付斌，史家偉，黃康才

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪內(nèi)部流場(chǎng)具有復(fù)雜的非定常特性，包括轉(zhuǎn)/靜干涉、分離流、二次流、冷氣流、熱斑等。其中轉(zhuǎn)/靜干涉會(huì)導(dǎo)致氣冷渦輪動(dòng)葉前緣壓力、溫度、速度均有較大波動(dòng)，對(duì)前緣氣膜孔出流產(chǎn)生巨大影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)試中，渦輪動(dòng)葉前緣常常發(fā)生氧化燒蝕現(xiàn)象，影響渦輪葉片的壽命及可靠性。因此，研究渦輪轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理及其對(duì)動(dòng)葉前緣氣膜孔出流的影響意義重大。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于渦輪轉(zhuǎn)靜間非定常流動(dòng)機(jī)理的研究。DOORLY D J等[1]用轉(zhuǎn)動(dòng)的圓棒模擬導(dǎo)向葉片的尾緣激波和尾跡, 發(fā)現(xiàn)激波直接打在葉片表面對(duì)換熱的影響不大。SMITH A C等[2]通過(guò)研究非定常激波對(duì)氣冷渦輪葉片冷氣出流的影響，發(fā)現(xiàn)由于葉片總引氣量一定，激波減小了葉片吸力面的冷氣量，而使得壓力面的冷氣量相應(yīng)增加。HEIDMANN J[3]計(jì)算結(jié)果表明，尾跡的非定常掃掠使壓力面的展向氣膜冷卻有效溫比降低，主要原因是尾跡使冷卻氣流脫離壁面，加劇冷卻氣流和主流的摻混程度。KORAKIANITIS T[4]的研究表明對(duì)于無(wú)激波的中等負(fù)荷渦輪，決定尾跡干涉或勢(shì)干涉占主導(dǎo)地位的主要參數(shù)是靜子、轉(zhuǎn)子的節(jié)距比。周莉等[5]發(fā)現(xiàn)尾跡寬度增大，使葉片表面氣膜冷卻效率降低的程度增加，尾跡對(duì)壓力面冷卻效果的影響大于吸力面，對(duì)動(dòng)葉的周期性非定常影響主要表現(xiàn)在前緣附近。李虹楊等[6]的研究發(fā)現(xiàn)勢(shì)干涉通過(guò)影響主流流場(chǎng)，能很大程度地改變下游葉片的入射角，且對(duì)氣膜孔的冷卻射流有非常大的影響。王宇峰等[7]研究跨聲速渦輪級(jí)葉型，發(fā)現(xiàn)靜葉尾緣外伸波的掃掠會(huì)導(dǎo)致動(dòng)葉表面氣膜的周期性分離，顯著降低葉片表面氣膜冷卻效率。而動(dòng)葉壓力面前緣附近的冷氣噴射主要受到靜葉尾跡的影響，尾緣外伸波對(duì)其影響不明顯。周勇等[8]發(fā)現(xiàn)冷卻氣流在激波和尾跡經(jīng)過(guò)時(shí), 會(huì)發(fā)生上揚(yáng)和重新被壓制回壁面的現(xiàn)象。

目前，對(duì)非定常流動(dòng)機(jī)理多為初步定性研究，且對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉影響氣膜出流的相關(guān)研究較少。本文通過(guò)非定常數(shù)值模擬的方法對(duì)某典型跨聲速渦輪進(jìn)行轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理的量化研究，分析轉(zhuǎn)/靜干涉對(duì)動(dòng)葉前緣氣膜出流的影響，探索動(dòng)葉前緣臨界逆流裕度的影響因素。

