李苑，向鑫，朱敬德，張周康

(1. 中國航發(fā)貴陽發(fā)動機設(shè)計研究所，貴州 貴陽 550081；2. 南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

隨著航空發(fā)動機的性能要求不斷提高，其渦輪前燃氣溫度也相應(yīng)越來越高[1-3]。而對于多轉(zhuǎn)子發(fā)動機而言，高導(dǎo)葉片作為承受高溫燃氣沖擊的首個部件，其結(jié)構(gòu)和性能對渦輪甚至整個發(fā)動機性能的影響都至關(guān)重要[4]。國內(nèi)在研的某型號中等推力發(fā)動機樣機在試驗中常發(fā)生導(dǎo)葉超溫問題。通過多次串裝部件，明確高導(dǎo)葉片是發(fā)動機超溫的主要影響因素，需對高導(dǎo)葉片進行優(yōu)化設(shè)計。該發(fā)動機高導(dǎo)葉片經(jīng)初步驗證后發(fā)現(xiàn)，其葉型和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上尚需深入考慮[5]。因此，有必要對高導(dǎo)葉片葉型及結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進設(shè)計。

國內(nèi)外已有一些學(xué)者針對導(dǎo)向器葉片優(yōu)化展開過相關(guān)研究。研究表明，導(dǎo)向器面積，特別是喉道面積對渦輪的性能影響很大[6]。工程應(yīng)用上，有通過改變?nèi)~片安裝角[7]、優(yōu)化端壁型線[8]、修整尾緣劈縫線型[9]等方法調(diào)整喉道面積，可使渦輪氣動性能滿足發(fā)動機調(diào)試的要求。但這些研究通常都忽略葉片受熱載荷和離心載荷的影響，而考慮這兩方面影響基礎(chǔ)上的工程實際優(yōu)化改進的文獻報道還比較少。

本文以某系列發(fā)動機高導(dǎo)葉片為研究對象，通過三維數(shù)值模擬手段，展開對高導(dǎo)葉片的流道高度和尾緣劈縫處修型厚度對渦輪性能的影響規(guī)律研究，旨在通過優(yōu)化高導(dǎo)葉片結(jié)構(gòu)來提高渦輪性能，從而解決發(fā)動機導(dǎo)葉超溫問題。在葉型的改進中，考慮了渦輪工作狀態(tài)的熱膨脹和離心力引起的流道幾何變形，即流道視為熱態(tài)，并在高、低渦葉片處考慮了徑向熱態(tài)伸長，使得研究結(jié)果更適合工程實際應(yīng)用。

1 數(shù)值計算方法

1.1 計算模型與網(wǎng)格劃分

本文優(yōu)化對象為某系列渦扇發(fā)動機渦輪高壓導(dǎo)向器，其三維實物及葉型如圖1所示。與該發(fā)動機原型樣機的高導(dǎo)葉片相比(測仿結(jié)果)，高導(dǎo)的設(shè)計狀態(tài)流道偏小，且尾緣劈縫距離B值(即劈縫外形線至葉片尾緣型線的距離)偏大，導(dǎo)致高導(dǎo)流道(機匣、輪轂及葉片形成的流道)的通流面積減少。經(jīng)測算，原型樣機通道喉道面積為142.5 cm2，設(shè)計狀態(tài)喉道面積為141.52 cm2。

圖1 高壓導(dǎo)向器設(shè)計圖狀態(tài)加工實物及葉型

采用商業(yè)軟件Ansys對該渦輪進行數(shù)值模擬研究。湍流模型用帶轉(zhuǎn)捩模型Gamma Theta的SST模型，對流項和湍流項離散格式為High Resolution，周期面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期，轉(zhuǎn)靜交接面為一般連接，數(shù)據(jù)傳遞為混合平面(周向平均)，下游速度設(shè)置為級平均速度。為更好地模擬高導(dǎo)的氣動性能，計算流域考慮了機匣熱變形和葉片熱變形估算結(jié)果：高壓渦輪受熱膨脹程度較大，間隙取0.6mm；低渦葉片受熱膨脹較小，間隙取0.4mm。其中高導(dǎo)葉片數(shù)29個，高渦葉片數(shù)82個，低導(dǎo)葉片數(shù)47個，低渦葉片數(shù)83個。建立兩級渦輪的單通道計算域，網(wǎng)格模型及整體計算域見圖2。所有網(wǎng)格均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性校驗后選取網(wǎng)格總數(shù)約為400萬，網(wǎng)格Y+均<1。

