轉(zhuǎn)/靜干涉對渦輪動葉氣膜冷卻的影響

付斌，史家偉，黃康才

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)渦輪內(nèi)部流場具有復(fù)雜的非定常特性，包括轉(zhuǎn)/靜干涉、分離流、二次流、冷氣流、熱斑等。其中轉(zhuǎn)/靜干涉會導(dǎo)致氣冷渦輪動葉前緣壓力、溫度、速度均有較大波動，對前緣氣膜孔出流產(chǎn)生巨大影響。在發(fā)動機(jī)長試中，渦輪動葉前緣常常發(fā)生氧化燒蝕現(xiàn)象，影響渦輪葉片的壽命及可靠性。因此，研究渦輪轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理及其對動葉前緣氣膜孔出流的影響意義重大。

國內(nèi)外學(xué)者一直致力于渦輪轉(zhuǎn)靜間非定常流動機(jī)理的研究。DOORLY D J等[1]用轉(zhuǎn)動的圓棒模擬導(dǎo)向葉片的尾緣激波和尾跡, 發(fā)現(xiàn)激波直接打在葉片表面對換熱的影響不大。SMITH A C等[2]通過研究非定常激波對氣冷渦輪葉片冷氣出流的影響，發(fā)現(xiàn)由于葉片總引氣量一定，激波減小了葉片吸力面的冷氣量，而使得壓力面的冷氣量相應(yīng)增加。HEIDMANN J[3]計(jì)算結(jié)果表明，尾跡的非定常掃掠使壓力面的展向氣膜冷卻有效溫比降低，主要原因是尾跡使冷卻氣流脫離壁面，加劇冷卻氣流和主流的摻混程度。KORAKIANITIS T[4]的研究表明對于無激波的中等負(fù)荷渦輪，決定尾跡干涉或勢干涉占主導(dǎo)地位的主要參數(shù)是靜子、轉(zhuǎn)子的節(jié)距比。周莉等[5]發(fā)現(xiàn)尾跡寬度增大，使葉片表面氣膜冷卻效率降低的程度增加，尾跡對壓力面冷卻效果的影響大于吸力面，對動葉的周期性非定常影響主要表現(xiàn)在前緣附近。李虹楊等[6]的研究發(fā)現(xiàn)勢干涉通過影響主流流場，能很大程度地改變下游葉片的入射角，且對氣膜孔的冷卻射流有非常大的影響。王宇峰等[7]研究跨聲速渦輪級葉型，發(fā)現(xiàn)靜葉尾緣外伸波的掃掠會導(dǎo)致動葉表面氣膜的周期性分離，顯著降低葉片表面氣膜冷卻效率。而動葉壓力面前緣附近的冷氣噴射主要受到靜葉尾跡的影響，尾緣外伸波對其影響不明顯。周勇等[8]發(fā)現(xiàn)冷卻氣流在激波和尾跡經(jīng)過時, 會發(fā)生上揚(yáng)和重新被壓制回壁面的現(xiàn)象。

目前，對非定常流動機(jī)理多為初步定性研究，且對轉(zhuǎn)/靜干涉影響氣膜出流的相關(guān)研究較少。本文通過非定常數(shù)值模擬的方法對某典型跨聲速渦輪進(jìn)行轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理的量化研究，分析轉(zhuǎn)/靜干涉對動葉前緣氣膜出流的影響，探索動葉前緣臨界逆流裕度的影響因素。

1 方法

1.1 幾何模型和網(wǎng)格

為研究跨聲速渦輪轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理及其對動葉前緣氣膜孔出流的影響，以某典型跨聲速渦輪為研究對象，導(dǎo)葉葉片數(shù)為42，動葉葉片數(shù)為66。轉(zhuǎn)靜子葉片數(shù)比例為7∶11，故不需要進(jìn)行葉形縮放。截取中截面位置2 mm厚度的薄片作為無冷卻渦輪模型，而有冷卻渦輪模型則在此基礎(chǔ)上增加動葉前緣氣膜孔和冷氣腔結(jié)構(gòu)，氣膜孔位置如圖1所示。常規(guī)非定常計(jì)算模型包含7個導(dǎo)葉通道和11個動葉通道，有冷卻渦輪模型、計(jì)算網(wǎng)格圖2所示。

