雙輻板渦輪盤盤腔流動換熱分析

韓玉琪，賈志剛，劉 紅，朱大明

(中國航空發動機研究院，北京101304)

雙輻板渦輪盤盤腔流動換熱分析

韓玉琪，賈志剛，劉 紅，朱大明

(中國航空發動機研究院，北京101304)

基于UG軟件建立了雙輻板渦輪盤的三維模型，基于CFX軟件對雙輻板渦輪盤盤腔內的流動換熱現象進行了數值模擬，獲得了典型工況下旋轉盤腔內的流場和溫度場分布，初步總結了該盤腔結構內的流動換熱規律。結果表明：該盤腔結構內的流動形式為典型的源-匯流動，冷氣的總壓和溫度沿徑向均逐漸增大，總壓增和溫度差隨轉速的增加而增大、隨冷氣流量的增加而減小，對流換熱系數在不同流場區域表現出不同的分布特征。為雙輻板渦輪盤的進一步結構優化設計提供了參考。

航空發動機；雙輻板渦輪盤；旋轉盤腔；冷卻；流動；換熱；數值模擬

numericalsimulation

1 引言

據統計，在航空發動機所有非包容事故中，大約一半是由輪盤損壞引起。渦輪盤工作過程中承受離心力載荷、熱應力載荷和輪盤外載荷，是典型的壽命限制件[1-2]。對于渦輪發動機，高推重比的目標要求渦輪前溫度越來越高，在盤體材料耐溫極限增長極其有限的現狀下，渦輪部件的高效冷卻成為航空發動機的核心技術之一。雙輻板渦輪盤是針對下一代高推重比渦扇發動機的高壓渦輪盤設計，在減輕質量、提高冷卻效率方面具有很大的發展前景。由于雙輻板渦輪盤采用了空心結構，冷卻空氣可以直接進入兩個輻板形成的空腔進行冷卻，與傳統的實心渦輪盤相比，其散熱面積增大、冷卻效果更好。

Cairo[3-4]申請了雙輻板渦輪盤結構的專利，并對該雙輻板渦輪盤進行了分析，實施了不同程度的模擬試驗，關注了焊接區域的應力和疲勞壽命。為防止兩個輻板在高轉速工況下盤心由于軸向變形而接觸，Harding[5]設計了一個盤轂尺寸較大的雙輻板渦輪盤。Burge[6]申請了應用于高壓壓氣機最后一級輪盤的雙輻板輪盤專利。江和甫[7]指出，雙輻板渦輪盤的技術關鍵為焊接工藝、冷卻設計、強度結構設計。陸山[8]提出并建立了雙輻板渦輪盤結構優化設計數學模型及方法，篩選了子午面形狀設計參數，并針對典型高負荷渦輪盤結構優化問題進行了雙輻板盤結構優化設計。欒永先[9-10]對雙輻板渦輪盤的結構特點和工藝難點進行了介紹，通過與傳統渦輪盤進行對比闡述了雙輻板結構的先進性，并應用有限元分析軟件對傳統渦輪盤和雙輻板渦輪盤進行了強度分析，提出其未來的研制設想。陸山[11]采用盤/榫結構分部快速優化/整體精細優化的高效優化策略，進行了雙輻板渦輪盤/榫的結構優化設計。董少靜[12]采用漸進結構優化算法確定出雙輻板渦輪盤的結構形式，并對其進行了有限元分析和尺寸優化，使得同等應力水平下的雙輻板渦輪盤比傳統渦輪盤的質量下降了23.6%，還通過三維旋轉光彈試驗驗證了所提出的雙輻板渦輪盤結構的合理性和相關計算的正確性。丁水汀[13]提出，對于渦輪盤腔的冷卻問題，可以采用阻力評價、換熱評價和溫度分布評價三種評價指標構成工程評價體系，前者決定了全系統的阻力損失的大小，后兩者表征了相對冷卻效果和熱應力水平的高低。趙熙[14]的研究表明，在與實心盤等質量的空心盤結構中，中心進氣轉靜系+高位進氣旋轉系、高位進氣轉靜系+高位進氣旋轉系結構具有較好的換熱特性。金琰[15]通過劃分各個區域的換熱模型，計算了雙輻板渦輪盤的溫度分布，并通過間接熱-結構耦合計算了盤體上的應力分布。

目前，在雙輻板渦輪盤領域公開的文獻很少，且集中于盤體強度分析和結構優化方面，所采用的模型簡化程度大都很高，本文基于更接近工程實際的三維雙輻板渦輪盤的模型開展了冷卻效果分析。以雙輻板渦輪盤盤腔為研究對象，采用CFX軟件對盤腔內的流動換熱現象進行數值模擬，研究該結構盤腔中壓力場、流場和溫度場的分布，分析總結其流動換熱規律，以期為雙輻板渦輪盤盤腔冷卻設計提供技術支撐。

