異型擾流-狹縫氣膜層板結構的冷卻特性分析

張強，吉洪湖，梁萌，朱強華

(1. 南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016；2. 南昌航空大學，江西 南昌 330063)

0 引言

航空發動機渦輪導向葉片直接受到高溫燃氣的沖擊，尤其是葉片前緣部位。渦輪葉片材料的耐高溫性能達不到現代高推重比發動機的需求，葉片高溫和葉片顫振[1]一樣對其壽命構成威脅，所以必須對渦輪導向葉片采用冷卻技術。

層板冷卻集沖擊冷卻、氣膜冷卻、對流換熱冷卻等多種冷卻方式于一體，結構復雜、冷卻效率優秀[2]。郭瑞[3]對渦輪導向葉片前緣整體采用層板冷卻結構，通過改變不同的流動參數和結構參數進行了對比研究。梁萌[4]提出了一種新型層板冷卻結構，并通過數值模擬方法對此結構進行了研究。研究結果顯示該結構取得了一定的冷卻效果，但其研究只考慮了氣動特性，沒有考慮傳熱。由于其結構特點，所需冷氣量較小，局部冷卻效果好，但對于大面積的燃燒室壁面其冷卻效果不如薛雙松[5]的多孔壁層板結構。本文對該層板結構進行改進，在擾流柱通道前方區域增設10個氣膜斜孔，使冷氣進口延伸至燃氣出口位置并且在其上方增加沖擊板與沖擊腔，旨在應用流固耦合傳熱特性于渦輪導向葉片前緣局部區域。其優點在于使得葉片內部冷氣腔小部分面積引出冷氣，可以冷卻葉片前緣外部較大部分區域。由于渦輪導向葉片前緣是弧形結構，其內部的層板結構也呈彎曲型結構。本文為了研究層板的基本特性，將彎曲層板結構拉成平板形狀進行研究。對9種不同結構參數的層板結構進行數值計算，得到了一種冷卻效果最優的層板結構。

1 物理模型

1.1 冷卻模型結構

層板結構中有一定形狀的擾流柱(共3種形狀，每個層板結構對應其中一種)，并且分為3列和4列兩種布置方法，狹縫出口有兩種角度。通過正交試驗合理分析，選出9種具有代表性的冷卻模型進行討論分析。先介紹9種模型中的一種，如圖1所示，然后給出其他8種模型的具體結構。

圖1 層板結構

層板前方設置10個氣膜斜孔，氣膜孔與x方向的夾角為30°且氣膜孔直徑均為0.7mm；沖擊孔A、B為層板內擾流柱通道進氣口，擾流柱通道出口為傾斜狹縫Slot-A、Slot-B。本文有3個不同形狀的擾流柱如圖2所示。

圖2 3種擾流柱形狀

每種擾流柱有3種尺寸。菱形擾流柱以圖3中兩條黑線之間夾角β的大小來衡量。擾流柱高度均為0.8mm。3個尺寸的菱形擾流柱具有相同的當量直徑D1=1.385mm。

圖3 菱形擾流柱角β的定義

圓形擾流柱的尺寸直徑是d，分別有d1=1.4mm、d2=1.2mm、d3=1.0mm。梅花形的尺寸以圖4中兩條黑色線之間夾角α的大小來衡量。

圖4 梅花形擾流柱角的定義

3個尺寸具有相同的當量直徑D2=1.246mm。3種不同尺寸擾流柱角α的大小分別為60°、45°和30°。所有尺寸梅花形擾流柱的四瓣圓形直徑均為0.7mm。

每種擾流柱有兩種排列方式。擾流柱排列分為3列和4列兩種方法，梅花形擾流柱兩種布置方式如圖1(b)所示。

本文為9種模型進行了統一編號。編號采取5位形式，每一位對應著一種因素及其水平數。第1位表示擾流柱形狀，有R、C和Q 3種，分別代表菱形、圓形和梅花形；第2位表示擾流柱尺寸，有B1、B2和B33個，其數值隨擾流柱形狀的改變而改變；第3位是擾流柱通道進氣口直徑，有I1、I2和I33個，分別對應1.2mm、1.5mm和1.8mm；第4位是擾流柱布置方式，含M4和M3兩種，分別代表4列和3列的擾流柱布置；第5位是冷氣出口傾斜角度，有O1和O2兩種，分別代表30°和45°。9種異型擾流層板-狹縫氣膜冷卻結構模型的編號如表1所列。

