某轉子葉片內部結構優化設計

鄧麗君 孫瑞嘉 余毅

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

作為承受高溫、高壓、高速旋轉的熱端零部件，小型渦輪轉子冷卻葉片涉及到渦輪空氣動力學、流體力學、傳熱學、機械動力學、材料學等多學科，設計工作由氣動、冷卻、結構及強度等多專業迭代優化完成，其技術復雜程度和設計難度非常高。

隨著航空發動機功率與熱效率的不斷提高，要求渦輪轉子的進口溫度（RIT）不斷增高，因此渦輪葉片內部需要高度復雜的冷卻[1]；但是對于復雜冷卻通道的葉片內腔容易出現分離、回流（滯止），從而會引起某些局部冷卻失效，并且導致發動機工作期間的某些部位金屬溫度熱點[2]，嚴重時會引起發動機故障。

文獻[2]中指出新型設計的轉子葉片冷卻通道內的復雜流動特性分析需要通過模擬試驗，即用水流流動顯示試驗來證明冷卻通道的設計是否可行，其目的就是在保證冷氣流量的前提下最大程度地減少葉片轉折區域的回流（滯止）。鑒于目前國內研制轉子葉片的實際情況，加工不同方案的轉子葉片模型也是一個費時、耗資的過程，本文選擇對轉子葉片內腔的流動情況進行數值模擬與優化。

1.問題描述

某轉子葉片內腔初始設計結構如圖1。采用CFD軟件對轉子葉片內部結構進行流場數值模擬可以發現：第三腔縱向隔板后存在渦流區，具體位置見圖2。由于第三腔存在較大的低速渦流區，需要進行設計修改，最大程度地減少渦流區域，消除局部熱點提高冷卻效果。

圖1 轉子葉片內腔結構

圖2 葉片內腔流場

2.內部結構優化設計

2.1 內部結構改進方案

圖3為兩種典型的先進氣冷轉子葉片冷卻結構內腔結構示意圖。圖中1與2分別是各冷氣腔隔板頭，3均是連接段，對比發現隔板頭直徑大小不同，可以推測這些隔板頭直徑的變化與連接段曲率的變化均是為了消除流體在葉片轉折區域的回流而設計，因此，本文在選擇該葉片第三腔的初始設計結構為方案1的基礎上，對初始設計的第三腔隔板頭直徑、連接段曲率進行優化設計，建立以下修改設計方案：將隔板頭直頭直徑不變但連接段曲率減小作為方案2；隔板頭直頭直徑變為原來兩倍且連接段曲率減小作為方案3；隔板頭直頭直徑變為原來三倍且連接段曲率減小作為方案4。

圖3 典型轉子內腔結構

2.2 數值模擬與優選

2.2.1 計算模型

由于三維轉子葉片內部結構模型復雜，網格劃分處理與數值模擬比較困難，并耗時太長，所以將修改方案集中在簡化二維模型的分析上，初始設計結構方案及修改方案簡化模型示意圖均如圖4，修改方案只是在隔板頭直徑與連接段曲率有所變化。

圖4 模型示意圖

2.2.2 數值方法及邊界條件

計算采用Fluent[3]商用軟件，湍流模型選取標準k—ε模型，數值離散采用二階迎風格式，算法為SIMPLE，收斂殘差小于1×e-6，且考慮流體粘性熱。在進行數值模擬時進口邊界條件總壓為0.57MPa、總溫823K，出口靜壓0.4MPa、回流總溫1200K，繞x軸旋轉，轉速為45000r/min。

2.2.3 結果分析與優選

首先將方案1簡化為二維模型，然后進行數值計算，其二維流場如圖5。對比圖5中的方案一與圖2可以發現：在第三腔隔板后基本相同的位置都存在較大的渦流區域，可以說明第三腔二維簡化計算模型的流場與三維模擬流場有很大的相似性；只是二維流場渦流區域比三維流場的渦流區域小些，其原因是簡化的二維模型與真實的三維模型本身的結構有所不同，且二維模型計算中入口條件與三維模型第三腔入口的真實條件有差別。基于方案1二維模型與三維模型數值結果的相似性，因此將三維結構簡化為二維結構進行工程分析具有合理性和可靠性，并且能夠提高工作效率，加快設計進程。

圖5 方案1～4流場示意圖

由圖5方案一與方案二對比可知：數值結果顯示方案二隔板頭右邊的渦流區位置比方案一渦流區域有一定量減少，渦流區域位置有所下降，原因是在方案二中如果以隔板頭為參照，連接段曲率均下降，從而造成氣流外擴，形成緩沖，渦流區域下移并減少；同時方案二比方案一進出口流量增加約30%（見表1）。

表1 內腔計算進出口流量與幾何結構參數

分析圖5中的方案三與方案四可以得到：方案三與方案一、二相比，隔板右邊的渦流區明顯減小，流場也更加均勻，原因是方案三與方案二相比當隔板頭直徑變為兩倍時，相對于固定的連接段形成擴張區域，同時流量比方案一增加37%（見表1）；方案四中當隔板頭直徑變為三倍時，右邊的渦流區域幾乎消失，但是流量比方案一只增加24%（見表1），相對于方案三有所下降；說明當隔板頭直徑由二倍增加至三倍時，隔板頭增大引起顯著的節流效應，造成節流后氣體壓力下降（見圖6）。

圖6 方案1～4壓力云圖

從以上分析與文中提供的壓力場圖，可以認為在設計條件下方案三即第三種改進方案的壓力分布高、流量最大、渦流區域較小。壓力分布高可以增強尾緣孔的流動，有利于提高尾緣換熱；流量最大說明在進出口截面不變時第三腔流速加快，可以增大內腔換熱系數，有利于葉片內外換熱。因此，在本文給定的條件下，綜合比較認為方案三即第三種改進方案為較優的二維改進方案。

2.3 優選方案三維數值模擬驗證

根據二維方案的優選結果將葉片第三腔結構進行調整即第三腔隔板頭直徑變為兩倍，連接段曲率降低，如圖7。

圖7 調整后內腔結構

在保證與原結構進出口邊界條件相同的前提下，采用CFD軟件對優選后的三維內腔模型進行數值模擬，結果如圖8，與圖2相比第三腔流場的渦流區域比原結構明顯減少，從而說明該改進方案能夠在一定程度上消除第三腔轉折區域的回流，該優選方案合理，驗證了簡化二維模型分析的工程合理性。

圖8 調整后內腔三維流場

3.結語

本文在對某初始設計葉片第三腔結構的優化設計過程中進行了兩個階段的分析工作：一是合理簡化建立正確的二維結構模型，進行分析和對比尖部折轉區域的流動情況選出較優方案；二是將選出較優方案進行更為準確的三維數值分析并驗證二維分析的正確性。這種分析方法為獲得較優的設計結構提供了有效手段，并對今后轉子葉片內腔結構設計有一定的參考價值。