双辐板涡轮盘盘腔单向流固耦合分析

韩玉琪，贾志刚，刘 红，朱大明

（中国航空发动机研究院，北京101304）

双辐板涡轮盘盘腔单向流固耦合分析

韩玉琪，贾志刚，刘 红，朱大明

（中国航空发动机研究院，北京101304）

为减轻质量、提高冷却效率，针对下一代高推重比涡扇发动机高压涡轮盘的优化设计，基于3维双辐板涡轮盘模型进行单向流固耦合分析，通过定常流动换热分析得到该结构盘腔中的流场、压力场和温度场分布，将盘腔表面压力分布和盘体上的温度分布作为载荷传递给盘体，对盘体进行应力分析得到应力场，从而建立起温度场和应力场的直接关联，总结出盘腔转速是影响盘体最大等效应力的关键参数，为双辐板涡轮盘的冷却设计和结构优化提供了数据支撑。

双辐板涡轮盘；旋转盘腔；流动；换热；单向流固耦合；航空发动机

0 引言

增大推重比，降低耗油率，提高可靠性是航空发动机研发的主要目标，对于燃气涡轮发动机来说，提高涡轮前燃气的温度和增大压气机压缩比是2种主要途径。在工作过程中涡轮盘承受离心力载荷、热应力载荷和轮盘外载荷，是典型的寿命限制件[1]。双辐板涡轮盘是在美国高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划下，针对下一代高推重比涡扇发动机的高压涡轮盘设计的轻质量、高冷却效率的新型结构，由2个对称半盘通过焊接工艺加工而成，并在轮盘中心形成盘腔结构[2]。美国的Cairo[3-4]申请了双辐板涡轮盘结构的专利，并对该双辐板涡轮盘进行了分析，实施了不同程度的模拟试验，关注了焊接区域的应力和疲劳寿命。为防止2个辐板在高转速工况下盘心由于轴向变形而接触，Benjamin[5]设计了1个盘毂尺寸较大的双辐板涡轮盘；Joseph[6]申请了应用于高压压气机最后1级轮盘的双辐板轮盘专利；江和甫[7]认为双辐板涡轮盘的技术关键是焊接工艺、冷却设计、强度结构设计；陆山提出并建立了双辐板涡轮盘结构优化设计数学模型及方法，筛选了子午面形状设计参数，针对典型高负荷涡轮盘结构优化问题进行了双辐板盘结构优化设计[8]，并采用盘/榫结构分部快速优化/整体精细优化的高效优化策略，进行了双辐板涡轮盘／榫的结构优化设计[9]；栾永先[10-11]对双辐板涡轮盘的结构特点和工艺难点进行了介绍，通过与传统涡轮盘进行对比阐述了双辐板结构的先进性，并应用有限元分析软件对传统涡轮盘和双辐板涡轮盘进行了强度分析，并提出其未来的研制设想；董少静[12]采用渐进结构优化算法确定出双辐板涡轮盘的结构形式，并对其进行有限元分析和尺寸优化，使得同等应力水平下的双辐板涡轮盘的质量比传统涡轮盘的降低23.6%，通过3维旋转光弹试验验证了所提出的双辐板涡轮盘结构的合理性和相关计算的正确性；金琰[13]通过划分各区域的换热模型，计算了双辐板涡轮盘的温度分布，并通过间接热-结构耦合计算出了盘体上的应力分布；付德斌[14]基于对航空发动机使用热管理的思路，使用单向流固耦合方法研究了盘体温度分布与应力水平的关联性；丁水汀[15]推导给定变厚度涡轮盘内外缘加热能量下涡轮盘的温度分布与应力分布，从而建立起以能量转移系数表示的涡轮盘能量、温度及应力分布之间的直接关联。

本文首先基于ICEM软件对双辐板涡轮盘的3维模型进行了高精度六面体网格划分，然后基于CFX软件对其进了流动换热数值模拟，得到了流场、压力场和温度场的分布，进而将盘腔表面压力分布和盘体上的温度分布作为载荷传递给应力分析，基于ANSYS软件对盘体进行应力分析得到应力分布，建立起温度场和应力场的直接关联，分析总结了流量和转速对流动换热和应力分布的影响规律。

