涡轮导叶综合冷效试验件设计及验证

钟山，刘志刚，朱榕川，方弘毅，顾杨

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

涡轮导叶综合冷效试验件设计及验证

钟山，刘志刚，朱榕川，方弘毅，顾杨

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

为保证新研制的导向叶片在发动机上可靠工作，须先对其进行冷效试验，以验证气膜冷却的气动参数、几何参数对冷却效果及涡轮气动性能的影响。试验件结构设计中根据相似原则，采用单层干烧结构，并采用UG参数化建模和装配、间隙分析减小装配误差和干涉，提高了冷效试验效率。试验件内温度场、压力场较好，具有良好的耐温性、密封性；试验件设计中，配合更换试验件耐热材料，较常规水冷式试验件结构简单，且加工周期缩短一半，造价减少约60%。

涡轮导向叶片；结构设计；间隙分析；数值模拟；冷效试验件；耐热材料

1 引言

提高高压涡轮导叶的承温能力是高性能航空发动机研制过程中的关键技术。高压涡轮导叶位于燃烧室出口，工作条件恶劣，承受有气动力和热应力，且在高温燃气作用下易腐蚀。此外，随着航空发动机工况的不断变化，叶片还需承受冷热交变载荷作用。因此，涡轮导叶的冷却换热设计，直接影响发动机的效率、可靠性和寿命。目前，涡轮导叶的结构非常复杂，为保证新研叶片在发动机上可靠工作，必须在保证几何、流动、热相似的条件下，对涡轮导叶的冷却效果进行试验验证，之后才可用于发动机装机试验[1]。

传统的涡轮导叶冷效试验件，通常由带水冷的前转接段、前测量段、试验段、后测量段构成，存在以下缺点：结构复杂，不利于加工和改造，且加工周期长；冷却水对冷效试验结果有影响；主要零、部件需采用昂贵的高温合金制造，造价高。因此，这种结构形式的试验件不适合进行大量、多种涡轮导叶的冷效试验研究。鉴于此，本文设计了一种采用单层干烧式结构的涡轮综合冷效试验件。设计中，采用FLUENT软件进行流场验算，利用UG软件进行试验件结构设计和模拟装配，并综合考虑了气动、结构、装配间隙、热变形等因素对试验结果和效率的影响，最后通过冷效试验予以了验证。

2 试验件设计

涡轮导叶冷效试验需尽可能模拟发动机典型工况下叶片的冷却特性，以验证叶片是否满足冷却设计要求；采录涡轮导叶综合冷却效果试验数据，获得设计状态下叶片的绝对和平均相对冷却效果，研究冷气流量比等冷却参数对叶片平均和局部冷却效果的影响。冷效试验件装在有较好温度场和压力场的试验设备内，能模拟试验叶栅的进口压力、温度，测量试验件进口流量、叶片冷气流量。试验件前端与设备加温器出口段相联，将燃气整流后均匀导入试验件进气测量段，后段流出的燃气经收敛段顺利排出到设备排气段。

试验件根据真实试验叶栅尺寸参数设计进排气内流道，来保证几何(叶片的排列方式、进出口气流角、进出气截面形状)、流动(冷气与燃气的流量比、温比)相似。试验器提供真实温度的进气流量及试验件采用耐温材料制造的单层干烧结构，来保证流动、热相似。试验件根据具体的涡轮叶片参数及设备条件设计，由进气段、试验段、叶片试验件、进气组件、冷却管组件、测压管组件等构成(图1)。

图1 试验件结构示意图Fig.1 Configuration of test specimen

2.1 结构设计

在保证相似原则的前提下，据风洞设计原理、冷却涡轮气体动力学、热力学与气体动力学基础等进行设计[2，3]。进、出口截面上，需保证径向压力梯度。靠近后流道侧板的叶栅通道，叶片尾缘的燕尾波打到侧板上，形成反射波，对中间通道出口波系形成一定干扰，叶栅中间叶片通道流场的周期性受到一定程度影响；中间通道流场与周期性基准结果相比存在一定差异，良好的侧板设计对提高叶栅出口的周向周期性有明显作用[4]。

2.1.1 进气段

进气测量段与设备的加温器出口相通，内流道进口形状由圆形逐渐转为扇形。扇形的几何形状和面积与试验叶栅在发动机上的进口截面相同，其作用是将燃气初步整流后导入前测量段。前测量段的内流道形状和大小与扇形段出口相同，其作用是将气流均匀导入试验叶栅，并完成试验进口参数测量。

2.1.2 试验段

试验段内安装试验叶片，保证试验叶片的进出口气流角、流道面积、排列方式与在发动机上相同，其上有栅后壁面静压引出接口，叶片冷气引入、引出接口和测温电偶丝引出口。流道形状为扇形，其功能是将燃气整流后导入设备的排气段中。