表1 異型擾流層板-狹縫氣膜冷卻結構模型編號

1.2 計算模型與邊界條件

計算模型如圖5所示，在層板結構上方構建矩形的燃氣通道，下方建立矩形的冷氣腔體和沖擊板、沖擊腔。該冷卻模型長L=40.5mm，W=21.6mm，，燃氣通道高為H1=5mm，層板結構H2=2.4mm，沖擊腔的高度H3=1mm，沖擊板的厚度為H4=0.2mm，冷氣腔體高H5=3mm。低溫氣體首先進入低溫腔體，氣流穿過小孔(沖擊板上)進入沖擊腔，一部分冷氣通過10個氣膜斜孔進入燃氣腔直接與高溫燃氣摻混；另一部分通過下層壁上的兩個進氣口A、B進入冷卻層板內部，隨后沿斜縫流出。

圖5 層板冷卻結構流動傳熱計算的計算域

邊界條件：

對于9個層板冷卻模型采用相同的邊界條件，設計狀態如下所述。

燃氣進口設為壓力進口：Pt=2 780.5kPa，燃氣進口總溫Tt=1 984K。

燃氣出口給定壓力出口條件：出口壓力Pt1=1 541kPa。

冷卻氣體進氣口給定壓力進口邊界條件：Pt2=2 959.4kPa，冷氣進口總溫Tt1=895K。

擾流柱通道壁面(含擾流柱表面、沖擊板外表面和氣膜板內壁面)、沖擊孔壁面均設為流固耦合壁面，其他壁面均為絕熱壁面。

1.3 控制方程

笛卡兒坐標系中，以張量形式表示的控制微分方程如下。

連續方程：

(1)

式中ui為時均速度。

動量方程：

i,j,k=1,2,3

(2)

式中：μeff是有效黏性系數，一般情況下是溫度的函數；ρ為流體密度；ui、uj為湍流的脈動速度。

能量方程：

(3)

導熱方程：

(4)

式中：Cwall為壁面材料的比熱容，Twall為壁面的溫度。

湍流計算按照SSTκ-ω模型。

1.4 網格劃分與網格獨立性驗證

9種結構模型采用混合網格劃分方法。圖6給出了網格圖。網格劃分時，在近壁區采用附面層網格，第一層網格距離壁面僅0.01mm，之后間距以比率1∶2增大。

圖6 層板冷卻結構網格劃分

對不同網格量模型兩個沖擊孔上表面中心連線的線上溫度分布進行分析，當網格量>370萬時溫度分布基本不變，本文9種模型網格量均>370萬。

1.5 結果分析截面

為了便于分析，將模型內部流動換熱細節作出兩個沿流向截面，如圖7所示。

圖7 冷卻結構的分析截面

流向截面Plane-A、Plane-B在模型中的橫向位置在沖擊孔A、B中心。

2 結果與討論

文中以其中的一個R-B1-I1-M4-O1模型為例進行詳細介紹，并給出各模型的參數對比和相應結論。

2.1 層板結構的流動傳熱分析

層板熱側表面壁溫分布情況如圖8所示。在擾流柱區域和狹縫出口下游局部區域溫度較低。

圖8 層板熱側表面壁溫

溫度云圖顯示從前往后溫度先降低再上升，斜孔出口和狹縫出口之間的復合冷卻區域以及狹縫出口處區域溫度相對較低，其對應的冷卻效率較高。其中狹縫出口溫度降低更加明顯，說明狹縫氣膜冷卻效果很好。

冷卻空氣從沖擊腔內通過沖擊孔進入擾流柱通道。Plane-A截面的壓力速度場分布云圖和相應的沖擊孔A區域的流場結構圖如圖9所示。Plane-B與之類似。

圖9 Plane-A截面壓力分布與沖擊孔A流場

冷氣從沖擊腔內沿進氣孔射入擾流柱冷卻通道，對擾流柱通道內上壁面局部區域有沖擊效果。冷氣隨后沿壁面向周圍流動，向斜孔方向流動的氣體在很小的范圍內形成渦旋結構。向擾流柱方向流動的冷氣先沿通道上壁面流動，碰到擾流柱后貼擾流柱壁面流動，到達擾流柱底部后又向沖擊孔方向流動，也形成了漩渦結構。

2.2 9種層板冷卻結構流動與傳熱特性對比

表2、表3中所列的壁面溫度均為最高值，冷卻效率為平均冷卻效率。

表2 9種層板冷卻結構流動傳熱特性

表3 9種層板冷卻結構流動傳熱特性續表

3 結語

9個模型綜合起來看，第1個模型總壓損失最高，第3個模型R-B3-I3-M4-O1總壓損失系數最小，僅為0.26,其各壁面壁溫相對于其他模型來說最低、換熱強度較高且平均冷卻效率最大。所以R-B3-I3-M4-O1模型冷卻效果最顯著。