渦輪進口熱斑遷移特性研究

■ 馬薏文 朱江楠 苗輝 / 中國航發研究院

航空發動機燃燒室的出口氣流不均勻會造成渦輪入口處存在明顯的局部高溫現象。針對高溫熱斑開展精細化研究，明確其影響因素、遷移路徑以及在后方各級葉柵中的具體作用，提出降低熱斑消極影響的解決方案，可以從細節上進一步提升渦輪的總體效率。

在發動機中，因燃燒室自身結構、燃燒組織及冷卻機制的綜合作用，實際出口流場與溫度場往往存在明顯的周向和徑向溫度梯度，燃氣核心區溫度明顯高于周圍流體，局部的最高溫度可以達到最低溫度的兩倍左右, 接近甚至超過了金屬材料的熱屈服值，這種局部的高溫氣流被稱為熱斑，如圖 1所示。熱斑在進入高壓渦輪級后，冷熱氣流在流道中按不同的路徑發生遷移。同時，動靜葉排之間相對運動使高低溫流在葉排間產生遷移，給渦輪葉片帶來明顯的熱負荷分布不均勻現象。這種現象造成葉片表面局部過熱甚至燒蝕失效，極大地影響了葉片的可靠性和壽命，在轉子葉片壓力面上尤為顯著。

圖 1 渦輪入口處溫度場熱斑

熱斑的遷移特性

早在20世紀40年代，美國海軍軍械實驗室（US Navy Ordnance Laboratory）的蒙克等人就注意到渦輪進口附近存在局部高溫并進行了理論推導，認為由燃燒室出口溫度不均勻現象產生的熱斑不會對渦輪第一級靜子葉片流場造成影響，但對轉子葉片流場與溫度場的改變較為明顯。渦輪進口總壓分布的不均勻性會使靜子葉片柵流道中的流動形態發生一定的變化，并由壓力梯度產生二次流。此后，美國國家標準協會（American National Standard Institution）的蒂爾斯和國家航空航天局（NASA）的埃爾默等人分別通過對燃燒室內部溫度場與第一級渦輪葉柵通道溫度場進行測量，證實渦輪入口處溫度存在不均勻現象。在轉子葉片通道中，熱斑的遷移特性有冷熱氣流分離、時序效應、浮力以及二次流等4個主要誘因。

冷熱氣流分離

熱斑的存在以及渦輪級中冷卻氣流混合作用在主流中（在完全摻混前可視為獨立流動的多股冷熱氣流）有不同的遷移流動路徑。因而溫度相對較高的熱斑流在旋轉坐標系中的速度高于主流和其他低溫流體，且在流動過程中向著壓力面偏移，同時低溫流體傾向于在轉子葉片吸力面匯集，由此發生冷熱氣流分離。在冷熱氣流分離效應下，動力壓力面的熱負荷急劇增大，時均壓力面最高溫度可高于前緣最高溫度35%，冷熱流分離在燃氣輪機和火箭發動機渦輪泵轉子葉片中會導致高達100 ～240K的溫差。另一方面，在有導向葉片尾縫冷氣和渦輪入口熱斑同時作用的轉子葉片表面，這兩股氣流會匯集在不同位置上，不能用來彼此中和。

圖 2 轉靜干擾導致靜子葉片出流角波動與轉子葉片通道流場變化

時序效應

時序效應的影響是出自于渦輪級中動靜交界面處，熱斑的周向位置在動靜葉排間的非定常干涉環境中會隨著轉子葉片旋轉頻率而呈現不斷地擺動（見圖 2），在1個轉動周期內的擺動幅度可以達到20%葉柵節距。在有熱斑存在的情況下，即使很小的轉靜干涉也會造成很可觀的溫度變化，普惠公司的研究人員利用簡單徑向平衡方程數值模擬的方法對熱斑在渦輪轉子葉片上的熱負荷進行了定性與定量研究，發現在導向葉片出流角±3°內波動時，轉子葉片排入口周向時均溫度變化甚至會達到100K，可想而知，更大的轉靜干涉會引發更強烈的溫度變化。

