不同前緣氣膜冷氣流下某渦輪葉柵流場分析

王瀚藝，羅 立，魏永超

（1.中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川 廣漢 618300；2.中國民用航空飛行學院科研處，四川 廣漢 618300）

1 引言

隨著航空發動機推力的不斷提高，航空發動機渦輪前溫度逐漸增大，已超過渦輪葉片材料承受極限?，F階段在增大渦輪葉片材料耐熱性能的同時，相適應的冷卻技術也被引入。渦輪葉片前緣采用氣膜冷卻進行隔熱保護，而氣冷會引入不同于來流方向的低溫氣流，加之前緣結構復雜，氣流摻混現象很常見，并伴有能量損耗。因此，對前緣氣冷條件下渦輪葉柵流場的分析是十分有必要的。

目前對氣膜冷卻工況下流場的研究主要有實驗研究及數值模擬兩種方法。文獻[1-3]團隊使用實驗測量方法研究了在不同交叉流雷諾數、不同氣膜孔形狀、不同激波及馬赫數的工況下氣膜冷卻效率和流場的變化情況。文獻[4]著重于氣膜孔不同的安裝位置以及安裝角度對流場帶來影響的研究，以盡可能小的總壓損失來優化氣膜冷卻性能。文獻[5]研究了超音速工況下不同冷氣入射條件對流場帶來的影響。

放眼國內，文獻[6-7]應用周期性邊界條件的數值模擬研究了高壓渦輪轉子在不同轉速下以及扇形氣膜孔條件下的葉柵流場，文獻[8-11]研究了不同孔型、不同吹風比等條件下冷卻效率的變化；文獻[12]對改進后的姊妹氣膜孔進行數值模擬分析，提高了冷卻效率?？偟膩碚f，國內外研究者著重于不同工況下渦輪葉片整體的冷卻狀況，這里著重于研究高壓渦輪轉子葉片前緣區域，更加詳細精準地研究了不同氣膜冷卻氣流量對葉柵流場的影響情況。

為研究前緣氣冷對某航空發動機渦輪葉片葉柵流場的影響，采用數值模擬的方法，結合NUMECA等相關軟件，對某型發動機渦輪葉片進行建模仿真，研究在引入前緣氣膜冷卻后與無氣冷工況下流場的變化，得到了渦輪葉片葉柵速度場、溫度場、總壓等信息，并在不同冷氣流量工況下關注速度、溫度、總壓等參數的變化，得到不同冷氣流、不同吹風比工況之下冷卻效率的變化，最終得到氣冷技術的加入對流場影響的規律。

2 前緣氣冷的引入對葉柵流場影響分析

2.1 渦輪葉片建模及NUMECA計算

采用Aachen模型作為葉片原型進行模型建立及計算分析，研究對象選取某級渦輪葉片靜子和相鄰轉子。為了模擬前緣氣冷工況，需在葉片轉子上添加氣膜孔以及內部腔體作為冷氣運輸通道。葉片模型相關參數，如表1所示。通過材料參數設置、網格劃分等操作，能夠得到葉片模型及網格圖，如圖1～圖3 所示。其中，劃分的網格數約為700萬個。

表1 葉片模型相關參數Tab.1 Blade Model Coefficients

圖1 渦輪葉片模型示意圖Fig.1 Turbine Blade Model

圖2 引入前緣氣冷后渦輪葉片網格示意圖Fig.2 Turbine Blade Mesh with Leading Edge Film Cooling

圖3 網格報告圖Fig.3 Mesh Report

2.2 引入前緣氣冷工況下渦輪葉柵流場分析

通過NUMECA 軟件中FINE TURBO 模塊對模型進行計算，對流動介質、流動模型的初始參數、邊界條件等進行設置；并通過CFVIEW模塊進行后處理，得到在有前緣氣膜冷卻參與的工況下渦輪葉柵流場相關結果圖，如圖4所示。

圖4 速度流場圖Fig.4 Velocity Field

圖4給出了在加入前緣氣膜冷卻工況下某級渦輪葉片轉子和靜子的速度流場。從圖4中可以看出，葉片轉子前緣區域流速明顯比周圍區域流速大。這是由于氣冷的引入，從前緣氣膜孔腔體中會以較大速度噴射出溫度較低的冷氣進入主流，從而引起轉子前緣流速的增大，并加劇了流體的混亂程度。

