航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片冷氣流量數(shù)值計(jì)算分析

李 瑩 呂文菊 馬 蕾（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110862）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片冷氣流量數(shù)值計(jì)算分析

李 瑩 呂文菊 馬 蕾
（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110862）

本文采用商業(yè)軟件對航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪一級導(dǎo)向葉片冷氣流量進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，研究了單聯(lián)導(dǎo)向葉片及三聯(lián)導(dǎo)向葉片內(nèi)腔冷卻氣體的質(zhì)量流量。計(jì)算結(jié)果表明，數(shù)值仿真計(jì)算的質(zhì)量流量值與水流量設(shè)備檢測的質(zhì)量流量值比較吻合，并且三聯(lián)葉片的質(zhì)量流量值基本上等于單聯(lián)葉片質(zhì)量流量值的三倍。因此，可以用此數(shù)值仿真計(jì)算方法計(jì)算單聯(lián)葉片內(nèi)腔冷卻氣流的質(zhì)量流量，以此反應(yīng)雙聯(lián)、三聯(lián)及多聯(lián)渦輪導(dǎo)向葉片的冷卻氣體流量的質(zhì)量流量。

渦輪導(dǎo)向葉片；冷卻氣體；質(zhì)量流量 ；數(shù)值計(jì)算

1 低壓渦輪導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪氣冷導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是研制高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。當(dāng)渦輪導(dǎo)向葉片材料承受的溫度高于1100℃以上時(shí)，渦輪導(dǎo)向葉片的高溫燃?xì)饨佑|表面不僅需要添加隔熱涂層，還需要采取比較復(fù)雜的冷卻措施，如在內(nèi)腔型面增加導(dǎo)流管或在上、下緣板及葉身表面布設(shè)許多冷卻孔。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片多采用空心帶冷卻的結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔型面增加導(dǎo)流管。低壓渦輪導(dǎo)向葉片大多采用單聯(lián)、雙聯(lián)、三聯(lián)及多聯(lián)結(jié)構(gòu)。

1.1 單聯(lián)導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于鑄造技術(shù)的局限性，早期低壓渦輪導(dǎo)向葉片多為單個(gè)鑄造，其有一定的缺陷性，如氣密性不好，影響整機(jī)性能等。

1.2 雙聯(lián)及三聯(lián)導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。雙聯(lián)氣冷渦輪導(dǎo)向葉片主要分為分塊組合式、單葉整鑄組焊式、一模雙葉整鑄式等。三聯(lián)氣冷渦輪導(dǎo)向葉片的典型結(jié)構(gòu)是單葉整鑄后再三葉組焊或蠟?zāi)＝M焊，最后再三葉整鑄。雙聯(lián)、三聯(lián)或多聯(lián)氣冷渦輪導(dǎo)向葉片既減少導(dǎo)葉緣板間的漏氣損失、提高渦輪效率，又可減少導(dǎo)葉工藝制造環(huán)節(jié)、提高可靠性。隨著鑄造水平的提升，雙聯(lián)、三聯(lián)或多聯(lián)氣冷渦輪導(dǎo)向葉片逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