1 方法

1.1 幾何模型和網(wǎng)格

為研究跨聲速渦輪轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理及其對(duì)動(dòng)葉前緣氣膜孔出流的影響，以某典型跨聲速渦輪為研究對(duì)象，導(dǎo)葉葉片數(shù)為42，動(dòng)葉葉片數(shù)為66。轉(zhuǎn)靜子葉片數(shù)比例為7∶11，故不需要進(jìn)行葉形縮放。截取中截面位置2 mm厚度的薄片作為無(wú)冷卻渦輪模型，而有冷卻渦輪模型則在此基礎(chǔ)上增加動(dòng)葉前緣氣膜孔和冷氣腔結(jié)構(gòu)，氣膜孔位置如圖1所示。常規(guī)非定常計(jì)算模型包含7個(gè)導(dǎo)葉通道和11個(gè)動(dòng)葉通道，有冷卻渦輪模型、計(jì)算網(wǎng)格圖2所示。

圖1 動(dòng)葉前緣不同位置的氣膜孔

1.2 計(jì)算設(shè)置

給定進(jìn)口總溫、總壓、氣流方向、出口靜壓和轉(zhuǎn)速，工質(zhì)為指定燃?xì)?；給定通道周向最外側(cè)為周期性邊界，上下流道面為滑移壁面，葉片表面為無(wú)滑移壁面。設(shè)置氣膜孔冷卻腔進(jìn)口類型為開(kāi)放式進(jìn)口，尋找氣膜孔出口流量恒大于0的臨界腔壓。基于商用ANSYS-CFX軟件，采用常規(guī)非定常計(jì)算方法，設(shè)置計(jì)算總步數(shù)為420步，監(jiān)控單個(gè)氣膜孔出流流量的收斂情況，算例在220步之后冷氣流量呈周期性變化，判定計(jì)算收斂，如圖3所示。

圖3 氣膜孔出流流量的收斂情況

1.3 參數(shù)定義

將本文重要參數(shù)——?dú)饽た啄媪髟６榷x為葉片內(nèi)部冷卻腔的平均相對(duì)總壓與氣膜孔時(shí)均背壓的比值。工程上常用氣膜孔的逆流裕度來(lái)表征氣膜孔抵抗燃?xì)獾构嗟哪芰?。臨界逆流裕度定義為保證氣膜孔持續(xù)出流(冷氣流量恒大于0)的最小逆流裕度值。本文壓力的當(dāng)量參數(shù)取動(dòng)葉進(jìn)口截面的平均相對(duì)總壓。

2 結(jié)果及分析

2.1 渦輪級(jí)間轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理

1)轉(zhuǎn)/靜干涉對(duì)動(dòng)葉表面壓力的影響

圖4為動(dòng)葉葉片表面的壓力分布(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問(wèn)咨詢作者)，包括非定常壓力、定常壓力以及非定常時(shí)均壓力分布。橫坐標(biāo)代表相對(duì)于動(dòng)葉軸向弦長(zhǎng)的位置，0～100代表葉盆側(cè)，0～-100代表葉背側(cè)?？梢钥闯龆ǔＳ?jì)算的壓力分布曲線與非定常時(shí)均結(jié)果較為接近，動(dòng)葉前緣吸力側(cè)區(qū)域壓力波動(dòng)最大。

圖4 動(dòng)葉葉片表面壓力分布

動(dòng)葉葉片表面壓力波動(dòng)的相對(duì)值如圖5所示，相對(duì)波動(dòng)量最大的兩個(gè)位置分別為動(dòng)葉前緣至吸力側(cè)20%軸向弦長(zhǎng)區(qū)域(壓力波動(dòng)46%)和吸力側(cè)75%～80%軸向弦長(zhǎng)區(qū)域(壓力波動(dòng)40%)，正好對(duì)應(yīng)動(dòng)葉表面受激波干涉的兩個(gè)區(qū)域，如圖6(a)所示。顯然，跨聲速渦輪中影響動(dòng)葉表面壓力波動(dòng)的最大因素為激波干涉。

