渦輪導葉綜合冷效試驗件設計及驗證

鐘山，劉志剛，朱榕川，方弘毅，顧楊

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

渦輪導葉綜合冷效試驗件設計及驗證

鐘山，劉志剛，朱榕川，方弘毅，顧楊

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

為保證新研制的導向葉片在發動機上可靠工作，須先對其進行冷效試驗，以驗證氣膜冷卻的氣動參數、幾何參數對冷卻效果及渦輪氣動性能的影響。試驗件結構設計中根據相似原則，采用單層干燒結構，并采用UG參數化建模和裝配、間隙分析減小裝配誤差和干涉，提高了冷效試驗效率。試驗件內溫度場、壓力場較好，具有良好的耐溫性、密封性；試驗件設計中，配合更換試驗件耐熱材料，較常規水冷式試驗件結構簡單，且加工周期縮短一半，造價減少約60%。

渦輪導向葉片；結構設計；間隙分析；數值模擬；冷效試驗件；耐熱材料

1 引言

提高高壓渦輪導葉的承溫能力是高性能航空發動機研制過程中的關鍵技術。高壓渦輪導葉位于燃燒室出口，工作條件惡劣，承受有氣動力和熱應力，且在高溫燃氣作用下易腐蝕。此外，隨著航空發動機工況的不斷變化，葉片還需承受冷熱交變載荷作用。因此，渦輪導葉的冷卻換熱設計，直接影響發動機的效率、可靠性和壽命。目前，渦輪導葉的結構非常復雜，為保證新研葉片在發動機上可靠工作，必須在保證幾何、流動、熱相似的條件下，對渦輪導葉的冷卻效果進行試驗驗證，之后才可用于發動機裝機試驗[1]。

傳統的渦輪導葉冷效試驗件，通常由帶水冷的前轉接段、前測量段、試驗段、后測量段構成，存在以下缺點：結構復雜，不利于加工和改造，且加工周期長；冷卻水對冷效試驗結果有影響；主要零、部件需采用昂貴的高溫合金制造，造價高。因此，這種結構形式的試驗件不適合進行大量、多種渦輪導葉的冷效試驗研究。鑒于此，本文設計了一種采用單層干燒式結構的渦輪綜合冷效試驗件。設計中，采用FLUENT軟件進行流場驗算，利用UG軟件進行試驗件結構設計和模擬裝配，并綜合考慮了氣動、結構、裝配間隙、熱變形等因素對試驗結果和效率的影響，最后通過冷效試驗予以了驗證。

2 試驗件設計

渦輪導葉冷效試驗需盡可能模擬發動機典型工況下葉片的冷卻特性，以驗證葉片是否滿足冷卻設計要求；采錄渦輪導葉綜合冷卻效果試驗數據，獲得設計狀態下葉片的絕對和平均相對冷卻效果，研究冷氣流量比等冷卻參數對葉片平均和局部冷卻效果的影響。冷效試驗件裝在有較好溫度場和壓力場的試驗設備內，能模擬試驗葉柵的進口壓力、溫度，測量試驗件進口流量、葉片冷氣流量。試驗件前端與設備加溫器出口段相聯，將燃氣整流后均勻導入試驗件進氣測量段，后段流出的燃氣經收斂段順利排出到設備排氣段。

試驗件根據真實試驗葉柵尺寸參數設計進排氣內流道，來保證幾何(葉片的排列方式、進出口氣流角、進出氣截面形狀)、流動(冷氣與燃氣的流量比、溫比)相似。試驗器提供真實溫度的進氣流量及試驗件采用耐溫材料制造的單層干燒結構，來保證流動、熱相似。試驗件根據具體的渦輪葉片參數及設備條件設計，由進氣段、試驗段、葉片試驗件、進氣組件、冷卻管組件、測壓管組件等構成(圖1)。

圖1 試驗件結構示意圖Fig.1 Configuration of test specimen

2.1 結構設計

在保證相似原則的前提下，據風洞設計原理、冷卻渦輪氣體動力學、熱力學與氣體動力學基礎等進行設計[2，3]。進、出口截面上，需保證徑向壓力梯度?？拷罅鞯纻劝宓娜~柵通道，葉片尾緣的燕尾波打到側板上，形成反射波，對中間通道出口波系形成一定干擾，葉柵中間葉片通道流場的周期性受到一定程度影響；中間通道流場與周期性基準結果相比存在一定差異，良好的側板設計對提高葉柵出口的周向周期性有明顯作用[4]。