2 計(jì)算模型的建立

此數(shù)值仿真計(jì)算分為單聯(lián)導(dǎo)向葉片和三聯(lián)導(dǎo)向葉片兩種情況計(jì)算其質(zhì)量流量。本次計(jì)算對低壓渦輪一級導(dǎo)向葉片冷卻氣體流道進(jìn)行全尺寸三維模型，為計(jì)算方便，對內(nèi)部冷卻氣流流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡化，如圖1及圖2所示，運(yùn)用ICEM軟件對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖1給出了單聯(lián)導(dǎo)向葉片內(nèi)腔冷卻氣流流道示意圖，圖2給出了三聯(lián)導(dǎo)向葉片內(nèi)腔冷卻氣流流道示意圖。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 劃分網(wǎng)格。本文計(jì)算的低壓渦輪一級導(dǎo)向葉片冷卻氣流進(jìn)口直徑為Φ18mm。將導(dǎo)向葉片冷卻氣流進(jìn)口端面設(shè)為壓力進(jìn)口，將導(dǎo)向葉片冷卻氣流出口端面設(shè)為壓力出口，流動(dòng)介質(zhì)選擇H2O。運(yùn)用ICEM軟件對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。單聯(lián)低壓渦輪一級導(dǎo)向葉片內(nèi)部冷卻氣流通道計(jì)算模型網(wǎng)格單元總數(shù)為347762，最佳網(wǎng)格質(zhì)量為0.999，最差網(wǎng)格質(zhì)量為0.28，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.7226；三聯(lián)低壓渦輪一級導(dǎo)向葉片內(nèi)部冷卻氣流通道計(jì)算模型的網(wǎng)格單元總數(shù)為1075658，最佳網(wǎng)格質(zhì)量為0.999，最差網(wǎng)格質(zhì)量為0.22，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.7684，均滿足計(jì)算要求。

3.2 質(zhì)量流量計(jì)算結(jié)果。本計(jì)算中單聯(lián)導(dǎo)向葉片及三聯(lián)導(dǎo)向葉片的進(jìn)口均采用壓力進(jìn)口，出口均采用壓力出口，進(jìn)口及出口總壓均為2個(gè)大氣壓，進(jìn)口及出口靜壓為1.99個(gè)大氣壓，溫度均為288k。計(jì)算結(jié)果顯示，單聯(lián)導(dǎo)向葉片的質(zhì)量流量為0.421kg/s，三聯(lián)導(dǎo)向葉片的質(zhì)量流量為1.259 kg/s。

4 結(jié)論

計(jì)算結(jié)果表明，三聯(lián)導(dǎo)向葉片內(nèi)腔冷卻氣體的質(zhì)量流量基本上是單聯(lián)導(dǎo)向葉片內(nèi)腔冷卻氣體質(zhì)量流量的三倍，因此，以后可以通過只計(jì)算單聯(lián)葉片的質(zhì)量流量來反映雙聯(lián)、三聯(lián)及多聯(lián)導(dǎo)向葉片內(nèi)腔冷卻氣體的質(zhì)量流量，這樣既簡化了計(jì)算模型，又縮短了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)提高了數(shù)值仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。由車間流量設(shè)備測試的該航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪一級導(dǎo)向葉片的水流量值為1.221 kg/s，與數(shù)值計(jì)算得到的三聯(lián)導(dǎo)向葉片的質(zhì)量流量值相比誤差為3%，兩種方法得到的質(zhì)量流量值基本吻合。因此，運(yùn)用此數(shù)值仿真計(jì)算方法計(jì)算渦輪導(dǎo)向葉片內(nèi)腔冷卻氣體的質(zhì)量流量是可行的。此數(shù)值仿真計(jì)算方法對以后計(jì)算及測量航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片內(nèi)腔冷卻氣體的質(zhì)量流量奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1]郭文，吉洪湖，蔡毅，等.復(fù)合式氣冷渦輪導(dǎo)葉冷卻設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2005，20 （03）： 456-459.

[2] 尚義.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.

[3] 吳子牛.計(jì)算流體力學(xué)基本原理[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

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A航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片的冷卻氣體流量是導(dǎo)向葉片的重要參數(shù)之一，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能起著關(guān)鍵作用，直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片的工作可靠性。有效控制冷卻氣體流量，有利于防止葉片失效。在工廠實(shí)際生產(chǎn)加工時(shí)，一般采用測量水流量的方式來反應(yīng)其冷卻氣體流量。但手動(dòng)測量方式存在誤差，會(huì)造成質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的錯(cuò)誤。本文采用商業(yè)軟件對單聯(lián)低壓渦輪導(dǎo)向葉片及三聯(lián)低壓渦輪導(dǎo)向葉片的冷卻氣流流量進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，同時(shí)與水流量設(shè)備對葉片的測量值進(jìn)行了對比，并對兩種方法得到的質(zhì)量流量值進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了此數(shù)值仿真計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可行性。