2 物理模型與數值方法

本文分析的雙輻板渦輪盤模型如圖1所示，沿盤腔周向分布了78個出氣孔。

圖1 雙輻板渦輪盤模型Fig.1 Modelof twin-web rotor disk

為減小計算量，利用盤腔的周期對稱性，取全盤的1/78進行網格劃分。網格劃分由商業軟件ICEM完成。為提高計算精度，流體區域和固體區域均采用六面體網格劃分方法。為保證數值模擬精度，對邊界層網格進行了加密處理，并保證壁面第一層網格處y+＜2，邊界層厚度增長率為1.2，以滿足SST模型的要求。經網格無關解驗證后，流體域包含58萬個網格單元，固體域包含54萬個網格單元，共計112萬個網格單元。

使用CFX軟件對雙輻板渦輪盤的流動換熱問題進行穩態分析。流體控制方程N-S方程組的離散格式為高精度格式，湍流模型選為SST兩方程模型，離散格式為高精度格式。流體入口給定質量流量和溫度T=800 K，出口給定壓力p=1.5MPa，流固交界面上使用無滑移邊界條件，周期面上使用周期對稱邊界條件；固體盤緣給定熱流密度q=2 000W/m2，周期面上使用周期對稱邊界條件，流固交界面耦合求解，其余固體壁面使用絕熱條件，收斂條件為最大殘差小于10-5。數值模擬中使用的氣體為理想氣體，定性溫度取為入口氣流溫度(即800 K)，參考壓力取為1.5 MPa。固體區域材料選擇鋼。分析了6種不同冷氣流量和3種不同轉速下盤腔的流動換熱工況，共計18種工況。6種入口冷氣流量(m)分別為0.078、0.117、0.156、0.195、0.234、0.273 kg/s，對應的無量綱流量系數Cw在104量級；3種輪盤轉速(ω)分別為6 000、8 000、10 000 r/min，對應的無量綱旋轉雷諾數Rew在106至107量級。

3 數值結果與分析

3.1 流動結構

文中計算的各種工況下流動結構相似，下面以冷氣流量0.195 kg/s、盤腔轉速10 000 r/min工況為例進行分析。圖2為對稱面上的流線分布圖，圖中清晰地展示了徑向內流旋轉盤腔的流動結構。流體進入盤腔后，首先是源區，隨后逐漸被卷吸進入雙輻板內側的埃克曼層內，中間為核區，最后通過匯區流入出氣孔，呈現出典型的源-匯流動形式。

為對比不同半徑處流體切向速度與當地旋轉速度的相對大小，圖3給出了不同轉速下中心線上旋流系數β=w/ωr的分布曲線。其中，w為當地氣體的周向速度，r為該點的徑向坐標，R為輪盤外半徑。從圖中可以看到，各種工況下旋流系數均處于0到1之間，即流體的切向速度小于當地盤腔的旋轉速度。流體進入盤腔后剛開始旋流系數為0，此時位于源區；隨后逐漸被卷吸進入兩側的埃克曼層，此時中心核區流體的旋流系數逐漸增大，即圖中曲線0到1的增長階段；然后通過匯區進入出氣孔(圖中各曲線的最后兩個數據點位于出氣孔內)，旋流系數達到1。觀察各曲線中旋流系數為0的初始段可以發現，在相同轉速下，隨著冷氣流量的不斷加大，冷氣的慣性力逐漸變大，源區的長度尺度也逐漸增大，核心區的旋流系數變小；在相同冷氣流量下，隨著盤腔旋轉速度的增加，源區的長度尺度逐漸減小，核心區的旋流系數逐漸增大。

圖2 冷氣流量0.195 kg/s、盤腔轉速10 000 r/m in工況下對稱面上的流線分布Fig.2 Stream line distribution on symetric plane at condition m=0.195 kg/s,ω=10 000 r/min

3.2 總壓損失

圖3 不同轉速下中心線上的旋流系數分布Fig.3 Distribution of relative rotational speedβon centerline atdifferent rotational speeds

3.3 溫度分布

以冷氣流量0.195 kg/s、盤腔轉速10 000 r/min工況為例進行分析。圖5為該工況下對稱面上的溫度分布云圖，可見沿半徑增大方向，流體域和固體域的溫度都逐漸升高，溫度梯度也逐漸變大，出氣孔內流體與固體的接觸面積小、換熱不充分，相應部位的固體域的溫度梯度較大。圖6示出了不同工況下盤體的最高溫度，可見：相同轉速下，隨著冷氣流量的增大，盤體最高溫度逐漸降低；相同冷氣流量下，隨著旋轉速度的增大，盤體的最高溫度逐漸升高。

圖4 不同工況下的總壓損失分布Fig.4 Distribution linesof the total pressure lossat different conditions

圖5 冷氣流量0.195 kg/s、盤腔轉速10 000 r/min工況下的溫度分布Fig.5 Distribution of temperature atcondition m=0.195 kg/s,ω=10 000 r/min