试验段内部由叶片组成叶栅通道，中间是带测温电偶的试验叶片，两侧是带气冷的陪衬叶片，在扇形通道中进行冷效试验[5，6]。冷却空气从叶片顶部进入，一部分从叶身前缘和叶盆尾部的气膜孔排入主流道，剩余部分从叶片底部小孔排出。

2.2 材料选取

试验件在一定压力、高温状态下工作，传统水冷式冷效试验件采用价格昂贵的GH3044和GH5188材料制造，材料费在试验件造价中占比较大。现用价格便宜的16Cr25Ni20Si2制作，采用不带冷却的干烧方式，降低试验件造价[7，8]。该材料属奥氏体型耐热钢，其韧性、可焊性稍差，但抗氧化和抗渗碳性优良，具有较好的抗一般腐蚀能力。其工作温度最高可达1 200℃，连续使用最高1 150℃，间歇式使用最高1 100℃。为确保试验件的焊接质量和强度，选用与其材质相近的材料作焊丝或采用母材作焊丝，采用氩弧焊小焊量重复焊接方法，并加工专用焊接试件对此予以了验证。

2.3 间隙分析

应用UG参数化建模和装配。冷效试验件设计中主要需进行试验件冷/热态间隙分析，以保证热态试验下相关间隙满足试验要求。对装配件的全部或部分区域进行间隙/干涉分析，可采用交互式或批处理模式进行。对每个组件定义为间隙区，不考虑组件可能的运动，只处理静态问题。

2.3.1 干涉类型

干涉类型主要包括五方面：①不干涉——对象间的距离大于间隙区域。②软干涉——对象间的最小距离小于间隙区域，但两个对象不接触。系统将建立表示最小距离的一条线，代表查出的干涉。③接触干涉——两个对象接触但不干涉。此时系统将在查出接触干涉的位置建立一个表示接触干涉的点。④硬干涉——两个对象彼此相交。系统将建立一个表示干涉的干涉实体。⑤包容干涉——一个对象完全包容在另一个对象内。系统将建立表示干涉被包容实体的拷贝。

2.3.2 间隙区域

环绕在对象周围的空间偏置体，对两个组成的对象进行间隙分析。

定义间隙区域的方法：将缺省的间隙区域分配给所有对象，给单个对象指定间隙区域，给对象组分配间隙区域，可覆盖任何其他间隙区域。

2.3.3 间隙分析

最小组件(只含有零件)的间隙分析：每完成一个最小组件设计，就把其下所有零件的Reference Set都替换为BODY，然后采用Facet/Solid方式进行冷/热态间隙分析。

高级别组件的间隙分析：把已装配组件放入List1，把新添加组件放入List2，然后采用Facet/Solid方式进行冷/热态间隙分析，初步找出发生干涉的零件对；将发生干涉的零件对的Reference Set都替换为Body，再次进行间隙分析，以获得精确结果。

几处重点位置的间隙分析结果表明，热态时叶片与试验段安装无过渡配合，冷态时有一定间隙并装拆自如，说明设计满足试验件冷/热态使用要求。

2.4 数值模拟

采用FLUENT软件，对叶栅流道模型进行数值模拟。模拟的边界条件为栅前总压1 010 kPa、总温1 230 K，栅后背压855 kPa。叶栅前后部分采用分区网格技术，网格数约200万，未带进口段和出口导流板的模型见图2。为准确描述附面层对计算流场的影响，划分流道和加密壁面附近网格，可参照文献[9]～[11]中方法，对叶栅前后及流道、测量做出分析。

图3为数值模拟流道纵截面速度分布图，可见气流在流道进口部分速度较低、均匀性良好，进入流道后在通道内迅速加速，叶片尾缘出口尾迹区明显。根据图4中的端壁流线图，气流在叶片通道内未出现附面层分离。

图2 流道模型Fig.2 Flow path model

图3 纵截面速度分布Fig.3 Velocity profiles at longitudinal section

图4 流线图Fig.4 Streamline diagram

从试验件流道马赫数分布(图5)看，试验件流场周期性良好，气流在试验件前部加速，通过喉部后在斜切口后继续膨胀加速，在轮毂处尾迹明显，在中部和尖部出口均匀性良好。

图5 马赫数分布Fig.5 Mach number profiles

另据多次试验数据分析得出，叶栅出口径向压力梯度与实际情况时气流对轮毂的倾向性不同。由轴向间隙内压力横向分布的测量表明，实际气流对轮毂不分离，轮毂附近的损失含有叶栅端壁区域中未分离气流的损失。静压沿栅距不变，引起气流从轮毂分离及在轮毂附近静压沿额线不变。因轮毂附近的损失显著增大，在中部三个叶片后面测量，有较好的周期流动性，在轮缘处和在平均直径气流中的测量结果重合较好。