2.1.1 進氣段

進氣測量段與設備的加溫器出口相通，內流道進口形狀由圓形逐漸轉為扇形。扇形的幾何形狀和面積與試驗葉柵在發動機上的進口截面相同，其作用是將燃氣初步整流后導入前測量段。前測量段的內流道形狀和大小與扇形段出口相同，其作用是將氣流均勻導入試驗葉柵，并完成試驗進口參數測量。

2.1.2 試驗段

試驗段內安裝試驗葉片，保證試驗葉片的進出口氣流角、流道面積、排列方式與在發動機上相同，其上有柵后壁面靜壓引出接口，葉片冷氣引入、引出接口和測溫電偶絲引出口。流道形狀為扇形，其功能是將燃氣整流后導入設備的排氣段中。

試驗段內部由葉片組成葉柵通道，中間是帶測溫電偶的試驗葉片，兩側是帶氣冷的陪襯葉片，在扇形通道中進行冷效試驗[5，6]。冷卻空氣從葉片頂部進入，一部分從葉身前緣和葉盆尾部的氣膜孔排入主流道，剩余部分從葉片底部小孔排出。

2.2 材料選取

試驗件在一定壓力、高溫狀態下工作，傳統水冷式冷效試驗件采用價格昂貴的GH3044和GH5188材料制造，材料費在試驗件造價中占比較大?，F用價格便宜的16Cr25Ni20Si2制作，采用不帶冷卻的干燒方式，降低試驗件造價[7，8]。該材料屬奧氏體型耐熱鋼，其韌性、可焊性稍差，但抗氧化和抗滲碳性優良，具有較好的抗一般腐蝕能力。其工作溫度最高可達1 200℃，連續使用最高1 150℃，間歇式使用最高1 100℃。為確保試驗件的焊接質量和強度，選用與其材質相近的材料作焊絲或采用母材作焊絲，采用氬弧焊小焊量重復焊接方法，并加工專用焊接試件對此予以了驗證。

2.3 間隙分析

應用UG參數化建模和裝配。冷效試驗件設計中主要需進行試驗件冷/熱態間隙分析，以保證熱態試驗下相關間隙滿足試驗要求。對裝配件的全部或部分區域進行間隙/干涉分析，可采用交互式或批處理模式進行。對每個組件定義為間隙區，不考慮組件可能的運動，只處理靜態問題。

2.3.1 干涉類型

干涉類型主要包括五方面：①不干涉——對象間的距離大于間隙區域。②軟干涉——對象間的最小距離小于間隙區域，但兩個對象不接觸。系統將建立表示最小距離的一條線，代表查出的干涉。③接觸干涉——兩個對象接觸但不干涉。此時系統將在查出接觸干涉的位置建立一個表示接觸干涉的點。④硬干涉——兩個對象彼此相交。系統將建立一個表示干涉的干涉實體。⑤包容干涉——一個對象完全包容在另一個對象內。系統將建立表示干涉被包容實體的拷貝。

2.3.2 間隙區域

環繞在對象周圍的空間偏置體，對兩個組成的對象進行間隙分析。

定義間隙區域的方法：將缺省的間隙區域分配給所有對象，給單個對象指定間隙區域，給對象組分配間隙區域，可覆蓋任何其他間隙區域。

2.3.3 間隙分析

最小組件(只含有零件)的間隙分析：每完成一個最小組件設計，就把其下所有零件的Reference Set都替換為BODY，然后采用Facet/Solid方式進行冷/熱態間隙分析。

高級別組件的間隙分析：把已裝配組件放入List1，把新添加組件放入List2，然后采用Facet/Solid方式進行冷/熱態間隙分析，初步找出發生干涉的零件對；將發生干涉的零件對的Reference Set都替換為Body，再次進行間隙分析，以獲得精確結果。

幾處重點位置的間隙分析結果表明，熱態時葉片與試驗段安裝無過渡配合，冷態時有一定間隙并裝拆自如，說明設計滿足試驗件冷/熱態使用要求。

2.4 數值模擬

采用FLUENT軟件，對葉柵流道模型進行數值模擬。模擬的邊界條件為柵前總壓1 010 kPa、總溫1 230 K，柵后背壓855 kPa。葉柵前后部分采用分區網格技術，網格數約200萬，未帶進口段和出口導流板的模型見圖2。為準確描述附面層對計算流場的影響，劃分流道和加密壁面附近網格，可參照文獻[9]～[11]中方法，對葉柵前后及流道、測量做出分析。