一方面，從渦輪葉片幾何布置來看，轉子葉片溫度場會隨轉子葉片和靜子葉片數量比變化，為了降低熱斑時序效應的影響，選取最優轉子葉片和靜子葉片數量比十分必要，可以最大程度地降低熱斑對渦輪轉子葉片造成的熱負荷。如圖 3所示，導向葉片與轉子葉片數量之比為3∶5時轉子葉片表面有最低程度的溫度不均勻性，是最優的轉子葉片和靜子葉片數量比。在多個熱斑作用的情況下，英國杜倫大學的研究人員用多葉片排三維黏性非定常數值計算程序研究了一個跨聲速渦輪中的熱斑通道數比(進口熱斑數目與渦輪導向葉片數目之比)效應，并發現不同通道數比下，轉子葉片熱負荷對熱斑時序位置變化的敏感程度不同，其中當通道數比為1∶1時，轉子葉片熱負荷對熱斑時序位置的變化較敏感，但當通道數比為1∶4時，轉子葉片熱負荷幾乎不因熱斑時序位置的變化而變化。

圖 3 轉子葉片溫度場隨轉子葉片和靜子葉片數量比變化[1]

另一方面，熱斑引入的周向徑向位置差異也會造成時序效應的不同表現。從周向位置看，熱斑對靜子葉片完全無沖擊時，轉子葉片壓力面上有明顯的熱流聚集，熱流的徑向遷移也十分明顯；而熱斑對靜子葉片完全直接沖擊時，在大部分葉高上的轉子葉片壓力面與吸力面的溫度分布高度一致且較為均勻。更為重要的是，熱流很少由壓力面葉尖泄漏到吸力面區域，有效降低了局部高溫燒蝕的風險。總之，進口熱斑在正對第一級導向葉片前緣時可以有效地降低轉子葉片和第二級導向葉片的熱負荷，但也付出了第一級導向葉片熱負荷增加的代價，在熱斑完全沖擊第一級靜子葉片時，熱斑熱流與靜子葉片尾跡混合后作用在轉子葉片上的熱負荷明顯更小。第二級導向葉片上溫度場與第一級轉子葉片表現基本有相同趨勢，但由于熱流已與主流對流摻混，溫度變化更小。從徑向位置看，隨著熱斑徑向位置的升高，轉子葉片區域里輪轂的熱負荷逐漸降低，機匣的熱負荷逐漸升高。熱斑在完全正對沖擊第一級靜子葉片下半部分（偏葉根方向）區域時有相對較輕的負面影響，如圖 4可見最優和最差熱斑沖擊方案下的瞬時溫度場對比。

圖 4 最優和最差熱斑位置方案下的瞬時溫度場對比[2]

浮力影響

熱斑在轉子葉片流道中受到浮力影響會產生向輪轂方向的遷移。從局部來看，熱斑的遷移特性受浮力影響很明顯，浮力推動高溫流體向輪轂位置偏移，使溫度局部不均勻地升高，這種偏移的程度與熱斑溫度線性正相關，與流動系數的平方負相關。

二次流影響

熱斑會改變轉子葉片進口處溫度壓力以及速度場的分布，并由此產生相應的附加二次流，如圖 5所示。附加二次流會增強轉子葉片壓力面側高溫流體的徑向遷移，使得遷移至轉子葉片壓力面附近的高溫流體逐漸向上下端壁擴散，而在吸力面上附加二次流對高溫流體徑向遷移的影響相對較小。

圖 5 轉子葉片壁面絕熱溫度分布[3]

熱斑流動參數的影響

由于熱斑源于燃燒室運行工況以及變化，所引起的熱斑形狀、旋流、溫比、個數等特性參數的變化對熱斑非定常遷移以及渦輪熱負荷分布有一定影響。目前，大多數的熱斑研究都以單個圓形熱斑為對象，而實際燃燒室出口的熱斑形態、大小、個數等特性往往是不盡相同的。

橢圓形的熱斑由于與周圍氣流接觸面積更大，導致其熱斑徑向摻混比周向摻混強烈。另外，熱斑截面積較小時，轉子葉片平均溫度受熱斑溫比和形狀的影響較小。熱斑截面積較大時，因轉子葉片輪轂二次流的影響，會產生額外的高溫區。熱斑的溫比在不同工況下差異很大，對下游渦輪部件的溫度載荷分布造成直接影響，轉子葉片壓力面附近會產生間歇性的流動分離，致使熱斑與轉子葉片壁面之間出現一薄層低溫流體，溫比增加，則流動分離的產生頻率增加。在采用強旋流燃燒器時，帶熱斑的旋流會引起葉片表面熱負荷的顯著增加，高壓靜子葉片局部甚至會增達200%之高。

