渦輪葉片冷卻結構設計與試驗方法簡析

■ 李亞忠 魏寬 苗輝 / 中國航發研究院

對于推重比高達20:1的航空發動機，提升以渦輪葉片為主的熱端部件的耐高溫性能的需求十分迫切，先進的渦輪葉片冷卻結構設計與試驗方法則是提高渦輪前溫度的重要保障。

傳統的典型渦輪葉片冷卻結構主要包含前緣的沖擊和氣膜冷卻結構、尾緣的擾流柱和劈縫冷卻結構，以及中弦區域氣膜冷卻和帶擾流肋的通道冷卻結構等（如圖1所示）。然而，隨著渦輪前溫度的不斷提升，通過典型冷卻結構的簡單組合的設計已經不能滿足冷卻的需求，優化設計已勢在必行。由于渦輪葉片冷卻結構設計是一個綜合了氣動、傳熱、結構、強度、可靠性等多學科的復雜問題，所以設計過程中不僅需要先進的方法和流程，相關的配套試驗也同樣不可或缺。

圖1 現代渦輪葉片典型冷卻結構

圖2 渦輪葉片冷卻結構傳統設計流程

渦輪葉片冷卻結構設計

渦輪葉片冷卻結構的設計是依據渦輪葉片的工作環境、設計壽命以及降溫需求等為基礎，在渦輪葉片各位置采用合理的冷卻方式來實現最佳冷卻效果，同時滿足壽命、強度以及耐高溫的要求。

傳統設計方法和流程

渦輪葉片冷卻結構的傳統設計主要分為方案設計和詳細設計兩個階段。在方案設計階段是初步確定渦輪葉片冷卻結構并進行初步熱分析，初步熱分析通常采用S1流面流動以及換熱計算，基于經驗公式的管網計算以及二維導熱計算相結合，實現對葉片二維溫度場的預測。在詳細設計階段則是根據渦輪葉片冷效試驗結果進行改進設計（設計流程如圖2所示）。目前，渦輪葉片冷卻設計都是結合實際情況對上述渦輪葉片設計步驟進行改良的過程。

新型設計方法和流程

隨著數值仿真技術的發展和計算能力的提升，設計人員更多地借助數值方法提高渦輪葉片冷卻結構設計的可靠性并縮短設計周期。例如，哈爾濱工業大學的渦輪葉片設計團隊結合冷卻結構參數化建模技術、傳統的管網計算方法與新興的全三維氣熱耦合數值模擬技術，提出了一套新的渦輪葉片冷卻結構設計方法和流程，并編寫了相關的設計程序與計算程序（如圖3所示）。在初步設計階段，設計人員根據氣冷葉片的氣動參數和葉型特征，參考以往的氣冷葉片設計結果，選擇多種形式的初步冷卻結構。在方案設計與詳細設計環節，冷卻結構幾何設計采用參數化設計方法，即冷卻結構可以通過調整若干控制參數快速生成，從而實現高效率的葉片冷卻結構設計。由于熱分析采用了管網計算方法和三維計算方法，因此參數化設計能夠實現向管網計算程序與三維建模程序快速而準確地傳遞計算模型數據。通過多次迭代，形成最終的滿足條件的冷卻結構設計。

圖3 渦輪葉片冷卻結構設計流程

渦輪葉片冷卻結構設計方法的發展

從渦輪葉片冷卻結構設計發展趨勢來看，傳統冷卻結構設計在初步設計階段為了節省計算資源，并快速篩選出較好的冷卻結構，通常采用S1流面流動與換熱計算、管網計算、二維導熱計算等計算量較小的方法進行葉片的初步熱分析。在篩選的基礎上進行冷效試驗，根據試驗結果改進設計方案，獲得最終的冷卻結構設計。

由于渦輪葉片冷卻結構的設計涉及到氣動、傳熱、結構、強度、可靠性等多學科，為了更加準確地了解冷卻結構的可靠性，需要綜合多學科進行分析，所以隨著三維數值模擬方法和計算資源的發展，在渦輪葉片冷卻結構詳細熱分析階段引入三維多學科耦合仿真技術以及部件一體化耦合仿真計算，對渦輪葉片冷卻結構進行詳細的熱分析，獲取更多信息，使得渦輪葉片冷卻結構的設計更加可靠，同時能極大地縮短設計周期。

渦輪葉片冷卻試驗

渦輪葉片冷卻試驗貫穿整個渦輪葉片設計周期，不同冷卻試驗可以對不同設計階段的設計結果進行驗證和修正，同時可以指導葉片冷卻結構的設計優化，主要包括研究性試驗、綜合冷效試驗以及整機試驗。

研究性試驗

研究性試驗是渦輪葉片初步設計時的主要試驗，用于驗證和改進冷卻設計過程中試驗的計算程序和設計方法，如外部換熱計算程序、管網計算方法，也可以驗證不同冷卻結構的冷卻效率，發展新型高效的冷卻結構以及挖掘相關冷卻機理。渦輪葉片冷卻研究性試驗主要包括：內帶肋通道流動換熱特性試驗、葉片氣膜冷卻試驗、沖擊冷卻試驗和一些部件級試驗。

