雙輻板渦輪盤盤腔單向流固耦合分析

韓玉琪，賈志剛，劉 紅，朱大明

（中國航空發動機研究院，北京101304）

雙輻板渦輪盤盤腔單向流固耦合分析

韓玉琪，賈志剛，劉 紅，朱大明

（中國航空發動機研究院，北京101304）

為減輕質量、提高冷卻效率，針對下一代高推重比渦扇發動機高壓渦輪盤的優化設計，基于3維雙輻板渦輪盤模型進行單向流固耦合分析，通過定常流動換熱分析得到該結構盤腔中的流場、壓力場和溫度場分布，將盤腔表面壓力分布和盤體上的溫度分布作為載荷傳遞給盤體，對盤體進行應力分析得到應力場，從而建立起溫度場和應力場的直接關聯，總結出盤腔轉速是影響盤體最大等效應力的關鍵參數，為雙輻板渦輪盤的冷卻設計和結構優化提供了數據支撐。

雙輻板渦輪盤；旋轉盤腔；流動；換熱；單向流固耦合；航空發動機

0 引言

增大推重比，降低耗油率，提高可靠性是航空發動機研發的主要目標，對于燃氣渦輪發動機來說，提高渦輪前燃氣的溫度和增大壓氣機壓縮比是2種主要途徑。在工作過程中渦輪盤承受離心力載荷、熱應力載荷和輪盤外載荷，是典型的壽命限制件[1]。雙輻板渦輪盤是在美國高性能渦輪發動機技術（IHPTET）計劃下，針對下一代高推重比渦扇發動機的高壓渦輪盤設計的輕質量、高冷卻效率的新型結構，由2個對稱半盤通過焊接工藝加工而成，并在輪盤中心形成盤腔結構[2]。美國的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2個輻板在高轉速工況下盤心由于軸向變形而接觸，Benjamin[5]設計了1個盤轂尺寸較大的雙輻板渦輪盤；Joseph[6]申請了應用于高壓壓氣機最后1級輪盤的雙輻板輪盤專利；江和甫[7]認為雙輻板渦輪盤的技術關鍵是焊接工藝、冷卻設計、強度結構設計；陸山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，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[8]，并采用盤/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[9]；欒永先[10-11]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，并提出其未來的研制設想；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的質量比傳統渦輪盤的降低23.6%，通過3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；金琰[13]通過劃分各區域的換熱模型，計算了雙輻板渦輪盤的溫度分布，并通過間接熱-結構耦合計算出了盤體上的應力分布；付德斌[14]基于對航空發動機使用熱管理的思路，使用單向流固耦合方法研究了盤體溫度分布與應力水平的關聯性；丁水汀[15]推導給定變厚度渦輪盤內外緣加熱能量下渦輪盤的溫度分布與應力分布，從而建立起以能量轉移系數表示的渦輪盤能量、溫度及應力分布之間的直接關聯。

本文首先基于ICEM軟件對雙輻板渦輪盤的3維模型進行了高精度六面體網格劃分，然后基于CFX軟件對其進了流動換熱數值模擬，得到了流場、壓力場和溫度場的分布，進而將盤腔表面壓力分布和盤體上的溫度分布作為載荷傳遞給應力分析，基于ANSYS軟件對盤體進行應力分析得到應力分布，建立起溫度場和應力場的直接關聯，分析總結了流量和轉速對流動換熱和應力分布的影響規律。

1 物理模型與數值方法

在雙輻板渦輪盤模型中，2個輻板中間形成空腔，冷卻氣體由中心流入，沿徑向流出，沿盤緣均布了78個出氣孔。

由于該盤腔結構在周向具有周期對稱性，為了提高計算效率，截取包含1個出氣孔的扇段進行數值分析，所截取的扇段如圖1所示。基于ICEM軟件進行流體域和固體域的六面體網格剖分工作，如圖2所示，經過網格無關解驗證后，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，湍流模型選用SST2方程模型。流體入口處給定質量流量和靜溫為800 K，出口處給定靜壓為1.5 MPa，流固交界面上使用無滑移邊界條件，在周期面上使用周期對稱邊界條件；固體盤緣給定熱流密度為20000 W/m2，在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。有限元分析中在流體入口處的流固交界面給定法向零位移的約束。

在數值模擬中使用的氣體為理想氣體，定性溫度取入口氣流溫度，即800 K，參考壓力取1.5 MPa，固體區域材料選擇為鋼。本文對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進行了數值分析。這 6種入口冷氣流量分別為 0.078、0.117、0.156、，0.195、0.23、0.273 kg/s，對應的無量綱流量系數 Cw在104量 級 ；3 種 轉 速 分 別 為 10000、12000、14000 r/min，對應的無量綱旋轉雷諾數Rew在106～107量級，共計18種工況。

2 數值結果與分析

2.1 流動結構分析

在計算時各種工況下流動結構相似，以冷氣流量為0.195 kg/s、盤腔轉速為10000 r/min的工況為例來分析流動結構。對稱面上的流線分布如圖3所示，該圖清晰的展示了徑向內流旋轉盤腔的流動結構，流體由中心進入盤腔后，首先是源區，隨后逐漸被卷吸進入雙輻板內兩側的埃克曼層內，中間為核區，最后通過匯區流入出氣孔，呈現出典型的源-匯流動結構形式。