圖2 網(wǎng)格模型及計算域

1.2 邊界條件

進口給定總溫(1 486.3 K)和總壓(1 501.24 kPa)邊界條件，轉(zhuǎn)子域給定物理轉(zhuǎn)速(高壓渦輪18 209 r/min，低壓渦輪13 266 r/min)，出口給定靜壓(209.65 kPa)邊界條件。冷氣邊界位置位于各葉片葉身和緣板上的氣膜孔及尾緣劈縫以及轉(zhuǎn)靜子間的封嚴處。冷卻氣總壓與渦輪進口壓力相同，總溫為781 K。燃氣的動力黏度按Sutherlands公式給定，其中參考溫度為293.111 K，參考動力黏度為1.716×10-5Pa·s，Sutherlands數(shù)為110.555 K；熱傳導(dǎo)系數(shù)按Sutherlands公式給定，其中參考溫度273.16 K，參考熱傳導(dǎo)系數(shù)0.024 2 W/(m·K)， Sutherlands數(shù)為194 K。

2 流道高度優(yōu)化研究

2.1 渦輪性能對比

設(shè)計狀態(tài)比原型樣機的高導(dǎo)通流面積偏小約0.8%，這將導(dǎo)致渦輪氣動性能發(fā)生偏差。由數(shù)值模擬結(jié)果(表1)可知，設(shè)計高導(dǎo)狀態(tài)流量偏小約0.2 kg/s，高渦效率偏低約0.2%，低渦效率偏低約0.1%，高渦輸出功率偏小0.45%。設(shè)計圖狀態(tài)存在較大的性能優(yōu)化空間。

表1 不同模型對應(yīng)的渦輪性能參數(shù)

2.2 流道高度的影響

增加高導(dǎo)的通道(流道)高度不僅可增加高導(dǎo)的流通能力，還有利于減少損失。然而高導(dǎo)流道高度過大將使渦輪氣動偏離設(shè)計狀態(tài)，引起兩級渦輪氣動性能匹配問題。因此有必要分析流道高度對渦輪性能的影響。本文對高導(dǎo)的子午型線通過取整和增加機匣型線高度的方式，選取了3個不同流道高度進行數(shù)值模擬研究。其中高導(dǎo)的輪轂型線直徑統(tǒng)一取整為406mm，機匣型線直徑分別為468mm、468.25mm和468.5mm，即流道高度為31.00mm、31.25mm和31.50mm。流道高度每增加0.25mm，高導(dǎo)喉道面積增加約0.8%(約為設(shè)計圖樣與原型樣機的面積差)。

不同流道高度下的渦輪性能參數(shù)變化如圖3所示。由圖3(a)可知，隨著流道高度增加，高渦流量幾乎成正比增加，這說明當前高導(dǎo)工作狀態(tài)處于臨界(流量由高導(dǎo)喉道面積確定)，下游流場沒有出現(xiàn)臨界狀態(tài)，渦輪的通流能力由高導(dǎo)決定。然而高渦流量的增加不一定帶來渦輪整體能效的提高，過高的流量可能造成低壓渦輪工作狀態(tài)變化。從圖3(b)可知，隨著高導(dǎo)流道高度的增加，高渦效率亦小幅增加，這表明高導(dǎo)堵塞流動狀態(tài)得到略微改善；而低渦效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，過大的流量可能使得低渦氣動匹配變差，效率反而降低。綜合來看，在考慮熱膨脹和離心力引起的流道幾何變形后，適當增加流道高度將有效改善渦輪的流動狀態(tài)，使得渦輪性能得到提升，通流能力增加；而過多地增加流道高度將導(dǎo)致高低壓渦輪氣動匹配變差，使得低壓渦輪效率降低。對于本文研究對象，為獲得渦輪整體綜合性能最優(yōu)，應(yīng)增加流道高度1.6%(0.25mm)，流量增大1.55%，高渦效率提升0.09%，低渦效率提高0.05%。

