渦輪進(jìn)口熱斑遷移特性研究

■ 馬薏文 朱江楠 苗輝 / 中國(guó)航發(fā)研究院

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的出口氣流不均勻會(huì)造成渦輪入口處存在明顯的局部高溫現(xiàn)象。針對(duì)高溫?zé)岚唛_展精細(xì)化研究，明確其影響因素、遷移路徑以及在后方各級(jí)葉柵中的具體作用，提出降低熱斑消極影響的解決方案，可以從細(xì)節(jié)上進(jìn)一步提升渦輪的總體效率。

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，因燃燒室自身結(jié)構(gòu)、燃燒組織及冷卻機(jī)制的綜合作用，實(shí)際出口流場(chǎng)與溫度場(chǎng)往往存在明顯的周向和徑向溫度梯度，燃?xì)夂诵膮^(qū)溫度明顯高于周圍流體，局部的最高溫度可以達(dá)到最低溫度的兩倍左右, 接近甚至超過了金屬材料的熱屈服值，這種局部的高溫氣流被稱為熱斑，如圖 1所示。熱斑在進(jìn)入高壓渦輪級(jí)后，冷熱氣流在流道中按不同的路徑發(fā)生遷移。同時(shí)，動(dòng)靜葉排之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)使高低溫流在葉排間產(chǎn)生遷移，給渦輪葉片帶來明顯的熱負(fù)荷分布不均勻現(xiàn)象。這種現(xiàn)象造成葉片表面局部過熱甚至燒蝕失效，極大地影響了葉片的可靠性和壽命，在轉(zhuǎn)子葉片壓力面上尤為顯著。

圖 1 渦輪入口處溫度場(chǎng)熱斑

熱斑的遷移特性

早在20世紀(jì)40年代，美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室（US Navy Ordnance Laboratory）的蒙克等人就注意到渦輪進(jìn)口附近存在局部高溫并進(jìn)行了理論推導(dǎo)，認(rèn)為由燃燒室出口溫度不均勻現(xiàn)象產(chǎn)生的熱斑不會(huì)對(duì)渦輪第一級(jí)靜子葉片流場(chǎng)造成影響，但對(duì)轉(zhuǎn)子葉片流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的改變較為明顯。渦輪進(jìn)口總壓分布的不均勻性會(huì)使靜子葉片柵流道中的流動(dòng)形態(tài)發(fā)生一定的變化，并由壓力梯度產(chǎn)生二次流。此后，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（American National Standard Institution）的蒂爾斯和國(guó)家航空航天局（NASA）的埃爾默等人分別通過對(duì)燃燒室內(nèi)部溫度場(chǎng)與第一級(jí)渦輪葉柵通道溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，證實(shí)渦輪入口處溫度存在不均勻現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)子葉片通道中，熱斑的遷移特性有冷熱氣流分離、時(shí)序效應(yīng)、浮力以及二次流等4個(gè)主要誘因。

冷熱氣流分離

熱斑的存在以及渦輪級(jí)中冷卻氣流混合作用在主流中（在完全摻混前可視為獨(dú)立流動(dòng)的多股冷熱氣流）有不同的遷移流動(dòng)路徑。因而溫度相對(duì)較高的熱斑流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的速度高于主流和其他低溫流體，且在流動(dòng)過程中向著壓力面偏移，同時(shí)低溫流體傾向于在轉(zhuǎn)子葉片吸力面匯集，由此發(fā)生冷熱氣流分離。在冷熱氣流分離效應(yīng)下，動(dòng)力壓力面的熱負(fù)荷急劇增大，時(shí)均壓力面最高溫度可高于前緣最高溫度35%，冷熱流分離在燃?xì)廨啓C(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵轉(zhuǎn)子葉片中會(huì)導(dǎo)致高達(dá)100 ～240K的溫差。另一方面，在有導(dǎo)向葉片尾縫冷氣和渦輪入口熱斑同時(shí)作用的轉(zhuǎn)子葉片表面，這兩股氣流會(huì)匯集在不同位置上，不能用來彼此中和。