1 物理模型与数值方法

在双辐板涡轮盘模型中，2个辐板中间形成空腔，冷却气体由中心流入，沿径向流出，沿盘缘均布了78个出气孔。

由于该盘腔结构在周向具有周期对称性，为了提高计算效率，截取包含1个出气孔的扇段进行数值分析，所截取的扇段如图1所示。基于ICEM软件进行流体域和固体域的六面体网格剖分工作，如图2所示，经过网格无关解验证后，流体域包含58万个网格单元，固体域包含54万个网格单元，共计112万个网格单元。

使用CFX软件对双辐板涡轮盘的流动换热问题进行稳态分析，湍流模型选用SST2方程模型。流体入口处给定质量流量和静温为800 K，出口处给定静压为1.5 MPa，流固交界面上使用无滑移边界条件，在周期面上使用周期对称边界条件；固体盘缘给定热流密度为20000 W/m2，在周期面上使用周期对称边界条件，流固交界面耦合求解，其余固体壁面使用绝热条件，收敛条件为最大残差小于10-5。有限元分析中在流体入口处的流固交界面给定法向零位移的约束。

在数值模拟中使用的气体为理想气体，定性温度取入口气流温度，即800 K，参考压力取1.5 MPa，固体区域材料选择为钢。本文对6种不同冷气流量和3种不同转速下盘腔的流动换热工况进行了数值分析。这 6种入口冷气流量分别为 0.078、0.117、0.156、，0.195、0.23、0.273 kg/s，对应的无量纲流量系数 Cw在104量 级 ；3 种 转 速 分 别 为 10000、12000、14000 r/min，对应的无量纲旋转雷诺数Rew在106～107量级，共计18种工况。

2 数值结果与分析

2.1 流动结构分析

在计算时各种工况下流动结构相似，以冷气流量为0.195 kg/s、盘腔转速为10000 r/min的工况为例来分析流动结构。对称面上的流线分布如图3所示，该图清晰的展示了径向内流旋转盘腔的流动结构，流体由中心进入盘腔后，首先是源区，随后逐渐被卷吸进入双辐板内两侧的埃克曼层内，中间为核区，最后通过汇区流入出气孔，呈现出典型的源-汇流动结构形式。

旋流系数定义为β=w/ωr， 其表征了流体切向速度与当地盘体旋转速度的相对大小，中心线上旋流系数的分布情况如图4所示。其中转速为12000 r/min时不同流量工况下的变化情况如图4（a）所示，流量为0.195 kg/s时不同转速工况下的变化情况如图4（b）所示。从图中可见，在各种工况下旋流系数均处于0～1之间，即流体的切向速度小于当地盘腔的旋转速度，流体进入盘腔后刚开始旋流系数为0，此时位于源区，随后逐渐被卷吸进入两侧的埃克曼层，此时中心核区流体的旋流系数逐渐增大，即图中曲线0～1的增长阶段，然后通过汇区进入出气孔，旋流系数达到1。观察各曲线中旋流系数为0的初始段可以发现，在相同转速下，随着冷气流量不断增加，冷气的惯性力逐渐变大，源区的长度尺度也逐渐增大，核心区的旋流系数变小；在相同冷气流量条件下，观察各图中相同颜色的曲线可以发现，随着盘腔旋转速度的增加，源区的长度尺度逐渐减小，核心区的旋流系数逐渐增大。

2.2 总压损失分析

2.3 温度分布分析

以冷气流量为0.195 kg/s、盘腔转速为10000 r/min的工况为例来进行分析，该工况下对称面上的温度分布如图6所示。从图中可见，沿着半径增大的方向，流体域和固体域的温度都逐渐升高，温度梯度也逐渐变大，盘缘处温度达到最大值，出气孔内流体与固体的接触面积小，换热不充分，相应部位的固体域的温度梯度较大。不同工况下盘体的最高温度值如图7所示。在所计算的工况内，盘体最大温差为63.7 K，最小温差为30.5 K；在相同转速情况下，随着冷气流量的增大，盘体最高温度逐渐降低；在相同冷气流量下，随着旋转速度的增大，盘体的最高温度逐渐升高，这是由于冷气在通过盘腔时受到摩擦和离心增压作用，随着转速增大，轮盘对冷气的做功量增加，气体的温度升高的更快，降低了冷气的换热效果，在盘缘热流密度一定的边界条件下，导致盘体温度更高。