相同工況下，渦輪葉片轉子吸力面上方三倍氣膜孔孔徑處的速度曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，流場速度有很明顯的先增大后減小的過程，這與圖4給出的流場圖相符，流速在前緣區域增大的影響都是由加入了前緣氣冷導致的。

圖5 速度曲線圖（吸力面上方三倍孔徑處）Fig.5 Velocity Curve（3 Times of Diameter Above Suction Side）

關注氣膜冷卻的效果，加入渦輪葉片轉子前緣區域靜溫圖，如圖6所示。從圖中可以看出，在加入一排氣膜孔的工況下，葉片表面形成明顯低于周圍高溫燃氣溫度的均勻氣膜，對工作中的葉片表面起到了降溫和隔絕的作用。從葉片吸力面角度看，吸力面上溫度圖，如圖7所示。可以看出葉片表面，尤其是靠近氣膜孔附近區域溫度分布情況明顯得到改善，氣冷的引入避免了渦輪葉片直接面對來流的高溫，確保了葉片在高溫工況下能夠順利工作。

圖6 氣膜示意圖 Fig.6 Diagram of the Film

圖7 靜溫圖（吸力面）Fig.7 Static Temperature（Suction Side）

加入氣膜冷卻環境前后不同位置渦輪葉柵的總壓，如圖8所示。其中，d表示所研究流場的總長度，x表示研究區域的任一所處位置?？倝后w現整個流域能量的損耗，從圖8可以看出，加入前緣氣冷造成一定的能量損失，因此流場總壓有了比較明顯的下降，直至流場經過葉片尾緣。

圖8 渦輪葉柵總壓（吸力面）Fig.8 Turbine Cascade Total Pressure（Suction Side）

3 不同冷氣流對葉柵流場影響分析

其余工況保持一致，考慮射入不同流量的冷卻氣體，分別在正常環境下增加或減少相應比例氣流從而研究對應的渦輪葉片葉柵流場，得到結果如下。引入不同流量冷卻氣體時葉柵靜溫圖，如圖9所示。從而可以得到葉片表面氣膜形成差別。從圖9得知，氣膜形成的范圍隨著引入冷氣流量的增大而相應變廣。氣膜冷卻的效果與冷氣流量的大小成正相關。

圖9 不同冷氣流量下氣膜圖Fig.9 Films with Different Cooling Air Quantities

考慮葉片前緣氣膜孔附近區域，引入不同流量冷卻氣體時速度流場圖，如圖10所示。從圖10中可以知道，前緣氣膜冷卻的引入造成了葉片氣膜孔附近區域流場的混亂，劇烈程度與射出的冷氣流量成正相關。隨著冷氣流量的不斷增大，前緣冷氣摻混流體由緊貼葉片表面逐漸向遠離表面發展，使得冷卻氣膜與葉片壁面脫離，冷氣流量越大，氣膜脫離發生部位越靠前，冷氣摻混流體與葉片表面的間隙也隨著冷氣流量的增大而呈現變大的趨勢。

圖10 不同冷氣流量下前緣速度場Fig.10 Magnitude of V with Different Cooling Air Quantities

關注渦輪葉片吸力面上面三倍孔徑處的流速，不同冷氣流下該區域的流速分布圖，如圖11 所示。從圖11 中可以看出，不同的冷氣流工況下，整體流速都呈現先增大后減小的變化趨勢，冷氣流量越大，氣膜孔附近區域流速會更大，而如前分析，冷氣量大伴隨氣膜分離位置提前，因此整體流速更快到達最大值且沿著壁面下降更快；冷氣流越小，分離位置靠后，整體流速增大減小變化更緩慢。

圖11 不同冷氣流下速度圖（三倍孔徑處）Fig.11 Velocity Curves with Different Cooling Air Quantities

關注渦輪葉片吸力面，不同冷氣流下葉片吸力面上氣流溫度分布，如圖12所示。通過圖12可以得出相同結論。冷氣流量較低時，吸力面被冷氣覆蓋的區域面積較小，溫度較高，而隨著冷氣流量的逐漸增大，覆蓋區域略微擴大，溫度降低明顯，冷卻效果增強。