圖 2 轉(zhuǎn)靜干擾導(dǎo)致靜子葉片出流角波動(dòng)與轉(zhuǎn)子葉片通道流場(chǎng)變化

時(shí)序效應(yīng)

時(shí)序效應(yīng)的影響是出自于渦輪級(jí)中動(dòng)靜交界面處，熱斑的周向位置在動(dòng)靜葉排間的非定常干涉環(huán)境中會(huì)隨著轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)頻率而呈現(xiàn)不斷地?cái)[動(dòng)（見圖 2），在1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)的擺動(dòng)幅度可以達(dá)到20%葉柵節(jié)距。在有熱斑存在的情況下，即使很小的轉(zhuǎn)靜干涉也會(huì)造成很可觀的溫度變化，普惠公司的研究人員利用簡(jiǎn)單徑向平衡方程數(shù)值模擬的方法對(duì)熱斑在渦輪轉(zhuǎn)子葉片上的熱負(fù)荷進(jìn)行了定性與定量研究，發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)向葉片出流角±3°內(nèi)波動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片排入口周向時(shí)均溫度變化甚至?xí)_(dá)到100K，可想而知，更大的轉(zhuǎn)靜干涉會(huì)引發(fā)更強(qiáng)烈的溫度變化。

一方面，從渦輪葉片幾何布置來看，轉(zhuǎn)子葉片溫度場(chǎng)會(huì)隨轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片數(shù)量比變化，為了降低熱斑時(shí)序效應(yīng)的影響，選取最優(yōu)轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片數(shù)量比十分必要，可以最大程度地降低熱斑對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉片造成的熱負(fù)荷。如圖 3所示，導(dǎo)向葉片與轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量之比為3∶5時(shí)轉(zhuǎn)子葉片表面有最低程度的溫度不均勻性，是最優(yōu)的轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片數(shù)量比。在多個(gè)熱斑作用的情況下，英國(guó)杜倫大學(xué)的研究人員用多葉片排三維黏性非定常數(shù)值計(jì)算程序研究了一個(gè)跨聲速渦輪中的熱斑通道數(shù)比(進(jìn)口熱斑數(shù)目與渦輪導(dǎo)向葉片數(shù)目之比)效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)不同通道數(shù)比下，轉(zhuǎn)子葉片熱負(fù)荷對(duì)熱斑時(shí)序位置變化的敏感程度不同，其中當(dāng)通道數(shù)比為1∶1時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片熱負(fù)荷對(duì)熱斑時(shí)序位置的變化較敏感，但當(dāng)通道數(shù)比為1∶4時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片熱負(fù)荷幾乎不因熱斑時(shí)序位置的變化而變化。

圖 3 轉(zhuǎn)子葉片溫度場(chǎng)隨轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片數(shù)量比變化[1]

另一方面，熱斑引入的周向徑向位置差異也會(huì)造成時(shí)序效應(yīng)的不同表現(xiàn)。從周向位置看，熱斑對(duì)靜子葉片完全無沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片壓力面上有明顯的熱流聚集，熱流的徑向遷移也十分明顯；而熱斑對(duì)靜子葉片完全直接沖擊時(shí)，在大部分葉高上的轉(zhuǎn)子葉片壓力面與吸力面的溫度分布高度一致且較為均勻。更為重要的是，熱流很少由壓力面葉尖泄漏到吸力面區(qū)域，有效降低了局部高溫?zé)g的風(fēng)險(xiǎn)?？傊?，進(jìn)口熱斑在正對(duì)第一級(jí)導(dǎo)向葉片前緣時(shí)可以有效地降低轉(zhuǎn)子葉片和第二級(jí)導(dǎo)向葉片的熱負(fù)荷，但也付出了第一級(jí)導(dǎo)向葉片熱負(fù)荷增加的代價(jià)，在熱斑完全沖擊第一級(jí)靜子葉片時(shí)，熱斑熱流與靜子葉片尾跡混合后作用在轉(zhuǎn)子葉片上的熱負(fù)荷明顯更小。第二級(jí)導(dