雙輻板渦輪盤流動與換熱試驗研究

趙維維，郭文，呼艷麗，徐連強

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

雙輻板渦輪盤流動與換熱試驗研究

趙維維，郭文，呼艷麗，徐連強

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

通過測量不同工況下雙輻板渦輪盤壁面溫度、盤腔內(nèi)氣流壓力和溫度分布，研究了盤心冷氣流量、轉(zhuǎn)速及盤緣加熱量對盤內(nèi)流動與換熱的影響。結(jié)果表明，雙輻板渦輪盤試驗件壁面溫度隨轉(zhuǎn)速的上升而下降，隨盤緣加熱量的增加而上升；由于盤緣加熱，整個壁面溫度在徑向上沿盤面逐漸上升；由于離心力作用，盤內(nèi)氣流壓力隨轉(zhuǎn)速的上升而略有升高；轉(zhuǎn)速越高換熱效果越好，盤內(nèi)氣流溫度越低。

航空發(fā)動機；雙輻板渦輪盤；IHPTET；換熱特性；試驗研究

1 引言

航空發(fā)動機渦輪前進口燃氣溫度和循環(huán)效率的提高，必然會對熱端部件的結(jié)構(gòu)和冷卻技術(shù)提出更高的要求。傳統(tǒng)渦輪盤為實心結(jié)構(gòu)，由高溫合金鍛造或鑄造而成，這使得盤質(zhì)量大且冷氣無法通過盤內(nèi)對其進行冷卻，易導致渦輪盤溫度較高且分布不均，熱應力大。

美國在IHPTET計劃中，驗證了一種可減小渦輪盤質(zhì)量并延長其壽命周期的空心結(jié)構(gòu)設(shè)計的新型雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)。雙輻板渦輪盤采用焊接方法加工而成，冷氣可直接流進雙輻板間的空腔，對渦輪盤內(nèi)部進行冷卻，有效改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式冷氣只能從盤面流過的冷卻形式，提高了盤的冷卻效果，減少了冷卻空氣用量，提高了發(fā)動機性能。同時，合理的冷卻方式使得渦輪盤的溫度分布更加均勻，熱應力更小，從而延長了渦輪盤壽命。研究[1]表明，與傳統(tǒng)渦輪盤相比，這種焊接的雙幅板渦輪盤能減少17%的質(zhì)量，提高9%的轉(zhuǎn)速，提高AN2值，從而降低渦輪盤的高周疲勞失效，進而大幅降低發(fā)動機的非定期維護成本。

目前，國內(nèi)外對于實心渦輪盤的研究技術(shù)比較成熟，積累了大量經(jīng)驗，但實心渦輪盤的冷卻效果已無太多潛力可挖，因此迫切需要開展新型冷卻結(jié)構(gòu)的研究。在實心渦輪盤基礎(chǔ)上發(fā)展起來的雙輻板渦輪盤，采用帶有滑出小舌的盤內(nèi)孔冷卻概念設(shè)計，使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時固定到位，從而收集冷氣并將之引至輪緣[2]。國內(nèi)對雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計也進行了一定研究，如陸山等[3]分別對單輻板和雙輻板盤進行了優(yōu)化設(shè)計，驗證了雙輻板盤的優(yōu)越性；張乘齊等[4]針對雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)及其連接的設(shè)計特點，進行了經(jīng)驗設(shè)計、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化。但對盤腔內(nèi)的流動和換熱結(jié)構(gòu)方面的研究較少，且基本局限于數(shù)值模擬階段[5-6]。本文通過試驗，研究了雙輻板渦輪旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)冷氣流量、轉(zhuǎn)速及盤緣加熱量等參數(shù)對盤腔內(nèi)流動與換熱的影響。

2 試驗件及試驗

2.1 試驗件

雙輻板渦輪盤試驗件(圖1)，主要用于摸索雙輻板渦輪盤盤腔內(nèi)的流動與換熱機理，設(shè)計為可拆卸結(jié)構(gòu)，左、右輻板通過止口定位，螺栓聯(lián)接，摩擦傳扭。試驗時，其最高工作溫度不超過227℃，轉(zhuǎn)速不超過3 000 r/min。