內部帶肋通道流動換熱特性試驗可以用來驗證帶肋通道冷卻結構的綜合換熱效率。內部帶肋通道的對流強化換熱主要用于葉片的中弦區域，在該區域內部通道壁面的吸力側和壓力側布置擾流肋，起到強化換熱的目的。研究表明，帶肋通道冷卻效果的影響因素包括肋的形狀和角度、通道形狀、肋間距與肋高比、通道堵塞比和雷諾數等。在研究內部帶肋通道冷卻過程中通常需要結合換熱特性和流動特性來進行綜合評估冷卻效果。因此在試驗過程中需要采集相關流動參數以及換熱參數，目前的溫度數據采集技術包括溫度采集的熱電偶、示溫漆、紅外熱像儀和熱敏液晶等方式，而流動參數的測量技術則包括熱線測速、激光多普勒測速技術（LDV）和粒子圖像測速技術(PIV)等。帶肋通道的試驗臺則可以根據葉片狀態分為靜止臺和旋轉臺，分別模擬渦輪葉片靜子和轉子的內部冷卻結構（如圖4所示）。

渦輪葉片的沖擊冷卻主要用于熱負荷比較大的區域，比如渦輪葉片的前緣區域、冷卻氣流通過葉片內部隔板上的小孔沖擊葉片的內表面，以達到強化換熱的目的。最初的沖擊冷卻試驗是針對光滑的沖擊靶板，但隨著冷卻能力要求的逐年提高，近年來球窩/球凸、柱肋等擾流結構也逐漸用于沖擊靶板的強化換熱。例如斯圖加特大學的沖擊冷卻試驗臺（如圖5所示），其的射流空氣溫度由熱電偶測量得到，而目標板表面的溫度測量則采用瞬態液晶技術。

氣膜冷卻是溫度較低的冷卻氣體從渦輪葉片內部通過氣膜孔流出之后，再在渦輪葉片和高溫燃氣之間形成一層冷卻氣膜，避免了燃燒室出來的高溫燃氣直接接觸渦輪葉片表面。氣膜冷卻的主要影響因素有氣膜孔形狀、氣膜孔射流角度、氣膜吹風比和密度比等。氣膜冷卻試驗臺主要包含試驗件、供氣系統和測量系統，其中供氣系統包含主流氣路（高溫氣體）和氣膜氣路（氮氣或二氧化碳），試驗過程中通常采用熱電偶、瞬態液晶測溫技術、壓力敏感漆技術、紅外熱像測量技術等。

圖4 靜止帶肋直通道換熱試驗臺示意

圖5 斯圖加特大學沖擊冷卻試驗臺示意

綜合冷效試驗

研究性試驗往往通過簡化的冷卻結構和邊界條件，快速地獲得主要結構參數和流動參數對于換熱效率的影響，而綜合冷效試驗往往將真實渦輪葉片置于高溫高壓工況下，通過長時間運行來檢驗渦輪葉片的冷卻設計的可靠性，是渦輪葉片冷卻設計過程中最重要的一環。綜合冷效試驗過程的主要測量參數有燃氣和冷氣流量、溫度、壓力和葉片表面溫度，其中葉片表面溫度用金屬套管熱電偶或示溫漆測量。目前，中國航發動力所和渦輪院都建有綜合冷效試驗臺，其試驗主流氣體通過兩級電加熱和兩級燃燒室加溫，最終可達1300K，葉片表面溫度主要通過埋入葉片表面的微型熱電偶測得。

整機試驗

航空發動機整機試驗是試驗驗證發動機性能和可靠性的主要試驗。對于渦輪葉片來說、整機試驗不僅考核渦輪葉片冷卻性能，同時也需要考核其供氣系統的可靠性以及發動機其他各部件的匹配性能。相比研究性試驗和綜合冷卻試驗，整機試驗下的渦輪葉片的工作環境以及冷卻氣路系統都更加接近真實環境。

渦輪葉片冷卻試驗的發展

對于渦輪葉片冷卻試驗的發展，一方面是需要更先進的測量技術，目前溫度測量已經從點測量發展到非接觸式表面溫度場的測量，如壓力敏感漆技術、瞬態熱敏液晶技術和穩態熱敏液晶技術等，但是其測量精度仍有待提高；另一方面則需要繼續提高冷卻結構的試驗條件，高溫高壓高流量的試驗條件仍是迫切需求。

結束語

相比傳統的設計方法和流程，渦輪葉片設計中參數化建模技術和全三維氣熱耦合數值模擬技術的應用，將有效地提升設計可靠性并縮短設計周期。渦輪葉片冷卻試驗對冷卻結構冷卻效率和冷卻機理的探索，以及設計方法的檢驗和評估都有著至關重要的作用。隨著渦輪前溫度的進一步提升，高工況的試驗條件的模擬以及參數測量技術將是未來試驗發展的重要方向。