圖3為數值模擬流道縱截面速度分布圖，可見氣流在流道進口部分速度較低、均勻性良好，進入流道后在通道內迅速加速，葉片尾緣出口尾跡區明顯。根據圖4中的端壁流線圖，氣流在葉片通道內未出現附面層分離。

圖2 流道模型Fig.2 Flow path model

圖3 縱截面速度分布Fig.3 Velocity profiles at longitudinal section

圖4 流線圖Fig.4 Streamline diagram

從試驗件流道馬赫數分布(圖5)看，試驗件流場周期性良好，氣流在試驗件前部加速，通過喉部后在斜切口后繼續膨脹加速，在輪轂處尾跡明顯，在中部和尖部出口均勻性良好。

圖5 馬赫數分布Fig.5 Mach number profiles

另據多次試驗數據分析得出，葉柵出口徑向壓力梯度與實際情況時氣流對輪轂的傾向性不同。由軸向間隙內壓力橫向分布的測量表明，實際氣流對輪轂不分離，輪轂附近的損失含有葉柵端壁區域中未分離氣流的損失。靜壓沿柵距不變，引起氣流從輪轂分離及在輪轂附近靜壓沿額線不變。因輪轂附近的損失顯著增大，在中部三個葉片后面測量，有較好的周期流動性，在輪緣處和在平均直徑氣流中的測量結果重合較好。

綜上分析，試驗件進口通道的流場參數滿足試驗葉柵進排氣要求；試驗件排氣通道設計在與排氣角度相同、排氣口面積適當放大狀態下，排氣流場周期性較好，不會對試驗數據錄取帶來不利影響，能獲得可靠的試驗數據。

3 冷效試驗驗證

渦輪導葉綜合冷效試驗在渦輪葉片冷卻效果試驗器[1]上進行。

3.1 壓力場、溫度場分布

試驗件內，進入干燒冷效試驗件的燃氣避免了水冷式試驗件因冷卻水換熱對內流道壁面燃氣的影響，減小了柵前溫度場梯度、不均勻的影響。在燃氣供氣壓力、溫度穩定的情況下，由葉柵進氣不同柵道位置采用的兩處梳狀探針(圖1)測量得出，進口總壓沿徑向相差約0.7%，進口總溫沿徑向相差約1.0%，如圖6、圖7所示，優于帶水冷的冷效試驗件(水冷試驗件柵前壓力徑向相差約1.0%、溫度徑向相差約2.9%[1])。

圖6 壓力場分布曲線Fig.6 Distribution curve of pressure field

圖7 溫度場分布曲線Fig.7 Distribution curve of temperature field

3.2 冷效試驗結果的可靠性

渦輪葉片冷效試驗在保證相似原則的熱態條件下進行，圖8示出了渦輪導葉葉中截面在不同流量比下的冷卻效果對比，圖9為葉中截面在不同溫比下的冷卻效果變化圖。可見，試驗結果與設計值吻合較好，用該試驗件進行的渦輪葉片冷效試驗結果可靠。

圖8 冷卻效果-流量比曲線Fig.8 Cooling effectiveness vs.discharge ratio

圖9 冷卻效果-溫比曲線Fig.9 Cooling effectiveness vs.temperature ratio

4 結論

(1)采用UG參數化建模和模擬裝配及分析、FLUENT軟件模擬等手段，減小影響試驗結果的多種誤差。流道結構保證進排氣段內形及進排氣角度精確相似、葉柵精確定位，保證葉形端面與進排氣流道口的小間隙配合以減小泄漏。

(2)采用耐熱鋼材料16Cr25Ni20Si2代替GH材料，在保證使用溫度條件下，節約了試驗件的造價和設計、加工周期。獨特設計的滑槽盒式葉柵裝夾結構，在良好的密封性及受熱變形較小的條件下，更便于試驗葉柵的裝拆和定位。

(3)冷效試驗證明，冷效試驗件采用單層、干燒結構，提高了冷卻渦輪試驗效率，能在滿足試驗要求的參數范圍內工作。試驗件內的溫度場、壓力場較好，測量的各項指標均能達到設計技術要求，試驗數據真實可靠。

[1]劉志剛，朱榕川，周禹彬，等.渦輪葉片冷效試驗專用蝸殼艙研制[J].燃氣渦輪試驗與研究，2005，18(4)：54—59.

[2]伍榮林，王振羽.風洞設計原理[M].北京：北京航空學院出版社，1985.