圖1 左、右輻板實物照片F(xiàn)ig.1 Left&right web of dual-web turbine disk specimen

試驗件上安排壁面溫度、盤腔壓力和盤腔溫度測點。其中，壁面溫度測點24個，腔壓和腔溫測點各6個，且每個測點沿周向兩點均布。各測點說明見表1，測點布置如圖2所示。

圖2 試驗件測點布置示意圖Fig.2 The layout of the specimen stations

表1 雙輻板渦輪盤流動與換熱試驗件測量參數(shù)表Table 1 Test parameters for dual-web turbine disk specimen on flow and heat transfer field

2.2 試驗內(nèi)容及方法

雙輻板渦輪盤試驗件安裝在支承系統(tǒng)上，由250 kW動力系統(tǒng)提供動力，保證其在0～3 000 r/min內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。輪盤頂部設(shè)置一輻射加熱罩，罩內(nèi)空氣溫度恒定為227℃。氣源供給的冷卻空氣由渦輪盤心引入，雙輻板渦輪盤冷卻方案如圖3所示。冷氣進入101腔后，小部分冷氣在旋轉(zhuǎn)作用下經(jīng)舌板通道進入106腔，對盤內(nèi)壁面進行冷卻后又沿盤面回到101腔，最后經(jīng)孔F3流入盤后。測試信號采用滑環(huán)引電器引出，由動態(tài)系統(tǒng)處理后送到計算機顯示。轉(zhuǎn)速利用磁電傳感器測量。

試驗工況見表2，試驗時調(diào)節(jié)盤心冷氣流量分別至10、35、40、60 g/s；啟動電加溫器，將盤緣逐步加溫至各流量下對應的溫度并保持穩(wěn)定；在上述每一狀態(tài)下啟動電機，轉(zhuǎn)速從0逐步升高至3 000 r/min，記錄1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 r/min時的穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)(盤面壁溫、盤腔溫度和壓力)。獲取轉(zhuǎn)速、盤心冷氣流量、盤緣加熱量，對雙輻板渦輪盤盤腔內(nèi)氣體流動與換熱特性的影響。

圖3 冷卻方案示意圖Fig.3 Schematic view of cooling method

表2 試驗工況Table 2 The operating conditions

圖4 雙輻板壁面溫度隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.4 Wall temperature changes with rotating speed

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 壁面溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

部分試驗狀態(tài)下壁面溫度隨轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示?？梢?，在盤心冷氣流量和盤緣加熱初始溫度一定的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，盤面溫度明顯降低。這是因為旋轉(zhuǎn)使壁面與冷氣的相對速度加大，進入腔內(nèi)的氣體流量增加，溫度梯度變化較劇烈，換熱系數(shù)明顯加強，從而使壁溫降低。

3.2 壁面溫度隨盤緣加熱量的變化

圖5給出了盤心冷氣流量為10 g/s、試驗件在靜止和3 000 r/min轉(zhuǎn)速時，雙輻板壁面溫度隨盤緣加熱量的變化。可見，流量和轉(zhuǎn)速一定時，隨著盤緣加熱量的增加，盤面溫度升高，且越靠近盤緣溫度升高越多，這符合本試驗邊界加熱的情況。加熱溫度對試驗件表面溫度分布有較大影響，加熱溫度越高試驗件溫度上升越大；轉(zhuǎn)速越低流入盤腔內(nèi)的流量越小，換熱越弱，試驗件溫度升幅也越大。

圖5 盤心冷氣流量為10 g/s時雙輻板壁面溫度隨盤緣加熱量的變化Fig.5 Wall temperature changes with rim heat flux(case 10 g/s)

3.3 壁面溫度分布

圖6給出了不同盤心冷氣流量、轉(zhuǎn)速和盤緣加熱溫度下，雙輻板壁面溫度沿半徑方向的變化。可見，試驗件壁面溫度在半徑方向由盤心處向盤緣逐漸升高，同時因轉(zhuǎn)速影響上升趨勢減緩。這是因為試驗件的溫度主要由加熱端通過導熱方式傳遞，從而使整個溫度分布在半徑方向沿加熱段逐漸上升；而轉(zhuǎn)動使氣流熱量交換充分，故溫度上升趨勢較緩。

