冲击距离对涡轮外环表面温度影响的初步研究

汤 旭，李国杰

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

冲击距离对涡轮外环表面温度影响的初步研究

汤 旭，李国杰

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

为分析涡轮外环具体结构对温度的影响，在确定的流动与边界条件下，以某型发动机高压涡轮外环为研究对象并进行一定简化，应用3维数值模拟手段计算和分析了不同冲击距离对外环温度最大值及分布的影响，在综合考虑外环温度水平和分布均匀程度的约束下给出了冲击距离的最优值为冲击孔距离的6.5倍。具有较为实用的工程指导意义。

高压涡轮机匣；热负荷；涡轮外环；冲击冷却距离；数值模拟

0 引言

涡轮性能损失的1/3是由叶尖间隙的泄漏引起的[1]；叶尖间隙与叶片高度之比每增加1%,涡轮效率降低约1.5%，耗油率增加约3%[2]。高压涡轮机匣的热变形是影响叶尖间隙的主要因素[3]。因此研究高压涡轮机匣的热变形特征对于保持发动机的性能、提高可靠性和经济性具有重要的实际意义。国内众多科研院所和高校对高压涡轮机匣热变形的理论计算、分析和试验验证做了大量研究[4-15]，取得了丰硕成果；但国内的理论计算和分析也有基于高压涡轮机匣结构特点分析的关键结构要素的提取和解析偏弱，与具体结构或工程实际需要的结合性不强等诸多不足。

本文基于具体工程需要、以某型发动机高压涡轮外环为研究对象，借助3维数值模拟方法计算和分析了稳态条件下不同冲击冷却距离对外环温度的影响，确定了冲击冷却距离的最优值。这一工作可以为高压涡轮机匣的结构设计提供基础性的参考和指导。

1 结构研究对象和边界条件

涡轮外环是高压涡轮的重要结构件，在工作中承受着主通道高温燃气的热冲击。选用耐温性能更好的材料是涡轮外环主要的结构特征之一。本文以IC9为涡轮外环的结构选材，在一定的结构和流动条件下，计算和分析涡轮外环的温度及其分布。

IC9为Ni3Al基金属间化合物高温合金，其使用温度为1570 K、密度为7940 kg/m3，在高温下的持久强度均优于常用的镍基、钴基和铁基高温合金的。

本文研究对象的结构和边界条件如图1所示。来自燃烧室的冷却气（二股气流）进入集气腔后经过孔板上的冷却孔形成冲击冷却结构来冷却涡轮外环，并通过外环上的冷却孔汇入主通道。

2 网格划分及求解设置

流体域的网格数目约为9.7×105；固体域的网格数目约为2.1×105。经多次试算：这样的网格规模与硬件能力、网格的划分方法以及计算精度等是比较适应的；

采用3维数值模拟方法计算，具体设置如下：

（1）计算程序：CFX v12.1；

（2）流体模型：理想气体模型；

（3）湍流模型：K-Epsilon；

（4）流体域计算模型：总能模型；

（5）固体域计算模型：热能模型；

（6）收敛判定标准：质量与速度分量、热传导及湍流与耗散残差小于10-4。

分别计算和分析 L＝7.75d、6.92d、6.08d、5.25d、4.42d和3.58d时涡轮外环表面S的温度等参数的分布情况。为确保计算收敛和结果准确，对L不同值时的计算过程进行了监测。质量与速度分量及取值点总温、总压的收敛监测分别如图2、3所示。

3 计算结果与分析

不同冲击距离下表面S的温度分布如图4所示。

随着冲击冷却距离L减小，涡轮外环表面S的最高温度降低，这是因为距离越小气流冲击冷却效果越明显，气流冲击可以有效降低涡轮外环最高温度：L最大时，S面的最高温度为1468 K，距离IC9的安全使用温度1570 K尚有102 K的裕度，即结构选材在使用温度上是安全的。