葉柵結構對熱斑遷移的影響

葉柵彎扭、非軸對稱端壁和葉頂間隙等葉柵結構對熱斑遷移的影響已經成為關注重點。通過控制靜子葉片出口流場來調整熱斑在轉子葉片中的遷移是削弱熱斑產生高熱負荷區域的有效方法，葉柵彎扭等結構能夠顯著改變靜子葉片出口流場分布，降低葉柵氣動損失。圖 6所示的正彎葉型可以顯著削弱熱斑向轉子葉片壓力面的徑向遷移，使轉子葉片壓力面和葉頂熱負荷顯著降低。葉頂間隙泄漏流動也對熱斑的徑向遷移有很大影響，葉頂間隙會增強熱斑向轉子葉片壁面的遷移，使轉子葉片壁面時均溫度增加。使用非軸對稱端壁產生的附加二次流可以有效削弱二次流損失，但對轉子葉片壁面靜溫的影響很小，最大變化約為1%。另外，由時序效應影響可知，改變葉片數(或節距)對熱斑遷移規律和轉子葉片壁面熱負荷影響很顯著。導向葉片數較多時，轉子葉片表面溫度越低，原因是導向葉片數較多時，熱斑流會被分配至各導向葉片通道，轉子葉片表面溫度因而降低，而轉子葉片則存在能使轉子葉片壁面時均熱負荷最低的最優數量。

圖 6 渦輪靜子葉片原始葉型與正彎葉型

冷卻氣流對熱斑遷移的影響

對于渦輪入口處溫度場畸變的影響，熱斑特性參數和葉型結構的合理選擇可在一定程度上削弱熱斑產生的高熱負荷區域，目前可行性最高且應用較多的方法是采用先進的氣膜冷卻技術。對比其他冷卻方法來說，氣膜冷卻結構效率更高，對冷卻氣流速度的限制更少，便于有針對性地減小熱斑負面影響。

氣膜冷卻對熱斑的削弱作用在不同位置差異很大，前緣冷卻氣流主要削弱了輪轂區域高溫區，壓力面冷氣對熱斑的影響甚微，在吸力面上的氣膜幾乎可以完全消除熱斑影響。

熱斑遷移效應影響因素及控制方法

深入研究渦輪葉柵進口熱斑遷移特性及其主要影響因素，有助于制定更為合理的渦輪葉片冷卻方案，從而提高渦輪的效率、可靠性及壽命，其意義對于航空發動機性能的優化不言而喻。目前針對熱斑遷移效應已進行了一定的研究，主要有以下幾個方面。

首先，在第一、二級渦輪中，熱斑的遷移特性主要由冷熱氣流分離、時序效應、二次流和浮力4個現象控制，主要在導向葉片前緣和第一級轉子葉片的壓力面以及葉頂、輪轂附近產生較高的熱負荷，熱斑高溫流體主要向轉子葉片壓力面遷移，而低溫流體向轉子葉片吸力面側匯集。

其次，在燃燒室中，可對熱斑特性參數（合理布置燃燒室冷氣摻混）和燃燒室旋流方向（增大負攻角）進行控制。在渦輪中，調節葉型結構（正彎葉型）和氣膜孔位置（動葉吸力面）能夠在一定程度上削弱熱斑產生的高熱負荷區域。

第三，對于熱斑遷移對渦輪的影響可從3個角度進行優化：一是從前側部件，即燃燒室進行控制，減小熱斑溫比、數量、形狀大小，減少旋流，控制其周向、徑向位置；二是在保障葉片性能的前提下對葉片結構進行調整，綜合考慮轉子葉片和靜子葉片數量比、葉柵彎扭、非軸對稱端壁和葉頂間隙；三是充分利用現有較成熟的冷卻手段，直接有效地針對熱斑作用顯著區域增加氣膜等結構，實現從前端到終端再到附加結構三位一體的考量，統一協作調整，以降低熱斑對渦輪性能的影響。

結束語

目前關于熱斑的研究大多還比較簡單，主要通過數值模擬對少量影響因素進行定常分析，較難在真實工況中系統應用其結果。因此，關于熱斑的研究還有許多值得深入探討和挖掘的內容，在未來葉柵優化設計過程中，應該將葉柵氣熱性能的綜合提升作為設計目標，在非定常的研究中尤其應該加大力度，研究熱斑和冷卻氣流對于渦輪性能的綜合影響。