圖5 動(dòng)葉葉片表面壓力波動(dòng)分布

圖6 轉(zhuǎn)靜間激波干涉、尾跡干涉示意圖

圖7為動(dòng)葉表面壓力時(shí)空?qǐng)D，縱坐標(biāo)為兩個(gè)導(dǎo)葉周期，可以明顯看到導(dǎo)葉尾跡和尾緣激波對(duì)動(dòng)葉的作用時(shí)間不一致，尾跡作用于葉片前緣及吸力面部分區(qū)域，造成壓力減小約14%，尾緣激波作用于動(dòng)葉前緣及前緣吸力側(cè)區(qū)域造成壓力突增約32%，同時(shí)，波后形成的高壓區(qū)會(huì)使動(dòng)葉壓力面表面壓力升高。

圖7 動(dòng)葉表面壓力時(shí)空?qǐng)D

2)轉(zhuǎn)/靜干涉對(duì)導(dǎo)葉表面壓力的影響

不同于上游導(dǎo)葉對(duì)下游動(dòng)葉的非定常影響，下游動(dòng)葉對(duì)上游導(dǎo)葉只存在勢(shì)干涉。在跨聲速渦輪級(jí)中，由于導(dǎo)葉尾緣右伸激波打在相鄰導(dǎo)葉的吸力面上，導(dǎo)致下游動(dòng)葉對(duì)上游導(dǎo)葉的勢(shì)干涉無(wú)法影響到導(dǎo)葉喉部前流場(chǎng)。如圖8所示，可以認(rèn)為導(dǎo)葉吸力面75%～100%軸向弦長(zhǎng)區(qū)域存在的壓力波動(dòng)完全是由下游動(dòng)葉對(duì)上游導(dǎo)葉的勢(shì)干涉引起。由圖9可以看出下游動(dòng)葉對(duì)上游導(dǎo)葉的勢(shì)干涉導(dǎo)致的相對(duì)壓力波動(dòng)為2%～8%。

圖8 導(dǎo)葉葉片表面壓力分布

圖9 導(dǎo)葉葉片表面壓力波動(dòng)分布

此外，還可以觀察到導(dǎo)葉吸力面75%～100%軸向弦長(zhǎng)區(qū)域壓力分布的定常結(jié)果與非定常時(shí)結(jié)果均相差較大。這主要是由于定常模型中轉(zhuǎn)靜交界面算法導(dǎo)致的流場(chǎng)失真，不能模擬真實(shí)流場(chǎng)中動(dòng)葉對(duì)導(dǎo)葉的勢(shì)干涉影響。

3)轉(zhuǎn)/靜干涉對(duì)動(dòng)葉進(jìn)口氣流角的影響

動(dòng)葉前緣上游某監(jiān)控點(diǎn)速度方向與軸向夾角隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示，動(dòng)葉進(jìn)口氣流角一直存在小范圍波動(dòng)，但當(dāng)導(dǎo)葉尾緣外伸激波掃掠至監(jiān)控點(diǎn)位置，氣流角突降13°。進(jìn)一步分析監(jiān)控點(diǎn)軸向速度和周向速度隨時(shí)間的變化曲線，如圖11所示，發(fā)現(xiàn)氣流角突降的主要原因?yàn)橹芟蛩俣劝l(fā)生突降。

圖10 動(dòng)葉進(jìn)口氣流角變化

圖11 監(jiān)控點(diǎn)軸向速度與周向速度變化

動(dòng)葉進(jìn)口氣流角的變化導(dǎo)致動(dòng)葉前緣滯止點(diǎn)位置的擺動(dòng)，圖12為動(dòng)葉前緣滯止點(diǎn)相對(duì)軸向弦長(zhǎng)位置隨時(shí)間的變化曲線，前緣滯止點(diǎn)在動(dòng)葉壓力面上的擺動(dòng)范圍為4.56%～7.81%軸向弦長(zhǎng)。

