某型发动机涡轮转子叶片冷却数值模拟分析

本文针对某型发动机涡轮转子叶片冷却通道内部的挡板下移和肋化通道的增加，利用Fluent商业软件的数值仿真技术对涡轮转子叶片改型后的冷却效果进行预估，并与原始叶片的冷却效果进行比较。通过数值仿真技术的运用，分析了改进叶片的温度分布、叶片温度变化的最大区域及温度变化范围，为叶片改型设计提供理论依据。

1 前言

某型发动机转子叶片在试验过程中，由于强度问题导致叶冠损伤，出于对结构强度方面的考虑，转子叶片在结构上进行了较大的改动，这直接影响了叶片内部冷却通道的布局，对叶片的冷却效果产生了影响。为了详细说明叶片通道的变化对叶片表面温度分布的影响程度，本文对改进的叶片结构和原始叶片结构分别进行了数值仿真冷却效果计算，并把计算结果和原始设计计算结果相比较，分析结构改进后叶片的冷却效果。

2 物理模型及简化

由于结构的改变，使叶片冷却通道主要有以下变化。首先叶片冷却通道内部下缘挡板向根部移动15mm，冷却肋化通道增加2条；其次，由于挡板的下移导致冷却通道内，后部冷却通道进气口的面积变小；最后，改型后由于叶冠不存在，顶部的3个出气孔也将去除。

根据原始结构以及针对所要进行改进结构的考虑，本文对叶片的数值仿真模型做如下简化处理：

a.去除转子叶片的榫根及叶冠，只画转子叶片的叶身部分；

b.去除叶冠顶部的3 个出气孔，此时的冷却空气量为0.71％的总冷却空气量；

c.把冷却进气孔的面积等效为方孔，面积为97.94mm2。

改进后的叶片结构简化与原始结构简化基本一致，另外针对改进后的叶片还进行了简化：不考虑挡板下移引起通道面积减小的影响。

本计算采用了三维的k-ε模型，旋转转速为3000rpm，进口冷却空气流量为总空气流量的0.71%(0.0293kg/s)，冷却气体温度为633K，主流道内燃气温度为1175K。

3 叶片的冷却效果分析

为了确定冷却空气对改进结构冷却效果的影响，本文主要分析和比较了改进结构和原始结构的冷却通道内部的温度分布和叶片表面的温度分布，另外本文还对改进叶片中径截面的温度分布与原始结构计算的结果进行了比较分析。

3.1 冷却通路内部的冷却空气温度分布

图2、图3分别给出了改进结构和原始结构叶片内部冷却空气流路叶背的温度分布图；从温度云图中可以看出，改进结构和原始结构的温度分布形式基本一致，各个云区内的温度值也基本一致，在温度云图中不能区分两者之间的温度差别，这初步说明结构的改变使冷却气流的升温不大于30K，因此对冷却气流的影响程度不大。

为了进一步说明结构改动对冷却气流的影响，本文对原始结构和改进结构的特征温度进行分析（如表1所示）。表1给出了原始结构和改进结构冷却气流的平均温度值、最低温度值和尾缘劈缝处平均温度值。分析得到两者的最低温度差为22K，尾缘劈缝处的平均温度的温度差为7K，冷却气流的平均温度差为10K。

通过对以上分析可以得到，结构的改进使得叶片内部的冷却空气的温度有所增加，但增加的幅度不大，因此对叶片冷却通道内部的温度分布影响不大。

3.2 叶片表面的温度分布

图4、图5给出了改进结构和原始结构叶盆的温度分布，从温度分布图中可以看出原始结构的冷却效果要好于改进结构的冷却效果。在叶片前缘，两者的表面温度基本一致，在叶盆内部两者的差别增大，特别是在叶尖部分，改进结构温度增加的较多，不过两者之间的温度差在云图中不大于30K。这就说明改进结构的温度有所增加，但是对叶片的影响不大。

为了进一步说明结构改动对叶片表面温度的影响，本文对原始结构和改进结构的特征温度进行了分析（如表2所示）。表2给出了两者叶片表面的最低温度、最高温度和平均温度值。两者的最低温度差为15K，最高温度差为4K，平均温度差为7K。对于7K的平均温差来说，不会对叶片的使用产生很大影响，因此通过此次计算分析可以认为，改进结构在冷却方面可以满足使用要求。

3.3 叶片沿径向R＝0.90m截面的温度分布

R＝0.90m截面是整个叶片沿径向的中间位置，图6和图7是改进结构和原始结构在该截面叶片表面温度分布和内部冷却气流通道的温度分布云图，从图中可以发现，两者的温度分布形式基本一致，但对于整个叶片表面的温度值来说，改进结构都要大于原始结构。

为了进一步比较两者的差别，本文又分别对该截面叶片前缘和尾缘的温度进行分析。图8和图9为改进结构和原始结构前缘的温度分布。从图中得知，改进结构要大于原始结构。

图10和图11分别为该截面叶片尾缘的温度分布。从图中得知，改进结构明显大于原始结构，特别是在叶片尾缘的最后部分，两者的温差为12K。

通过对叶片中径截面的温度分析，可以发现，叶片的改动对叶片冷却效果影响最大的部位将发生在叶片尾缘出口处。

4 原始叶片设计数据与本次计算结果比较

该叶片的初始设计者，提供了R＝0.80m、0.90m、0.97m各截面的平均温度，分别为R＝0.80m、T=1023K；R＝0.90m，T=1060K；R＝0.97m，T=1036K；

本次计算的原始结构各截面的平均温度为R＝0.80m、T=979K；R＝0.90m，T=1002K；R＝0.97m，T=1003K；

改进结构各截面的平均温度为R＝0.80m、T=984K；R＝0.90m，T=1008K；R＝0.97m，T=1011K；

本次计算的结果要比原始计算的结果偏低，通过分析计算中的边界条件，偏低的主要原因是由于本次计算所使用的主燃气温度和燃气流量均比原始设计数据要低，并且没有考虑叶冠对叶片的影响而造成的。

5 结束语

通过对某型发动机转子叶片冷却效果的计算及分析，本文得到以下结论：

（1）叶片结构的改动，对叶片冷却效果影响最大的部位发生在叶片尾缘出口处；
（2）结构的改进使得叶片内部冷却空气温度有所增加，但增加的幅度不大；
（3）选用的改进结构转子叶片在冷却方面可以满足使用要求。