2.4 应力分析

冷气流量为0.195 kg/s、盘腔转速为10000 r/min的工况下计算得到的Von-Mises等效应力σ的分布如图8所示，在不同工况下盘体上最大等效应力σ的对比如图9所示。从图中可见，最大等效应力255.52 MPa出现在轮盘辐板外侧的中部，整个辐板的中间部分等效应力的值都比较大，盘心施加法向位移约束的地方出现了应力集中现象。随着冷气流量的增加，盘体最大等效应力减小；随着盘腔转速的提高，盘体最大等效应力显著增大；辐板呈现出了向外侧弯扭的趋势，造成了离心应力远大于热应力的现象，也导致盘腔中平面处的应力较小，对于双辐板涡轮盘来说，此处刚好为焊缝，这对于盘的结构强度是有利的。

3 结论

对双辐板涡轮盘盘腔进行了单向流固耦合分析，初步总结了该盘腔结构中的流场、温度场和应力场分布规律，建立了温度场和应力场的直接关联，结论如下：

（1）双辐板涡轮盘盘腔内的流动是典型的源-汇流动，盘腔中心线上的旋流系数随冷气流量的增大而减小，随旋转速度的增大而增大。

（2）由于受到离心增压作用，流体出口的总压大于进口的总压，总压差随冷气流量的增加而减小，随旋转速度的增加而增大。

（3）沿径向轮盘的温度逐渐升高，在盘缘处达到最大值，盘体最大温度值随冷气流量的增加而减小，随旋转速度的增加而增大。

（4）等效应力最大值出现在轮盘辐板外侧的中部，整个辐板的中间部分等效应力的值都比较大。随着冷气流量的增加，盘体最大等效应力减小；随着盘腔转速的提高，盘体最大等效应力显著增大。对于本文中计算的工况来说，转速对于最大等效应力的影响显著大于温度场的影响。

[1]Tomas A B.Advisory circular 33.75-1A:guidance material for 14 CFR 33.75,safety analysis [R].Washington D C,USA:Federal Aviation Administration,2007：1-15.

[2]赵维维,郭文,呼艳丽,等.双辐板涡轮盘流动与换热试验研究[J].燃气涡轮试验与研究,2014,27（6）:28-32.ZHAO Weiwei,GUO Wen,HU Yanli,et al.Experimental investigation of flow and heat transfer in the dual-web turbine disk[J].Gas Turbine Experiment and Research,2014,27（6）:28-32.（ in Chinese）

[3]Cairo R R． Twin-web rotor disk:US，5961287[P].1999-10-05．

[4]Cairo R R,Sargent K A.Twin web disk:a step beyond convention[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2002,124（ 2）:298-302.

[5]Benjamin R H.Contoured disk bore:US,7241111[P].2007-07-10.

[6]Joseph C B.Gas turbine compressor spool with structural and thermal upgrades:US,6267553[P].2001-07-31.

[7]江和甫.对涡轮盘材料的需求及展望 [J].燃气涡轮试验与研究,2002,15（4）:1-6.JIANG Hefu.Requirements and forecast of turbine disk materials[J].Gas Turbine Experiment and Research,2002,15（4）:1-6.（in Chinese）

[8]陆山,李伦未.航空发动机高负荷涡轮盘双辐板结构优化设计[J].推进技术,2011,32（5）:631-636.LU Shan,LI Lunwei.Twin-web structure optimization design for heavy duty turbine disk based for aeroengine[J].Journal of Propulsion Technology,2011,32（ 5）:631-636.（ in Chinese）