圖6 雙輻板壁面溫度分布Fig.6 Wall temperature distribution of the dual-web disk

3.4 壁面壓力隨轉(zhuǎn)速的變化

圖7給出了不同盤心冷氣流量和盤緣初始加熱溫度下，雙輻板壁面壓力隨轉(zhuǎn)速的變化?？梢姡D(zhuǎn)速對試驗件壁面壓力的影響不大，且各位置的壓力較為接近；隨著轉(zhuǎn)速的升高，壁面壓力略有上升，這是由于轉(zhuǎn)動離心增壓所致。

3.5 腔內(nèi)氣流溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

圖8給出了不同盤心冷氣流量和盤緣初始加熱溫度下，雙輻板盤腔內(nèi)氣流溫度隨轉(zhuǎn)速的變化?？梢姡D(zhuǎn)速對腔內(nèi)TC2A、TC4及TC4A測點氣流溫度的影響不大，且各位置的溫度較為接近；而TC3、TC5及TC5A測點溫度隨轉(zhuǎn)速的上升而下降。這是因為TC2A、TC4及TC4A位于試驗件進氣軸心位置，受試驗件熱傳遞和換熱影響較小；而TC3、TC5及TC5A位于試驗件盤腔內(nèi)部靠近試驗件加熱位置(溫度略高)，轉(zhuǎn)速越高，換熱效果越強，氣流溫度就越低。

圖7 雙輻板壁面壓力隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.7 Wall pressure changes with rotating speed

圖8 雙輻板腔內(nèi)氣流溫度隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.8 Cooling-air temperature changes with rotating speed

4 結(jié)論

(1)試驗件壁面溫度隨轉(zhuǎn)速的升高而降低；盤緣加熱溫度越高，加熱量就越大，試驗件壁面溫度就越高。

(2)盤緣加熱使得渦輪盤整個壁面溫度在徑向上沿著盤緣逐漸上升；轉(zhuǎn)動時由于離心力的作用，渦輪盤壁面壓力隨著轉(zhuǎn)速的增大略有上升。

(3)試驗件進氣軸心位置的氣流溫度，受轉(zhuǎn)速和加熱量的影響不大，但腔內(nèi)靠近加熱位置的氣流溫度較高，且轉(zhuǎn)速越高氣流溫度越低。

[1]Integrated High Performance Turbine Engine Technolo?gy(IHPTET)[R].USA：U.S.Department of Defense，2006.

[2]江和甫.對渦輪盤材料的需求及展望[J].燃氣渦輪試驗與研究，2002，15(4)：1—6.

[3]陸山，李倫未.航空發(fā)動機高負荷渦輪盤雙輻板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].推進技術(shù)，2011，32(5)：631—636.

[4]張乘齊，黃文周，劉學偉，等.低慣量渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[J].燃氣渦輪試驗與研究，2013，26(4)：33—36.

[5]趙熙，徐國強，羅翔，等.等重量空心盤冷氣布置方案[J].北京航空航天大學學報，2009，35(5)：527—531.

[6]羅翔.復雜旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)冷氣的流動和換熱特性研究[D].北京：北京航空航天大學，2003.

Experimental Investigation of Flow and Heat Transfer in the Dual-Web Turbine Disk

ZHAO Wei-wei，GUO Wen，HU Yan-li，XU Lian-qiang
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

An experimental investigation on the flow and heat transfer in the dual-web turbine disk rig cavi?ty was conducted.The experimental data of disk wall temperature,air pressure and temperature distribution in the cavity was obtained for different operating conditions.The effect of the cooling mass flow rate,rotat?ing speed and heat flux from disk rim on flow and heat transfer field was investigated in details by analyzing the experimental data.The results demonstrates that the disk wall temperature decreases with the accretion of the rotating speed and increases with the accretion of the heat flux from disk rim;when the rim is heated the temperature on the disk wall increases along the radial direction;the cooling-air pressure rises slightly with increasing of the rotating speeds as a result of the centrifugal effect,on the other hand the cooling-air temperature in the cavity changes against with the rotating speed.

aero-engine；dual-web turbine disk；IHPTET；heat transfer characteristics；experimental investigation

V231.1

：A

：1672-2620(2014)06-0028-05

2013-10-07；

：2014-08-25

趙維維(1987-)，女，廣西桂林人，碩士研究生，主要從事航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)與熱分析研究。