圖6 不同工況下盤體的最高溫度Fig.6 Themax temperature on disk atdifferent conditions

3.4 對流換熱系數分布

圖7為不同轉速下對流換熱系數h沿徑向的分布。可見，相同盤腔轉速下，初始的源區內的對流換熱系數較小，且沿半徑增大方向略有減小；然后在埃克曼層區域內，對流換熱系數隨半徑的增大而增大；最后在出氣孔內，對流換熱系數隨半徑的增大而減小(各曲線最后兩個數據點位于出氣孔內)。

圖7 不同轉速下的對流換熱系數分布Fig.7 Distribution ofheat transfer coefficientatdifferent rotationalspeeds

4 結論

詳細研究了雙輻板渦輪盤腔內的流動和換熱現象，分析了該盤腔結構內流動結構、損失特性、溫度變化和對流換熱系數變化，主要結論如下：

(1)本文中的雙輻板盤腔內的流動是典型的源-匯流動，盤腔中心線上的旋流系數隨冷氣流量的增大而減小，隨旋轉速度的增大而增大。

(2)受離心增壓作用，流體出口總壓大于進口總壓，總壓差隨冷氣流量的增大而減小，隨旋轉速度的增大而增大。

(3)沿半徑增大方向，盤體溫度逐漸升高，在盤緣處達到最高；盤體最高溫度隨冷氣流量的增大而減小，隨旋轉速度的增大而增大。

(4)沿半徑增大方向，對流換熱系數在源區內逐漸減小，在埃克曼層內逐漸增大，進入出氣孔后逐漸減小。

[1]FAA.Advisory Circular 33.75-1A:Guidancematerial for 14 CFR 33.75,safety analysis[S].

[2]Owen J M，Wilson M.Some current research in rotat?ing-disc systems[C]//.Turbine 2000 International Sympo?sium on Heat Transfer in Gas Turbine Systems.2001.

[3]Cairo R R.Composite ring reinforced turbine program fi?nal report[R].AFRL-PR-WP-TR-1999-2050，1999.

[4]Cairo R R，Sargent K A.Twin web disk:a step beyond con?vention[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2002，124(2)：298—302.

[5]Harding B R，Curtiss D H.Contoured disk bore：US，7241111 B2[P].2007.

[6]Burge J C.Gas turbine compressor spool with structural and thermalupgrades：US，6267553B1[P].2001.

[7]江和甫.對渦輪盤材料的需求及展望[J].燃氣渦輪試驗與研究，2002，15(4)：1—6.

[8]陸 山，李倫未.航空發動機高負荷渦輪盤雙輻板結構優化設計[J].推進技術，2011，32(5)：631—636.

[9]欒永先.雙輻板渦輪盤結構強度分析[J].航空發動機，2012，38(4)：38—41.

[10]欒永先.先進渦輪盤結構強度對比分析[J].航空發動機，2013，39(3)：41—45.

[11]陸 山，趙 磊.雙輻板渦輪盤/榫結構優化設計方法[J].航空動力學報，2014，29(4)：875—880.

[12]董少靜，申秀麗，康濱鵬，等.高推質比雙輻板渦輪盤結構研究及光彈試驗驗證[J].航空動力學報，2015，30(1)：114—120.

[13]丁水汀，陶 智，徐國強，等.旋轉盤腔冷卻問題的工程評價[J].航空動力學報，1999，14(1)：83—86.

[14]趙 熙，徐國強，羅 翔，等.等重量空心盤冷氣布置方案[J].北京航空航天大學學報，2009，35(5)：527—531.

[15]金 琰，郝艷華，黃致建.航空發動機雙輻板渦輪盤溫度場與應力場分析[J].鄭州輕工業學院學報，2015，30 (1)：81—84.

Flow and heat transfer for rotating cavity of tw in-web rotor disk

HAN Yu-qi，JIA Zhi-gang，LIU Hong，ZHU Da-ming
(Aero Engine Academy ofChina，Beijing 101304，China)

The three dimensionalmodelwas established with UG,the flow and heat transferwere simulated with CFX,the flow field and temperature field in typicalworking status of the rotating cavity for twin-web rotor disk were calculated and the conclusions of flow and heat transfer of rotating cavity were summarized. The results show that the flow structure in the rotating cavity is source-sink flow,total pressure and temper?ature of the cooling gas gradually increase along the radial direction;their increment increase with rotating speed and decrease with mass flow rate and heat transfer coefficient has different distributional features in different flow regions,which supports the furtheroptimized design of structure for twin-web rotor disk.

aero-engine；twin-web rotor disk；rotating cavity；cooling；flow；heat transfer；

V231.1；V232.3

A

1672-2620(2017)03-0048-05

2016-10-13；

2017-04-10

韓玉琪(1987-)，男，河南洛陽人，工程師，博士，主要研究方向為盤腔流動換熱。