改型前后高压工作叶片冷却特性分析

□ 郭晓玲 □ 张江伟 □ 李 斌 □ 邵 莉

中国航发西安航空发动机有限公司 西安 710021

1 分析背景

航空发动机高压工作叶片温度场的准确计算对叶片冷却设计而言,具有非常重要的意义,一方面可以为叶片冷却方式的选择和冷气用量的分配提供依据与评价,另一方面能够为叶片安全、可靠工作提供保证。笔者对某型航空发动机高压工作叶片改型前后结构的温度场进行对比计算,内容主要包括叶片外换热计算、叶片内换热计算、叶片壁面温度计算,由此进行冷却特性分析。

叶片外换热计算包括燃气的流动状况计算、叶片外表面的换热系数计算,以及在有气膜冷却情况下的换热系数修正和燃气温度修正。叶片内换热计算包括经过叶片内冷通道的冷气流量、流动损失、冷气温升,以及与内表面间的换热系数等参数的计算。在叶片外换热计算和叶片内换热计算的基础上计算叶片壁面温度场,为强度计算和寿命分析提供温度场数据。

2 计算方法

应用Fluent软件进行航空发动机高压工作叶片气动热力计算,得到叶片型面静压和马赫数分布。将计算得到的马赫数分布作为已知条件,应用二维边界层计算程序计算叶片外换热系数。根据叶片外换热计算和叶片内换热计算得到的叶片外部燃气与内部冷气温度,结合对流换热系数,计算出整个叶片的温度分布。上述三部分计算互为边界条件,互相影响,计算流程如图1所示,最终计算结果收敛的条件是相邻两次迭代计算的壁温温差足够小。

3 计算模型

为验证航空发动机高压工作叶片叶冠、进气孔及内冷通道对叶片冷却效果的影响,笔者对原型叶片进行优化改型。改型后叶片与原型叶片相比,有三处结构变动:① 叶冠改为锯齿形结构;② 叶根处的进气孔位置上移,进气孔形状也有所改变;③ 前缘内冷通道和中弦通道的面积有所改动。改型前后叶片结构对比如图2所示。

4 原型叶片分析

4.1 外换热计算

对原型叶片进行外换热计算,得到叶片通道内的静压分布,如图3所示,相应的叶片型面静压和马赫数分布如图4所示。原型叶片燃气侧外换热系数分布规律如图5所示。

▲图1 计算流程

▲图2 改型前后叶片结构对比

▲图3 原型叶片通道内静压分布

4.2 内换热计算

叶片内部冷气从叶根进入,分流至前缘、中弦、尾缘的三个通道,最后从叶尖排出。

根据叶片内换热计算,得到原型叶片前缘通道的换热系数为3 629～4 446 W/(m2·K),尾缘通道的换热系数为3 232～4 355 W/(m2·K),中弦通道的换热系数为1 314～1 762 W/(m2·K)。

▲图4 原型叶片型面静压和马赫数分布

▲图5 原型叶片燃气侧外换热系数分布规律

4.3 壁面温度计算

原型叶片壁面温度计算结果显示,前缘和尾缘的温度均偏高,最高温度出现在尾缘接近叶根位置,最低温度出现在前缘通道的入口位置。原型叶片的平均温度为1 173.18 K,最大温差达到276 K,综合冷却效率为0.373。

5 改型叶片分析

5.1 外换热计算

改型叶片的外型线与改型前相同,沿叶高三个截面的表面压力、马赫数分布、外换热系数均与原型叶片相同。

5.2 内换热计算

通过内换热计算,得到改型叶片前缘通道的换热系数为3 282～3 669 W/(m2·K),尾缘通道的换热系数为2 680～3 506 W/(m2·K),中弦通道的换热系数为1 409～1 826 W/(m2·K)。

5.3 壁面温度计算

改型叶片壁面温度分布结果显示,最高温度出现在尾缘附近位置,前缘温度也较高。从温度场计算结果可以看出,改型叶片壁面最高温度为1 327 K,最低温度为1 000.4 K,最大温差为327 K,平均温度为1 167.8 K,综合冷却效率为0.381。

6 叶片温度分布对比

6.1 壁面温度

从原型与改型叶片温度分布计算结果可以看出,原型叶片与改型叶片最低温度都出现在前缘内腔,改型叶片最低温度有所降低。原因有两个,一个是改型后前缘通道流通面积有所扩大,另一个是改型后榫头部位进气孔位置有所提高。

改型叶片最高温度仍出现在尾缘区域,但最高温度有所上升。主要原因是改型后前缘通道增大,吸引了更多的冷却气体流入前缘通道。

6.2 叶冠温度

相邻叶片叶冠之间有缝隙存在,缝隙内部可能有高温气流通过,这种情况对叶冠有加热作用。特别是锯齿形叶冠长边缝隙在尖部更接近叶身,对叶片受热有更大的影响。改型前后叶片叶冠温度分布对比如图6所示。

▲图6 改型前后叶片叶冠温度分布对比

6.3 榫头温度

改型前后叶片榫头温度分布对比如图7所示。由7图可以看出,改型后进气孔上移,加强了对榫头上部的冷却,同时榫头下部温度则有所提高。总体而言,榫头上部,特别是进气孔附近区域的温度梯度有减小的趋势。

7 结论

笔者针对某航空发动机高压工作叶片进行优化改型,对改型前后叶片的冷却特性进行了分析,主要得到以下结论:

(1)改型叶片前腔、中腔的结构提高了叶片前部、中部区域的冷却效果,降低了尾部冷却效果;

▲图7 改型前后叶片榫头温度分布对比

(2)改型对叶片叶冠壁面温度分布的影响较小;

(3)改型叶片榫头沿高度方向的温度梯度有减小的趋势。