圖12 不同冷氣流量下吸力面靜溫圖Fig.12 Static Temperature with Different Cooling Air Quantities

關注加入前緣氣膜冷卻后葉柵能量損失。不同入射冷氣流量工況下渦輪葉片總壓恢復系數和總壓損失系數，如表2、圖13所示。從圖表中可以看出，伴隨冷氣流的逐漸增大，渦輪葉片總壓恢復系數同樣由0.6744 逐漸增加至0.6746，增幅0.03%；相反地，渦輪葉片總壓損失系數由0.3256 逐漸降低至0.3254，降幅0.06%。兩個表征能量損失的系數隨著冷氣流的不斷變化，其差值在0.0002之內，增降幅度不超過0.1%，工程角度上說，相差可以忽略不計，這是由于入射的冷氣流量雖然不斷改變，但是相對于來流較小，局部流場的改變沒有導致總壓恢復系數發生本質變化。同時，不同流量下渦輪葉片進口和出口總壓分布，隨著入射冷氣流的增大，進口、出口總壓均呈現正相關趨勢，如圖14所示。

表2 不同工況下渦輪葉片總壓恢復系數和總壓損失系數Tab.2 Distribution of Total Pressure Coefficients

圖13 不同冷氣流下總壓系數圖Fig.13 Total Pressure Coefficients with Different Cooling Air Quantities

圖14 不同冷氣流下總壓圖Fig.14 Total Pressures with Different Cooling Air Quantities

關注不同工況下的冷卻效率。不同吹風比、不同冷氣流量下渦輪葉片氣膜孔下游區域的平均冷卻效率，如圖15、圖16所示。橫坐標x/d表示氣膜孔下游距離與氣膜孔徑的比值，縱坐標為冷卻效率。從圖中可以看出，在各種吹風比工況之下（M=0.15和M=1.5），隨著下游距離與氣膜孔徑比值的增大，渦輪葉片冷卻效率均呈現減小趨勢。同一吹風比工況下，隨著冷氣流量的減小，冷卻效率呈現遞減趨勢，冷氣流量越小，冷卻效率的下降幅度也在增大，這與冷氣流能夠覆蓋的葉片區域相關，冷氣流量越大，其所能覆蓋的面積越大，冷卻效率也相應增大。在靠近氣膜孔區域，同一吹風比工況下，效率還有先增大后減小的趨勢，這與冷卻形成的葉片表面氣膜有關，氣膜在孔下游附近會脫離壁面，導致主流氣體與冷氣流摻混程度加劇，從而引起冷卻效率的降低，而遠離該脫離區域之后，冷卻效率的下降呈現明顯減緩趨勢。加入的冷氣流量越大，摻混區域越靠近氣膜孔。關注氣膜孔下游同一位置，隨著吹風比的增大，其冷卻效率呈現下降趨勢。吹風比大，不同冷氣流下冷卻效率的變化更為集中。

圖15 不同流量下葉片平均冷卻效率（M=0.5）Fig.15 Cooling Efficiency（M=0.5）

圖16 不同流量下葉片平均冷卻效率（M=1.5）Fig.16 Cooling Efficiency（M=1.5）

4 結論

利用NUMECA軟件，采用數值模擬的方法研究了某渦輪葉片前緣引入氣膜冷卻對葉柵流場帶來的影響，改變入射冷氣流量，對不同工況下溫度、流速、總壓以及平均冷卻效率等方面進行分析，得出如下結論：

（1）前緣氣膜冷卻的引入，葉片吸力面上氣膜孔下游區域形成一層低溫氣膜，使葉片與高溫來流隔絕，起到保護作用；由于冷氣的引入也與來流形成摻混現象導致氣膜孔附近區域流場混亂。

（2）前緣氣膜冷卻的引入會帶來能量損失，冷氣流量越大，總壓恢復系數增大，總壓損失系數減小，但增減幅度均在0.1%以內，可以認為，入射的冷氣流量雖然不斷改變，但是相對于來流較小，局部流場的改變沒有導致總壓恢復系數發生本質變化。

（3）加入前緣氣冷工況下，吸力面上方三倍孔徑處流場呈現先增大后減小趨勢，冷氣流量增大，氣膜與葉片壁面分離位置提前，整體流速更快到達最大值且沿著壁面下降更快。反之，冷氣流越小，分離位置靠后，整體流速增大減小變化更緩慢。

（4）渦輪葉片冷卻效率隨著氣膜孔下游距離與氣膜孔徑比值的增大而呈現逐漸減小的趨勢，冷氣流量減小，冷卻效率降低，效率下降幅度增大；氣膜孔下游同一位置，隨著吹風比的增大，其冷卻效率呈現下降趨勢。吹風比大，不同冷氣流下冷卻效率的變化更為集中。