪機(jī)匣上。冷卻葉片內(nèi)腔沿弦向分為前后2個(gè)區(qū)域：前區(qū)有短導(dǎo)管，為漩流強(qiáng)化強(qiáng)迫對(duì)流冷卻方式；后區(qū)為渦流交錯(cuò)肋強(qiáng)化強(qiáng)迫對(duì)流冷卻方式。渦輪導(dǎo)向葉片示意圖如圖1所示。

渦輪導(dǎo)向葉片帶渦流交錯(cuò)肋通道共有5排，從前緣到尾緣的5排渦流交錯(cuò)肋與截面分別成0°、450°、300°、300°、200°（如圖2所示）。交錯(cuò)肋通道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

渦輪導(dǎo)向葉片冷卻通道截面結(jié)構(gòu)如圖4所示；渦輪導(dǎo)向葉片冷卻系統(tǒng)流路結(jié)構(gòu)如圖5所示；模型簡(jiǎn)化處理后，形成的冷卻系統(tǒng)流體動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，其節(jié)流單元共46個(gè)：圓通道4個(gè)，導(dǎo)流管上的孔排3個(gè)，扁平通道19個(gè)，渦流矩陣通道20個(gè)。

導(dǎo)向葉片的冷卻空氣來源于由空氣冷卻器預(yù)先冷卻的2股氣流，全部空氣經(jīng)過導(dǎo)管開口的上端面流入導(dǎo)管（單元號(hào)1）腔，從那里射流增壓經(jīng)過導(dǎo)管前緣上孔（單元號(hào)2、45、46）冷卻帶肋的前緣（如單元號(hào)1等，圖5）。冷卻前緣后的空氣分成2股氣流，流入冷卻葉背和葉盆。冷卻導(dǎo)管段葉背的空氣沿帶肋縫隙通道3～5、9～11,再經(jīng)過通道16～18流到渦流交錯(cuò)肋1進(jìn)口。冷卻導(dǎo)管段葉盆的空氣流到沿帶肋縫隙通道6～8,進(jìn)而經(jīng)過通道19～21流到第1排渦流交錯(cuò)肋進(jìn)口。葉片導(dǎo)管段冷卻之后，空氣依次流經(jīng)第1排渦流交錯(cuò)肋22～25，第2排渦流交錯(cuò)肋26～29，第3排渦流交錯(cuò)肋3～33，第4排渦流交錯(cuò)肋34～41的通道，冷卻葉片尾緣進(jìn)而流到尾緣縫隙通道進(jìn)口。冷卻空氣冷卻尾緣42～44帶肋縫隙通道后流入渦輪主通道，以保證葉片尾縫的氣膜冷卻。

渦輪導(dǎo)向葉片渦流交錯(cuò)肋大大增加了流動(dòng)換熱的換熱面積，同時(shí)提高流動(dòng)換熱系數(shù)，從而使換熱能力顯著提高，在保證相同冷卻效果的前提下，減少所用的冷卻空氣量，進(jìn)而提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率和功率。

3 渦輪導(dǎo)向葉片冷卻系統(tǒng)計(jì)算

3.1 幾何特性參數(shù)和流體阻力特性參數(shù)計(jì)算

3.1.1 計(jì)算方法

為計(jì)算渦流交錯(cuò)肋通道的幾何特性參數(shù)，將渦流交錯(cuò)肋通道進(jìn)行簡(jiǎn)化，保證交錯(cuò)肋高度一致，如圖7所示。

根據(jù)如圖1所示的計(jì)算段導(dǎo)流管和葉片的肋頂之間平均間隙值、槽道平均高度、肋間距、肋交叉半角、槽道沿葉高高度、槽道法向高度、肋底邊倒圓半徑、肋側(cè)表面傾斜角、肋間槽道平直段長(zhǎng)度值、肋頂部寬度、槽道中肋數(shù)、槽道長(zhǎng)度等（即空氣流通長(zhǎng)度）共12個(gè)幾何參數(shù)及相應(yīng)幾何關(guān)系，可以計(jì)算出渦輪導(dǎo)向葉片渦流交錯(cuò)肋通道的計(jì)算排列的肋與槽道的總面積、葉片殼體在空氣槽道中的加肋系數(shù)、槽道當(dāng)量直徑、槽道的總流通面積4個(gè)幾何特性參數(shù)。

接著計(jì)算渦流交錯(cuò)肋通道的槽道進(jìn)、出口阻力系數(shù)和摩擦阻力系數(shù)、槽道總阻力系數(shù)4個(gè)流體阻力特性參數(shù)