综上分析，试验件进口通道的流场参数满足试验叶栅进排气要求；试验件排气通道设计在与排气角度相同、排气口面积适当放大状态下，排气流场周期性较好，不会对试验数据录取带来不利影响，能获得可靠的试验数据。

3 冷效试验验证

涡轮导叶综合冷效试验在涡轮叶片冷却效果试验器[1]上进行。

3.1 压力场、温度场分布

试验件内，进入干烧冷效试验件的燃气避免了水冷式试验件因冷却水换热对内流道壁面燃气的影响，减小了栅前温度场梯度、不均匀的影响。在燃气供气压力、温度稳定的情况下，由叶栅进气不同栅道位置采用的两处梳状探针(图1)测量得出，进口总压沿径向相差约0.7%，进口总温沿径向相差约1.0%，如图6、图7所示，优于带水冷的冷效试验件(水冷试验件栅前压力径向相差约1.0%、温度径向相差约2.9%[1])。

图6 压力场分布曲线Fig.6 Distribution curve of pressure field

图7 温度场分布曲线Fig.7 Distribution curve of temperature field

3.2 冷效试验结果的可靠性

涡轮叶片冷效试验在保证相似原则的热态条件下进行，图8示出了涡轮导叶叶中截面在不同流量比下的冷却效果对比，图9为叶中截面在不同温比下的冷却效果变化图。可见，试验结果与设计值吻合较好，用该试验件进行的涡轮叶片冷效试验结果可靠。

图8 冷却效果-流量比曲线Fig.8 Cooling effectiveness vs.discharge ratio

图9 冷却效果-温比曲线Fig.9 Cooling effectiveness vs.temperature ratio

4 结论

(1)采用UG参数化建模和模拟装配及分析、FLUENT软件模拟等手段，减小影响试验结果的多种误差。流道结构保证进排气段内形及进排气角度精确相似、叶栅精确定位，保证叶形端面与进排气流道口的小间隙配合以减小泄漏。

(2)采用耐热钢材料16Cr25Ni20Si2代替GH材料，在保证使用温度条件下，节约了试验件的造价和设计、加工周期。独特设计的滑槽盒式叶栅装夹结构，在良好的密封性及受热变形较小的条件下，更便于试验叶栅的装拆和定位。

(3)冷效试验证明，冷效试验件采用单层、干烧结构，提高了冷却涡轮试验效率，能在满足试验要求的参数范围内工作。试验件内的温度场、压力场较好，测量的各项指标均能达到设计技术要求，试验数据真实可靠。

[1]刘志刚，朱榕川，周禹彬，等.涡轮叶片冷效试验专用蜗壳舱研制[J].燃气涡轮试验与研究，2005，18(4)：54—59.

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图4 TBOM示例Fig.4 Illustration of TBOM

当是否跟踪为否时，维护BOM中不管理其实物零件，如图中C、D1、D21；当是否序列化为是时，维护BOM中对应的实物零件含有序列号，如图中D→D_(S/N2042)；当是否批次为是时，维护BOM中对应的实物零件含批次号，如图中D2→D2_(LOT10)；发动机的使用状态信息，记录在实物发动机中；发动机若因排故进行了备件更换，则对维护BOM上对应成附件或零件进行更换，并可基于此维护BOM查看其维修前的BOM。

5 结束语

本文描述了在TeamCenter环境中如何演变各阶段的BOM，形成系列的xBOM，提出了以BOM为主线在TeamCenter中实现产品单一数据源的管理方式。尤其是TBOM概念的提出，为试验BOM的管理提出了可行性方法，为设计、制造、试验人员实现产品的全过程跟踪和追溯，及在PLM平台中实现产品的全生命周期管理，具有一定的参考价值。

参考文献：

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Design and Verification of Integrated Cooling Effectiveness Test Specimen for Turbine Vane

ZHONG Shan，LIU Zhi-gang，ZHU Rong-chuan，FANG Hong-yi，GU Yang
(China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

To make turbine nozzle work reliably,cooling effectiveness test should be firstly conducted to study the aerodynamic effect and geometric parameters of film cooling on cooling effectiveness and turbine aerodynamic performance.Based on the principle of similarity，the test specimen adopted simple deck dry combustion constructure.UG parameterized modeling and assembling as well as clearance analysis was ap⁃plied to reduce the assembling error and interference,and thus improved the efficiency of cooling effective⁃ness test.Preferable temperature and pressure fields were obtained inside the test specimen,which were of good hot-resistance and sealing performance.Matched heat-resistant material made its common wa⁃ter-cooling construction simpler,shortened half of its process cycle and reduced approximately 60%of its cost.

turbine nozzle；structural design；clearance analysis；numerical simulation；cooling effectiveness test specimen；heat resistant material

V231.3

：A

：1672-2620(2014)03-0034-05

2013-10-06；

：2014-02-12

钟山(1969-)，男，江西赣州人，高级工程师，主要从事航空试验设备、试验件等设计。