圖3 不同流道高度高導(dǎo)下的渦輪性能參數(shù)變化

3 尾緣劈縫修型厚度的影響

3.1 尾緣劈縫修型優(yōu)化方法

尾緣劈縫型線見圖4。劈縫口是根據(jù)氣膜冷卻用氣量決定的，為確保導(dǎo)向器不會被高溫氣流燒蝕，其尺寸是固定的；劈縫外緣型線與尾緣葉型型線之間的距離B可以進行調(diào)整，會改變?nèi)~片壓力面的壓力分布，從而影響高導(dǎo)性能。此外，劈縫接近高導(dǎo)喉道位置，劈縫距離B過大可能使得劈縫位置通流面積小于原本喉道位置，從而造成渦輪喉道變化，影響氣動性能。另一方面，劈縫距離存在極限值，過小將造成葉片加工困難，工程難以實現(xiàn)。以設(shè)計圖狀態(tài)劈縫距離B為基準，選取不同修型距離(如圖4所示，修型0.19mm指劈縫距離比原距離B減小0.19mm)進行數(shù)值模擬計算，以獲得最優(yōu)尾緣劈縫修型，計算結(jié)果見表2，其中最大修型厚度為0.40mm，低于此修型厚度將造成葉片劈縫加工困難。

圖4 高導(dǎo)葉片尾緣劈縫修型示意圖

表2 壓力面尾緣氣膜劈縫修型

3.2 渦輪性能對比

不同高導(dǎo)劈縫處修型距離的渦輪性能如圖5所示。由圖可知，隨著修型距離的增加，高渦輸出功率略有上升，而流量呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢。這是因為劈縫的修型會使葉片表面壓力變化，改善喉道附近的流動，但過多的修型不會繼續(xù)增加流量，表明劈縫修型不影響喉道流動。從效率圖來看，高渦的效率隨著修型距離增加而上升，但低渦效率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，說明過多的劈縫修型不一定獲得渦輪綜合最優(yōu)的效果，應(yīng)考慮兩級渦輪氣動匹配問題，選擇最優(yōu)的劈縫修型距離。

圖5 不同高導(dǎo)劈縫處修型距離下的渦輪性能參數(shù)對比

根據(jù)高導(dǎo)葉型載荷分布(圖6)及高導(dǎo)中間截面馬赫數(shù)分布(圖7)可知，高導(dǎo)通道在尾緣氣膜冷卻的劈縫處附近先收縮后擴張，流動先膨脹加速，在壓力面形成較大逆壓區(qū)域，產(chǎn)生損失。修型距離0.19mm使得葉型自然光順時，逆壓區(qū)域仍較大；繼續(xù)修型可以明顯減小逆壓區(qū)域，改善當?shù)亓鲃忧闆r。最優(yōu)修型距離應(yīng)為0.40mm，即加工極限，性能將比原型樣機還要優(yōu)，然而此時兩級渦輪氣動匹配并非最優(yōu)狀態(tài)，且加工品質(zhì)不易把控。故最優(yōu)的修型距離可取0.30mm，此時高渦效率增加0.15%，功率增加0.3%。

圖6 不同修型距離下高導(dǎo)葉片50%葉高截面載荷分布

圖7 不同修型厚度下高導(dǎo)葉片50%葉高截面載荷分布

4 結(jié)語

在工程實際中，熱載荷和離心載荷將導(dǎo)致渦輪氣動性能出現(xiàn)偏差，應(yīng)通過進一步優(yōu)化手段改善渦輪氣動性能。本文通過數(shù)值模擬手段研究了渦輪高導(dǎo)葉片流道高度和尾緣劈縫修型距離對渦輪性能的影響規(guī)律，得到了以下結(jié)論。

1)考慮工程實踐狀態(tài)，可適當擴張流道尺寸以改善渦輪性能，緩解發(fā)動機超溫問題。流道擴張存在最優(yōu)的值，對于本文研究對象最佳的流道高度應(yīng)增加1.6%，此時可實現(xiàn)高導(dǎo)流量加大1.55%，高渦效率提高0.25%，高渦功率提升0.6%。

2)葉片冷卻孔的劈縫半徑可影響高導(dǎo)葉片通流能力，從而對渦輪性能產(chǎn)生影響。相對最佳修型方式為綜合考慮渦輪性能前提下，盡可能選取較小的劈縫距離。本文研究對象，最優(yōu)的修型距離為0.3mm，此時高渦效率增加0.15%，功率增加0.3%。