为得到并比较不同冲击距离下涡轮外环壁面S处的温度分布，在周向选取5个截面即L、LM、M、RM和R截面；在每个截面与环面S交线上以3 mm为步长（总长24：X＝-15～9）各选取9个点、读取共45个点的温度值。这45个点的径向高度比原结构尺寸约小0.02～0.05 mm、以保证所取点完全位于固体域内。点的选取如图5、6所示。

计算前文选取的各测点温度、压力，并将壁面温度和总压等绘制成曲线，如图7所示。

从图7中可见：

（1）红色的Tmax是不同冲击距离L下涡轮外环外环面S的最高温度变化曲线；粉色的Tmin是最低温度变化曲线；蓝色的Tave是平均温度变化曲线。由这3条的变化趋势可知：壁面S的温度随冲击距离的缩短而降低；

（2）Tmax、Tmin、Tave 3 条曲线的变化率（dT/dL）的规律大致相同；L＝6.92d是变化率由大变小的临界点 时，dT/dL较大，即S的壁面温度对L的变化较为敏感；反之，当L＜6.92d时，表面S的温度对L的变化不敏感。这是因为当距离足够短时气流能够起到明显的冲击冷却作用，在流量不变的前提下，进一步缩短距离不会明显改变冲击效果，这也说明单纯地缩短冲击距离以期降低表面S的壁面温度是受限的；其次，结构设计时应将L值置于小于6.92d的不敏感区域内；

（3）深绿色曲线D（T）是不同冲击距离下S面温度分布的标准差，即2（/45-1）]1/2。L减小时，D（T）增大，即S的温度分布更为离散；且当6.92d＞L＞ 6.08d时，D（T）的变化最为平缓，说明此时的温度分布相对均匀。对标准差的分析有助于确定冲击距离L的取值范围；

（4）高绿色虚线ΔT根据“Tmax-Tmin+1200 K”绘制。ΔT的线状说明S的壁温差及近S处的静压（p=ρRT）随L的变化不显著。如果外环的变形大小取决于其温度水平、应力取决于温差，那么在现有的结构和流动条件下外环的应力与L无关；

可以将温度、温度的均匀程度和总压的变化分为剧变区、平缓区和过渡区，据此可以初步确定冲击距离L的设计值。如图8所示。

根据平均温度、平均总压和温度的离散程度在不同L值下的变化趋势结合加工工艺：在现有的结构和流动条件下，L的取值为6.50d较为合适，最大不大于6.92d，最小不小于5.74d，设计公差宜取下差。

4 结论

本文利用3维数值模拟计算和分析了在稳态流动条件和不同冲击冷却距离下涡轮外环表面的温度分布特征，基于计算和分析结果给出了温度分布优劣的判定依据和冲击冷却距离的趋优值，对于工程设计具有一定的指导意义。同时，基于流－固耦的计算域创建、不同湍流模型对计算结果趋向性影响和计算结果的分析手段等方面还需要做更多、更细致的工作。

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Research on Influence of Impingement Distance on Turbine Shrouds Surface Temperature

TANG Xu,LI Guo-jie
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to analyze the influence of shrouds structure on temperature，a HPT shrouds was taken as the research object and simplified under certain flow and boundary conditions.This paper used 3D numerical simulation method to calculate and analyze the influence of impingement distance on shrouds surface maximum temperature and temperature distribution in the steady state,and recommended the optimized impingement distance as 6.5 times as the aperture by considering the temperature level and distribution of the shrouds.These works could direct and benefit the HPT casing design and improvement.

HPT casing；thermal load；turbine shrouds；impingement distance；numerical simulation

V231.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.04.002

2017-01-23 基金项目：航空动力基础研究项目资助

汤旭（1988），男，硕士，工程师，从事涡轮结构设计工作；E-mail:tangxu881013@126.com。

汤旭，李国杰.冲击距离对涡轮外环表面温度影响的初步研究[J].航空发动机，2017，43（4）：7-10.TANGXu,LI Guojie Research on influence ofimpingement distance on turbine shrouds surface temperature[J].Aeroengine，2017，43（4）：7-10.

（编辑：李华文）