圖12 動(dòng)葉前緣滯止點(diǎn)相對(duì)軸向弦長(zhǎng)變化

2.2 轉(zhuǎn)/靜干涉對(duì)氣膜出流的影響

圖13-圖15展示了不同冷氣腔壓下動(dòng)葉前緣氣膜孔流量變化，可以看出前緣偏壓力側(cè)氣膜孔的無(wú)量綱臨界腔壓為1.00，前緣點(diǎn)氣膜孔為0.99，前緣偏吸力側(cè)氣膜孔為0.91。隨著氣膜孔位置向吸力側(cè)移動(dòng)，壓力波動(dòng)幅值逐漸增大，氣膜孔流量波動(dòng)幅值相應(yīng)增大，提升冷氣腔壓對(duì)氣膜孔流量的提升越不明顯。

圖13 前緣偏壓力側(cè)氣膜孔流量變化

圖14 前緣點(diǎn)氣膜孔流量變化

圖15 前緣偏吸力側(cè)氣膜孔流量變化

進(jìn)口氣流角的改變導(dǎo)致動(dòng)葉攻角的改變，進(jìn)而導(dǎo)致前緣滯止點(diǎn)的前后擺動(dòng)。當(dāng)氣膜孔位于滯止點(diǎn)擺動(dòng)范圍之內(nèi)時(shí)，氣膜孔出流方向發(fā)生改變，圖16展示了前緣偏壓力側(cè)氣膜孔的出流變化情況。

圖16 前緣偏壓力側(cè)氣膜孔出流情況

2.3 動(dòng)葉前緣氣膜孔臨界逆流裕度的影響因素

表1 氣膜冷卻逆流裕度與氣膜孔背壓波動(dòng)的關(guān)系

下面對(duì)動(dòng)葉表面不同位置氣膜孔臨界逆流裕度進(jìn)行初步預(yù)測(cè)。動(dòng)葉表面相對(duì)峰值壓力與氣膜冷卻臨界逆流裕度分布如圖17所示。動(dòng)葉表面氣膜孔臨界逆流裕度的最大值在前緣偏吸力側(cè)位置，但由于該位置氣膜孔時(shí)均壓力較低，所以對(duì)腔壓的要求不高。

圖17 動(dòng)葉表面相對(duì)峰值壓力與氣膜冷卻臨界逆流裕度分布

圖18展示了冷氣腔臨界腔壓分布，可以看出對(duì)動(dòng)葉冷氣壓力要求最高的位置仍然是動(dòng)葉前緣及前緣偏壓力側(cè)區(qū)域。

圖18 冷氣腔臨界腔壓分布

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某典型跨聲速渦輪進(jìn)行轉(zhuǎn)/靜干涉機(jī)理的量化研究，分析轉(zhuǎn)/靜干涉對(duì)動(dòng)葉前緣氣膜出流的影響。得出如下結(jié)論。

1)導(dǎo)葉尾緣外伸激波引起動(dòng)葉前緣至吸力側(cè)20%軸向弦長(zhǎng)位置表面壓力突增，表面壓力波動(dòng)最高可達(dá)32%。導(dǎo)葉尾跡主要影響動(dòng)葉前緣及吸力面區(qū)域，使表面壓力下降約14%，對(duì)氣膜出流有較大影響。勢(shì)干涉只能影響導(dǎo)葉喉部后流場(chǎng)，造成導(dǎo)葉表面最高8%的壓力波動(dòng)。

2)受激波干涉的影響，動(dòng)葉進(jìn)口氣流角存在13°的變化幅值，導(dǎo)致動(dòng)葉攻角的變化和前緣滯止點(diǎn)的擺動(dòng)，動(dòng)葉前緣滯止點(diǎn)擺動(dòng)范圍為4.56%～7.81%軸向弦長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致前緣滯止點(diǎn)擺動(dòng)范圍內(nèi)的氣膜孔出流方向發(fā)生改變。

3)動(dòng)葉前緣氣膜孔的臨界逆流裕度與出口相對(duì)峰值壓力存在一個(gè)穩(wěn)定比值為0.98，對(duì)葉片冷氣壓力要求最高的位置仍然是動(dòng)葉前緣及前緣壓力側(cè)區(qū)域。