如果G2＜0，則根據(jù)已知的進(jìn)口壓力求出口壓力如果G2＜0，則根據(jù)已知的出口壓力求進(jìn)口壓力

3.1.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)不同的角度，將渦輪導(dǎo)向葉片的5排渦流交錯(cuò)肋分成7種計(jì)算類型。計(jì)算的單元號(hào)分成7類：（1）3～8號(hào)單元；（2）22～25號(hào)單元；（3）26～29號(hào)單元；（4）30、31號(hào)單元；（5）32、33號(hào)單元；（6）35、37、39、41號(hào)單元；（7）34、36、38、40號(hào)單元。計(jì)算結(jié)果見表1、2。

3.2 冷卻系統(tǒng)的流體動(dòng)力和換熱計(jì)算

3.2.1 計(jì)算方法

冷卻系統(tǒng)的流體動(dòng)力和換熱計(jì)算采用工程專用程序進(jìn)行，該程序基于冷卻系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、各通道的幾何尺寸和網(wǎng)絡(luò)邊界空氣參數(shù)，聯(lián)立求解連續(xù)方程、動(dòng)量方和能量方程，獲得冷卻系統(tǒng)各通道的流量、壓力、溫度等流體動(dòng)力特性參數(shù)。程序中考慮了氣流沿流程各項(xiàng)物理特性的變化以及旋轉(zhuǎn)對(duì)流體阻力及換熱強(qiáng)度的影響。

表1 槽道的幾何特性參數(shù)

表2 槽道的流體動(dòng)力特性參數(shù)

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

渦輪導(dǎo)向葉片冷卻系統(tǒng)計(jì)算是在額定狀態(tài)、ISO條件下，以渦輪進(jìn)口溫度1483 K，壓氣機(jī)出口溫度和壓力分別為672.1 K、1.4864 MPa，大氣溫度和壓力分別為288 K和0.1013 MPa等為前提進(jìn)行的。計(jì)算獲得了各節(jié)流單元的冷氣流量、各腔室的冷氣壓力與冷氣溫度、葉片各內(nèi)腔的換熱系數(shù)等參數(shù)。詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表3。

3.3 渦輪氣冷導(dǎo)向葉片的溫度場(chǎng)計(jì)算

渦輪導(dǎo)向葉片的溫度場(chǎng)計(jì)算采用通用的有限元計(jì)算方法進(jìn)行，計(jì)算了沿葉高3個(gè)截面的葉片金屬表面溫度和平均溫度。

因?yàn)闇u輪導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)是成組的，每組由2個(gè)葉片組成，按葉片組的平均值選取燃?xì)鉁囟鹊膹较蚝椭芟虿痪鶆蚨龋▓D8分布曲線2）。此外，考慮運(yùn)行過程中燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)的惡化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)把燃?xì)鉁囟忍岣吡?0℃作為儲(chǔ)備。

表3 渦輪導(dǎo)向葉片冷卻系統(tǒng)流體動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

導(dǎo)向葉片進(jìn)口燃?xì)鉁囟葹椋喝~尖截面-1068℃；中徑截面-1091℃；葉根截面-1041℃。

取葉片進(jìn)口空氣溫度等于空氣冷卻器出口的空氣溫度，并考慮到機(jī)匣零組件對(duì)空氣的加溫后，葉片進(jìn)口溫度為170℃。葉片表面平均溫度在各截面分別為：葉尖截面-721℃；在中徑截面-738℃；在葉根截面-720℃。

最高溫度出現(xiàn)在葉片尾緣葉尖截面，為812℃。

3.4 渦輪氣冷導(dǎo)向葉片的冷卻效果計(jì)算

平均冷卻效果的計(jì)算公式為

考慮最大徑向、周向不均勻度和+30℃裕度的氣冷葉片中有代表性的中截面的平均冷卻效果為

即平均冷卻效果為0.383。

4 結(jié)論

（1）本文介紹的渦輪導(dǎo)向葉片渦流交錯(cuò)肋通道幾何、流體阻力特性參數(shù)的計(jì)算方法是可行的；

（2）在冷卻空氣相對(duì)流量為1.245%的條件下，渦流交錯(cuò)肋渦輪導(dǎo)向葉片中間截面平均降溫可達(dá)350℃；

（3）在考慮了最大徑向、周向不均勻度和+30℃裕度的前提下，渦流交錯(cuò)肋渦輪導(dǎo)向葉片中截面的平均冷卻效果為0.383。從平均冷卻效果看，該葉片的冷卻設(shè)計(jì)是合理的；

（4）渦流交錯(cuò)肋冷卻技術(shù)具有一定的先進(jìn)性，應(yīng)用于氣冷葉片，可以增強(qiáng)葉片換熱能力，提高冷卻效果，從而減少冷卻空氣量，進(jìn)而達(dá)到提高整機(jī)性能的目的，或在相同冷氣量條件下，提高葉片的使用壽命。

[1] 劉慶東.交錯(cuò)肋結(jié)構(gòu)對(duì)換熱和流阻特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2008,3(3).