[9]陆山,赵磊.双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法 [J].航空动力学报,2014,29（ 4）:875-880.LU Shan,ZHAO Lei.Structural optimization design method for twin-web turbine disk with tendon[J].Journal of Aerospace Power,2014,29（ 4）:875-880.（ in Chinese）

[10]栾永先.双辐板涡轮盘结构强度分析[J].航空发动机,2012,38（4）:38-41.LUAN Yongxian.Structure strength analysis of dual-web turbine disk[J].Aeroengine,2012,38（ 4）:38-41.（ in Chinese）

[11]栾永先.先进涡轮盘结构强度对比分析 [J].航空发动机,2013,39（ 3）:41-45.LUAN Yongxian.A comparative contract analysis on structural strength of advanced turbine disk[J].Aeroengine,2013,39（3）:41-45.（in Chinese）

[12]董少静,申秀丽，康滨鹏，等.高推质比双辐板涡轮盘结构研究及光弹试验验证[J].航空动力学报,2015,30（1）:114-120.DONG Shaojing,SHEN Xiuli,KANG Binpeng,et al.Structure research and photoblastic test verification of twin-web turbine disk with high thrust-weight ratio[J].Journal of Aerospace Power,2015,30 （1）:114-120.（ in Chinese）

[13]金琰，郝艳华，黄致建.航空发动机双辐板涡轮盘温度场与应力场分析[J].郑州轻工业学院学报,2015,30（1）:81-84.JIN Yan,HAO Yanhua,HUANG Zhijian.Analysis of temperature field and stress field for the twin-web turbine disk of aero engine[J].Journal of Zhengzhou University of Light Industry（ Nature Science）,2015,30（1）:81-84.（ in Chinese）

[14]付德斌,丁水汀,陶智,等.一种基于热管理的热端部件轻量化研究[J].航空动力学报,2011,26（4）:814-821.FU Debin,DING Shuiting,TAO Zhi,et al.Study on heated components mass reduction based on thermal management[J].Journal of Aerospace Power,2011,26（4）:814-821.（ in Chinese）

[15]丁水汀,王子尧,李果.变厚度涡轮盘上能量与应力分布的关联分析[J].航空动力学报,2015,30（2）:341-348.DING Shuiting,WANG Ziyao,LI Guo.Correlation analysis of energy and stress distributions on variable thickness turbine disk[J].Journal of Aerospace Power,2015,30（2）:341-348.（ in Chinese）

Analysis on One Way Fluid-Structure Interaction of Rotating Cavity for Twin-Web Rotor Disk

HAN Yu-qi,JIA Zhi-gang,LIU Hong,ZHU Da-ming
（AECC Aero Engine Academy of China,Beijing 101304,China）

In order to reduce the weight and improve the cooling efficiency of the next generation of high thrust to weight ratio turbofan engine,considering the high pressure turbine disk optimizing design,a one way fluid-structure interaction analysis was performed based on three dimensional model of twin-web rotor disk,and the flow field,pressure field and temperature field distribution were obtained by steady flow and heat transfer analysis.Then the pressure distribution of cavity surface and temperature distribution of structure were transferred to the disk,stress distribution was then obtained with finite element analysis,which established the direct correlation between temperature and stress.As a result,rotating speed is the key parameter to the max equivalent stress.Current research firmly supports the cooling design and structural optimization of twin-web rotor disk.

twin-web rotor disk;rotating cavity;flow;heat transfer;one way fluid-structure interaction;aeroengine

V 211.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.005

2016-11-15 基金项目：国防重点科研项目资助

韩玉琪（1987），男，博士，工程师，主要从事盘腔流动换热研究工作；E-mail:hyqchyw@163.com。

韩玉琪，贾志刚，刘红，等.双辐板涡轮盘盘腔单向流固耦合分析[J].航空发动机，2017，43（3）：19-23.HAN Yuqi,JIA Zhigang,LIU Hong,et al.Analysis on one wayfluid-structure interaction ofrotatingcavityfor twin-web rotor disk[J].Aeroengine，2017，43（ 3）：19-23.

（编辑：张宝玲）