圖1 動葉前緣不同位置的氣膜孔

1.2 計(jì)算設(shè)置

給定進(jìn)口總溫、總壓、氣流方向、出口靜壓和轉(zhuǎn)速，工質(zhì)為指定燃?xì)猓唤o定通道周向最外側(cè)為周期性邊界，上下流道面為滑移壁面，葉片表面為無滑移壁面。設(shè)置氣膜孔冷卻腔進(jìn)口類型為開放式進(jìn)口，尋找氣膜孔出口流量恒大于0的臨界腔壓。基于商用ANSYS-CFX軟件，采用常規(guī)非定常計(jì)算方法，設(shè)置計(jì)算總步數(shù)為420步，監(jiān)控單個氣膜孔出流流量的收斂情況，算例在220步之后冷氣流量呈周期性變化，判定計(jì)算收斂，如圖3所示。

圖3 氣膜孔出流流量的收斂情況

1.3 參數(shù)定義

將本文重要參數(shù)——?dú)饽た啄媪髟６榷x為葉片內(nèi)部冷卻腔的平均相對總壓與氣膜孔時均背壓的比值。工程上常用氣膜孔的逆流裕度來表征氣膜孔抵抗燃?xì)獾构嗟哪芰ΑＥR界逆流裕度定義為保證氣膜孔持續(xù)出流(冷氣流量恒大于0)的最小逆流裕度值。本文壓力的當(dāng)量參數(shù)取動葉進(jìn)口截面的平均相對總壓。

2 結(jié)果及分析

2.1 渦輪級間轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理

1)轉(zhuǎn)/靜干涉對動葉表面壓力的影響

圖4為動葉葉片表面的壓力分布(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)，包括非定常壓力、定常壓力以及非定常時均壓力分布。橫坐標(biāo)代表相對于動葉軸向弦長的位置，0～100代表葉盆側(cè)，0～-100代表葉背側(cè)。可以看出定常計(jì)算的壓力分布曲線與非定常時均結(jié)果較為接近，動葉前緣吸力側(cè)區(qū)域壓力波動最大。

圖4 動葉葉片表面壓力分布

動葉葉片表面壓力波動的相對值如圖5所示，相對波動量最大的兩個位置分別為動葉前緣至吸力側(cè)20%軸向弦長區(qū)域(壓力波動46%)和吸力側(cè)75%～80%軸向弦長區(qū)域(壓力波動40%)，正好對應(yīng)動葉表面受激波干涉的兩個區(qū)域，如圖6(a)所示。顯然，跨聲速渦輪中影響動葉表面壓力波動的最大因素為激波干涉。

圖5 動葉葉片表面壓力波動分布

圖6 轉(zhuǎn)靜間激波干涉、尾跡干涉示意圖

圖7為動葉表面壓力時空圖，縱坐標(biāo)為兩個導(dǎo)葉周期，可以明顯看到導(dǎo)葉尾跡和尾緣激波對動葉的作用時間不一致，尾跡作用于葉片前緣及吸力面部分區(qū)域，造成壓力減小約14%，尾緣激波作用于動葉前緣及前緣吸力側(cè)區(qū)域造成壓力突增約32%，同時，波后形成的高壓區(qū)會使動葉壓力面表面壓力升高。

圖7 動葉表面壓力時空圖

2)轉(zhuǎn)/靜干涉對導(dǎo)葉表面壓力的影響

不同于上游導(dǎo)葉對下游動葉的非定常影響，下游動葉對上游導(dǎo)葉只存在勢干涉。在跨聲速渦輪級中，由于導(dǎo)葉尾緣右伸激波打在相鄰導(dǎo)葉的吸力面上，導(dǎo)致下游動葉對上游導(dǎo)葉的勢干涉無法影響到導(dǎo)葉喉部前流場。如圖8所示，可以認(rèn)為導(dǎo)葉吸力面75%～100%軸向弦長區(qū)域存在的壓力波動完全是由下游動葉對上游導(dǎo)葉的勢干涉引起。由圖9可以看出下游動葉對上游導(dǎo)葉的勢干涉導(dǎo)致的相對壓力波動為2%～8%。

圖8 導(dǎo)葉葉片表面壓力分布

圖9 導(dǎo)葉葉片表面壓力波動分布

此外，還可以觀察到導(dǎo)葉吸力面75%～100%軸向弦長區(qū)域壓力分布的定常結(jié)果與非定常時結(jié)果均相差較大。這主要是由于定常模型中轉(zhuǎn)靜交界面算法導(dǎo)致的流場失真，不能模擬真實(shí)流場中動葉對導(dǎo)葉的勢干涉影響。