[3]王新月，楊清真.熱力學與氣體動力學基礎[M].西安：西北工業大學出版社，2004.

[4]潘尚能，羅建橋.渦輪多學科優化中的氣動設計技術探討[J].航空動力學報，2012，27(3)：635—643.

[5]Hijikata T.Reliability of Ceramic Stator Blade Tested in Hot Wind Tunnel[R].95-YOKOHAMA-IGTC-79，1995.

[6]Danirl R R，Steven E G，Jerey P B，et al.Optimization of Wind Tunnel Walls to Simulate Periodic Boundary Condi?tion[R].AIAA 2009-0509，2009.

[7]中國航空材料手冊編委會.中國航空材料手冊[K].北京：中國標準出版社，2002.

[8]劉湘秋.壓力容器常用結構尺寸計算手冊[M].北京：機械工業出版社，1991.

[9]衛剛，王松濤，周山，等.氣冷渦輪級流場的數值模擬方法與試驗驗證[J].航空動力學報，2012，27(3)：651—656.

[10]Rona A，Paciorri R，Geron M.Design and Testing of a Transonic Linear Cascade Tunnel with Optimized Slotted Walls[J].Journal of Turbomachinery，2006，128(1)：23-34.

[11]Song B，Gui X，Li S M，et al.Flow Periodicity Improve?ment in a High Speed Compressor Cascade with a Large Turning-Angle[R].AIAA 2002-3539，2002.

圖4 TBOM示例Fig.4 Illustration of TBOM

當是否跟蹤為否時，維護BOM中不管理其實物零件，如圖中C、D1、D21；當是否序列化為是時，維護BOM中對應的實物零件含有序列號，如圖中D→D_(S/N2042)；當是否批次為是時，維護BOM中對應的實物零件含批次號，如圖中D2→D2_(LOT10)；發動機的使用狀態信息，記錄在實物發動機中；發動機若因排故進行了備件更換，則對維護BOM上對應成附件或零件進行更換，并可基于此維護BOM查看其維修前的BOM。

5 結束語

本文描述了在TeamCenter環境中如何演變各階段的BOM，形成系列的xBOM，提出了以BOM為主線在TeamCenter中實現產品單一數據源的管理方式。尤其是TBOM概念的提出，為試驗BOM的管理提出了可行性方法，為設計、制造、試驗人員實現產品的全過程跟蹤和追溯，及在PLM平臺中實現產品的全生命周期管理，具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]劉艷平，趙武，熊欣.基于PDM的產品設計過程動態工作流管理[J].機械設計與制造，2009，47(1)：225—226.

[2]Bailey M W.FIPER(Federated Intelligent Product Envi?ronment)：An Intelligent System for the Optimal Design of Highly Engineered Products[EB/OL].[2014-02-01].www. fiperproject.com.

[3]劉小龍，田錫天，張振明，等.產品生命周期過程中的BOM演進與系統集成[J].制造業自動化，2009，31(10)：27—31.

[4]佐藤知一，山崎誠.BOM物料管理[M].北京：東方出版社，2013.

[5]趙曉莉，李糧，石小江.基于PLM平臺的航空發動機試驗數據管理技術研究[J].測控技術，2013，34(12)：138—142.

Design and Verification of Integrated Cooling Effectiveness Test Specimen for Turbine Vane

ZHONG Shan，LIU Zhi-gang，ZHU Rong-chuan，FANG Hong-yi，GU Yang
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

To make turbine nozzle work reliably,cooling effectiveness test should be firstly conducted to study the aerodynamic effect and geometric parameters of film cooling on cooling effectiveness and turbine aerodynamic performance.Based on the principle of similarity，the test specimen adopted simple deck dry combustion constructure.UG parameterized modeling and assembling as well as clearance analysis was ap?plied to reduce the assembling error and interference,and thus improved the efficiency of cooling effective?ness test.Preferable temperature and pressure fields were obtained inside the test specimen,which were of good hot-resistance and sealing performance.Matched heat-resistant material made its common wa?ter-cooling construction simpler,shortened half of its process cycle and reduced approximately 60%of its cost.

turbine nozzle；structural design；clearance analysis；numerical simulation；cooling effectiveness test specimen；heat resistant material

V231.3

：A

：1672-2620(2014)03-0034-05

2013-10-06；

：2014-02-12

鐘山(1969-)，男，江西贛州人，高級工程師，主要從事航空試驗設備、試驗件等設計。