叶片安装角偏差对涡轮通道内热斑迁移作用分析

华国忠

北京中安质环技术评价中心有限公司无锡分公司, 江苏 无锡 214174

1 数值模拟法

为研究和分析叶片安装角偏差对涡轮通道内热斑迁移所产生的影响，文章选用了数值模拟法来进行该项作业。在数值计算中，所用软件为Numeca，并借助于三维非定常方程组来进行求解。其中在空间离散上采用了中心差分格式，在时间离散上采用的是四阶Runge-Kutta法来进行迭代求解。此外，在非定常计算过程中，采用的方式为双重时间步法。

在本次研究中,所研究的对象其叶片数目分别为10、20以及40，在计算过程中，通道的数目比例为1：2：4。因涡轮叶片一般成组安装与加工，对此，在这种形势下，就会成组地出现安装角偏差。鉴于此，在研究和分析过程中,把四个动叶中间两个叶片所产生的安装角降低了2°，以此来进行安装角偏差的模拟，在此将原型定义为算例1,而动叶安装角所存偏差情况定义为算例2。在计算过程中，静叶与动叶为H-O型网格，而支板则呈H型网格，且第一层网格y+低于10。

除了满足上述需求以外，在研究和分析过程中，还需明确边界条件。在本次研究中，总压呈均匀分布，而总温为非均匀分布，其热斑呈圆型，其圆心处于展向50%的叶高位置，且正对着静叶的前缘，同时热斑的直径是静叶进口展高的二分之一，热斑中心的总温和周围总温之间的比例是1.5：1，且其总压比是1:1。在固定位置给定了相应的无滑移边界与绝热条件；在转子/静子的交界面上也给定了相应的边界条件，即“Domain Scaling”；除此之外，在叶片通道两侧边界位置也给定了相应的周期性边界条件。

2 叶片安装角偏差对涡轮通道内热斑迁移作用的分析

从研究的情况来看，尽管静叶压力面中热流体逐渐向叶尖端区域与叶根扩散，但其吸力面中热流体沿着径向基本上未扩散。因静叶中二次流相对较弱，因此在叶高的方向，热斑所产生的扩散并不是特别明显。从计算与研究的结果来看，相对于算例1而言，在算例2中，动叶安装角偏差对于静叶通道内流动所产生的影响并不是很明显，同时在其通道内热斑迁移基本上也未受较大影响。

从算例2的研究情况来看，动叶通道中通道涡二次流较强，在其不断向下游发展的过程中，基于二次流的不断作用，动叶吸力面的某一侧热气流逐渐向大约40%叶高处聚焦，而在压力面一侧，其热气流则逐渐扩散至叶尖方向，并覆盖了大部分的压力面。就两种算例而言，算例2中叶片吸力面的前半段，其热负荷明显比算例1大，特别是动叶，其后半段叶尖与叶根所处低温区域逐步变大，且其热负荷逐渐变小，使得叶片整个吸力面温度呈现出一种不均匀增大状态。在算例2中，造成动叶压力面的热负荷不断减少的主要原因就在于动叶2与动叶3安装角相对原型而言，要小很多，使得动叶进口热流体对于动叶2与动叶3的攻角不断减小，使更多热流体向吸力面聚焦，最终造成吸力面的热负荷不断增大，而压力面的热负荷却不断地减小。

为将二次流不断作用下动叶通道内迁移轨迹清晰地展现出来，分别在不同轴向弦长下，对动叶总温实施了分析和研究。从其研究的结果来看，在25%轴向弦长下，转子通道内通道强涡强度相对较大，且在通道的上半部分中二次流不断驱动下，动叶压力面中一侧热流体逐步移动至叶尖位置；而在通道的下半部分二次流不断驱动下，其热流体逐渐聚焦至吸力面的轮毂角区。在热斑不断向下游进行迁移时，基于二次流的不断作用，动叶吸力面一侧热流体就会逐渐移动至压力面，而吸力面轮毂角区中的热流体则会沿着吸立面移动至叶中，并和吸力面一侧热流体汇合在一起。

从研究的结果来看，动叶安装角偏差对于静叶通道中温度分布并未产生较大影响，但是对于动叶通道中温度分布却产生了较为明显的影响，同时动叶出口的温度分布相对于原型而言，也发生了较为明显的变化，而这种变化也使得高温区周向位置与大小也发生了一定的变化，继而造成支板通道中温度分布也发生了相应的变化。当热斑在通过支板通道、静叶通道以及动叶通道中传播以后，其截面的温度分布也变得较为复杂，因高温区和低温区呈一种交替分布方式，再加上在热斑传播中受到相应的二次流作用，使得高温区逐渐从叶中扩散至叶尖与叶根，尽管高温区性状并未发生较大的变化，但是其温度大小以及位置却发生了较大的差距。因在算例中，其中间两个动叶安装角逐渐变小，使得动叶出口的气流角也不断减小，在叶片安装偏差的情况下，高温区周向位置也会发生相应的变化，其相对于原型而言，逐渐偏移至支板的吸力面。

评判发动机运行状态的一个重要的指标就是涡轮的排气温度，同时该指标也是测试发动机所需的一个重要参数。通过上述内容的分析可知，相对于原型而言，动叶安装角偏差会造成热斑在支板通道内出现周向偏移，在这种偏移逐渐被传播至下游涡轮的出口截面时，必然会使出口排气温度出现变化。对此，在实际进行发动机的测试时，综合考虑在同一实验条件下，应对两个批次相同的发动机进行测量，因两个批次发动机动叶在安装与制造上可能会存在着一定的偏差，而这种偏差造成排气温度测量所出现的偏差也相对较为可观；或在同一工况下对同一台发动机进行测量，在拆装发动机以后再次实施测量，其发动机安装角也可能会存在着一定的偏差，而这种偏差造成排气温度所出现的测量偏差也是非常可观的。鉴于此，在借助于排气温度诊断发动机时，应注意两个方面的内容，即气动性能与热斑迁移作用所产生的变化均会造成排气温度发生较为显著的变化。

结束语

文章就数值模拟法的应用，对叶片安装角偏差对涡轮通道内热斑迁移作用的影响进行了研究和分析，得出了以下三个方面的结论：第一，热斑迁移和涡轮通道内流动结构之间存在着较为紧密的关系，尤其是和二次流之间的关系尤为紧密；第二，叶片安装偏差不仅会使热斑迁移规律出现较为显著的变化，同时在此基础上还会使涡轮叶片的表面温度负荷分布产生相应的变化，而这种变化对于叶片可靠性以及其使用寿命也会造成一定的影响；第三，在诊断发动机时，必须要注意热斑迁移的规律与气动性能，避免其测量出现较大误差。

[1]李宇,邹正平,刘火星等. 叶片安装角偏差对涡轮通道内热斑迁移的影响[J]. 工程热物理学报,2009,30(6):944-948.

[2]黄家骅. 无导叶对转涡轮气动与传热的关键技术研究[D]. 中国科学院工程热物理研究所,2009.

[3]赵庆军,王会社,赵晓路等.进口热斑径向作用位置对无导叶对转涡轮低压级温度场的影响[J].工程热物理学报,2009,30(2):214-216.

[4]董平,颜培刚,赵洪雷等.带有复合冷却结构涡轮叶片的气热耦合数值模拟[C].//中国工程热物理学会热机气动热力学2009年学术会议论文集.2009:1-7.

[5]董平. 航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值研究[D].哈尔滨工业大学,2009.