3)轉(zhuǎn)/靜干涉對動葉進(jìn)口氣流角的影響

動葉前緣上游某監(jiān)控點(diǎn)速度方向與軸向夾角隨時間的變化曲線如圖10所示，動葉進(jìn)口氣流角一直存在小范圍波動，但當(dāng)導(dǎo)葉尾緣外伸激波掃掠至監(jiān)控點(diǎn)位置，氣流角突降13°。進(jìn)一步分析監(jiān)控點(diǎn)軸向速度和周向速度隨時間的變化曲線，如圖11所示，發(fā)現(xiàn)氣流角突降的主要原因?yàn)橹芟蛩俣劝l(fā)生突降。

圖10 動葉進(jìn)口氣流角變化

圖11 監(jiān)控點(diǎn)軸向速度與周向速度變化

動葉進(jìn)口氣流角的變化導(dǎo)致動葉前緣滯止點(diǎn)位置的擺動，圖12為動葉前緣滯止點(diǎn)相對軸向弦長位置隨時間的變化曲線，前緣滯止點(diǎn)在動葉壓力面上的擺動范圍為4.56%～7.81%軸向弦長。

圖12 動葉前緣滯止點(diǎn)相對軸向弦長變化

2.2 轉(zhuǎn)/靜干涉對氣膜出流的影響

圖13-圖15展示了不同冷氣腔壓下動葉前緣氣膜孔流量變化，可以看出前緣偏壓力側(cè)氣膜孔的無量綱臨界腔壓為1.00，前緣點(diǎn)氣膜孔為0.99，前緣偏吸力側(cè)氣膜孔為0.91。隨著氣膜孔位置向吸力側(cè)移動，壓力波動幅值逐漸增大，氣膜孔流量波動幅值相應(yīng)增大，提升冷氣腔壓對氣膜孔流量的提升越不明顯。

圖13 前緣偏壓力側(cè)氣膜孔流量變化

圖14 前緣點(diǎn)氣膜孔流量變化

圖15 前緣偏吸力側(cè)氣膜孔流量變化

進(jìn)口氣流角的改變導(dǎo)致動葉攻角的改變，進(jìn)而導(dǎo)致前緣滯止點(diǎn)的前后擺動。當(dāng)氣膜孔位于滯止點(diǎn)擺動范圍之內(nèi)時，氣膜孔出流方向發(fā)生改變，圖16展示了前緣偏壓力側(cè)氣膜孔的出流變化情況。

圖16 前緣偏壓力側(cè)氣膜孔出流情況

2.3 動葉前緣氣膜孔臨界逆流裕度的影響因素

表1 氣膜冷卻逆流裕度與氣膜孔背壓波動的關(guān)系

下面對動葉表面不同位置氣膜孔臨界逆流裕度進(jìn)行初步預(yù)測。動葉表面相對峰值壓力與氣膜冷卻臨界逆流裕度分布如圖17所示。動葉表面氣膜孔臨界逆流裕度的最大值在前緣偏吸力側(cè)位置，但由于該位置氣膜孔時均壓力較低，所以對腔壓的要求不高。

圖17 動葉表面相對峰值壓力與氣膜冷卻臨界逆流裕度分布

圖18展示了冷氣腔臨界腔壓分布，可以看出對動葉冷氣壓力要求最高的位置仍然是動葉前緣及前緣偏壓力側(cè)區(qū)域。

圖18 冷氣腔臨界腔壓分布

3 結(jié)語

本文對某典型跨聲速渦輪進(jìn)行轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理的量化研究，分析轉(zhuǎn)/靜干涉對動葉前緣氣膜出流的影響。得出如下結(jié)論。

1)導(dǎo)葉尾緣外伸激波引起動葉前緣至吸力側(cè)20%軸向弦長位置表面壓力突增，表面壓力波動最高可達(dá)32%。導(dǎo)葉尾跡主要影響動葉前緣及吸力面區(qū)域，使表面壓力下降約14%，對氣膜出流有較大影響。勢干涉只能影響導(dǎo)葉喉部后流場，造成導(dǎo)葉表面最高8%的壓力波動。

2)受激波干涉的影響，動葉進(jìn)口氣流角存在13°的變化幅值，導(dǎo)致動葉攻角的變化和前緣滯止點(diǎn)的擺動，動葉前緣滯止點(diǎn)擺動范圍為4.56%～7.81%軸向弦長，進(jìn)而導(dǎo)致前緣滯止點(diǎn)擺動范圍內(nèi)的氣膜孔出流方向發(fā)生改變。

3)動葉前緣氣膜孔的臨界逆流裕度與出口相對峰值壓力存在一個穩(wěn)定比值為0.98，對葉片冷氣壓力要求最高的位置仍然是動葉前緣及前緣壓力側(cè)區(qū)域。