旋流系數定義為β=w/ωr， 其表征了流體切向速度與當地盤體旋轉速度的相對大小，中心線上旋流系數的分布情況如圖4所示。其中轉速為12000 r/min時不同流量工況下的變化情況如圖4（a）所示，流量為0.195 kg/s時不同轉速工況下的變化情況如圖4（b）所示。從圖中可見，在各種工況下旋流系數均處于0～1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0～1的增長階段，然后通過匯區進入出氣孔，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，隨著冷氣流量不斷增加，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；在相同冷氣流量條件下，觀察各圖中相同顏色的曲線可以發現，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。

2.2 總壓損失分析

2.3 溫度分布分析

以冷氣流量為0.195 kg/s、盤腔轉速為10000 r/min的工況為例來進行分析，該工況下對稱面上的溫度分布如圖6所示。從圖中可見，沿著半徑增大的方向，流體域和固體域的溫度都逐漸升高，溫度梯度也逐漸變大，盤緣處溫度達到最大值，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。不同工況下盤體的最高溫度值如圖7所示。在所計算的工況內，盤體最大溫差為63.7 K，最小溫差為30.5 K；在相同轉速情況下，隨著冷氣流量的增大，盤體最高溫度逐漸降低；在相同冷氣流量下，隨著旋轉速度的增大，盤體的最高溫度逐漸升高，這是由于冷氣在通過盤腔時受到摩擦和離心增壓作用，隨著轉速增大，輪盤對冷氣的做功量增加，氣體的溫度升高的更快，降低了冷氣的換熱效果，在盤緣熱流密度一定的邊界條件下，導致盤體溫度更高。

2.4 應力分析

冷氣流量為0.195 kg/s、盤腔轉速為10000 r/min的工況下計算得到的Von-Mises等效應力σ的分布如圖8所示，在不同工況下盤體上最大等效應力σ的對比如圖9所示。從圖中可見，最大等效應力255.52 MPa出現在輪盤輻板外側的中部，整個輻板的中間部分等效應力的值都比較大，盤心施加法向位移約束的地方出現了應力集中現象。隨著冷氣流量的增加，盤體最大等效應力減小；隨著盤腔轉速的提高，盤體最大等效應力顯著增大；輻板呈現出了向外側彎扭的趨勢，造成了離心應力遠大于熱應力的現象，也導致盤腔中平面處的應力較小，對于雙輻板渦輪盤來說，此處剛好為焊縫，這對于盤的結構強度是有利的。

3 結論

對雙輻板渦輪盤盤腔進行了單向流固耦合分析，初步總結了該盤腔結構中的流場、溫度場和應力場分布規律，建立了溫度場和應力場的直接關聯，結論如下：

（1）雙輻板渦輪盤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）由于受到離心增壓作用，流體出口的總壓大于進口的總壓，總壓差隨冷氣流量的增加而減小，隨旋轉速度的增加而增大。

（3）沿徑向輪盤的溫度逐漸升高，在盤緣處達到最大值，盤體最大溫度值隨冷氣流量的增加而減小，隨旋轉速度的增加而增大。

（4）等效應力最大值出現在輪盤輻板外側的中部，整個輻板的中間部分等效應力的值都比較大。隨著冷氣流量的增加，盤體最大等效應力減小；隨著盤腔轉速的提高，盤體最大等效應力顯著增大。對于本文中計算的工況來說，轉速對于最大等效應力的影響顯著大于溫度場的影響。

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Analysis on One Way Fluid-Structure Interaction of Rotating Cavity for Twin-Web Rotor Disk

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

In order to reduce the weight and improve the cooling efficiency of the next generation of high thrust to weight ratio turbofan engine,considering the high pressure turbine disk optimizing design,a one way fluid-structure interaction analysis was performed based on three dimensional model of twin-web rotor disk,and the flow field,pressure field and temperature field distribution were obtained by steady flow and heat transfer analysis.Then the pressure distribution of cavity surface and temperature distribution of structure were transferred to the disk,stress distribution was then obtained with finite element analysis,which established the direct correlation between temperature and stress.As a result,rotating speed is the key parameter to the max equivalent stress.Current research firmly supports the cooling design and structural optimization of twin-web rotor disk.

twin-web rotor disk;rotating cavity;flow;heat transfer;one way fluid-structure interaction;aeroengine

V 211.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.005

2016-11-15 基金項目：國防重點科研項目資助

韓玉琪（1987），男，博士，工程師，主要從事盤腔流動換熱研究工作；E-mail:hyqchyw@163.com。

韓玉琪，賈志剛，劉紅，等.雙輻板渦輪盤盤腔單向流固耦合分析[J].航空發動機，2017，43（3）：19-23.HAN Yuqi,JIA Zhigang,LIU Hong,et al.Analysis on one wayfluid-structure interaction ofrotatingcavityfor twin-web rotor disk[J].Aeroengine，2017，43（ 3）：19-23.

（編輯：張寶玲）