改型前后高壓工作葉片冷卻特性分析

□ 郭曉玲 □ 張江偉 □ 李 斌 □ 邵 莉

中國航發西安航空發動機有限公司 西安 710021

1 分析背景

航空發動機高壓工作葉片溫度場的準確計算對葉片冷卻設計而言,具有非常重要的意義,一方面可以為葉片冷卻方式的選擇和冷氣用量的分配提供依據與評價,另一方面能夠為葉片安全、可靠工作提供保證。筆者對某型航空發動機高壓工作葉片改型前后結構的溫度場進行對比計算,內容主要包括葉片外換熱計算、葉片內換熱計算、葉片壁面溫度計算,由此進行冷卻特性分析。

葉片外換熱計算包括燃氣的流動狀況計算、葉片外表面的換熱系數計算,以及在有氣膜冷卻情況下的換熱系數修正和燃氣溫度修正。葉片內換熱計算包括經過葉片內冷通道的冷氣流量、流動損失、冷氣溫升,以及與內表面間的換熱系數等參數的計算。在葉片外換熱計算和葉片內換熱計算的基礎上計算葉片壁面溫度場,為強度計算和壽命分析提供溫度場數據。

2 計算方法

應用Fluent軟件進行航空發動機高壓工作葉片氣動熱力計算,得到葉片型面靜壓和馬赫數分布。將計算得到的馬赫數分布作為已知條件,應用二維邊界層計算程序計算葉片外換熱系數。根據葉片外換熱計算和葉片內換熱計算得到的葉片外部燃氣與內部冷氣溫度,結合對流換熱系數,計算出整個葉片的溫度分布。上述三部分計算互為邊界條件,互相影響,計算流程如圖1所示,最終計算結果收斂的條件是相鄰兩次迭代計算的壁溫溫差足夠小。

3 計算模型

為驗證航空發動機高壓工作葉片葉冠、進氣孔及內冷通道對葉片冷卻效果的影響,筆者對原型葉片進行優化改型。改型后葉片與原型葉片相比,有三處結構變動:① 葉冠改為鋸齒形結構;② 葉根處的進氣孔位置上移,進氣孔形狀也有所改變;③ 前緣內冷通道和中弦通道的面積有所改動。改型前后葉片結構對比如圖2所示。

4 原型葉片分析

4.1 外換熱計算

對原型葉片進行外換熱計算,得到葉片通道內的靜壓分布,如圖3所示,相應的葉片型面靜壓和馬赫數分布如圖4所示。原型葉片燃氣側外換熱系數分布規律如圖5所示。

▲圖1 計算流程

▲圖2 改型前后葉片結構對比

▲圖3 原型葉片通道內靜壓分布

4.2 內換熱計算

葉片內部冷氣從葉根進入,分流至前緣、中弦、尾緣的三個通道,最后從葉尖排出。

根據葉片內換熱計算,得到原型葉片前緣通道的換熱系數為3 629～4 446 W/(m2·K),尾緣通道的換熱系數為3 232～4 355 W/(m2·K),中弦通道的換熱系數為1 314～1 762 W/(m2·K)。

▲圖4 原型葉片型面靜壓和馬赫數分布

▲圖5 原型葉片燃氣側外換熱系數分布規律

4.3 壁面溫度計算

原型葉片壁面溫度計算結果顯示,前緣和尾緣的溫度均偏高,最高溫度出現在尾緣接近葉根位置,最低溫度出現在前緣通道的入口位置。原型葉片的平均溫度為1 173.18 K,最大溫差達到276 K,綜合冷卻效率為0.373。

5 改型葉片分析

5.1 外換熱計算

改型葉片的外型線與改型前相同,沿葉高三個截面的表面壓力、馬赫數分布、外換熱系數均與原型葉片相同。

5.2 內換熱計算

通過內換熱計算,得到改型葉片前緣通道的換熱系數為3 282～3 669 W/(m2·K),尾緣通道的換熱系數為2 680～3 506 W/(m2·K),中弦通道的換熱系數為1 409～1 826 W/(m2·K)。

5.3 壁面溫度計算

改型葉片壁面溫度分布結果顯示,最高溫度出現在尾緣附近位置,前緣溫度也較高。從溫度場計算結果可以看出,改型葉片壁面最高溫度為1 327 K,最低溫度為1 000.4 K,最大溫差為327 K,平均溫度為1 167.8 K,綜合冷卻效率為0.381。

6 葉片溫度分布對比

6.1 壁面溫度

從原型與改型葉片溫度分布計算結果可以看出,原型葉片與改型葉片最低溫度都出現在前緣內腔,改型葉片最低溫度有所降低。原因有兩個,一個是改型后前緣通道流通面積有所擴大,另一個是改型后榫頭部位進氣孔位置有所提高。

改型葉片最高溫度仍出現在尾緣區域,但最高溫度有所上升。主要原因是改型后前緣通道增大,吸引了更多的冷卻氣體流入前緣通道。

6.2 葉冠溫度

相鄰葉片葉冠之間有縫隙存在,縫隙內部可能有高溫氣流通過,這種情況對葉冠有加熱作用。特別是鋸齒形葉冠長邊縫隙在尖部更接近葉身,對葉片受熱有更大的影響。改型前后葉片葉冠溫度分布對比如圖6所示。

▲圖6 改型前后葉片葉冠溫度分布對比

6.3 榫頭溫度

改型前后葉片榫頭溫度分布對比如圖7所示。由7圖可以看出,改型后進氣孔上移,加強了對榫頭上部的冷卻,同時榫頭下部溫度則有所提高。總體而言,榫頭上部,特別是進氣孔附近區域的溫度梯度有減小的趨勢。

7 結論

筆者針對某航空發動機高壓工作葉片進行優化改型,對改型前后葉片的冷卻特性進行了分析,主要得到以下結論:

(1)改型葉片前腔、中腔的結構提高了葉片前部、中部區域的冷卻效果,降低了尾部冷卻效果;

▲圖7 改型前后葉片榫頭溫度分布對比

(2)改型對葉片葉冠壁面溫度分布的影響較小;

(3)改型葉片榫頭沿高度方向的溫度梯度有減小的趨勢。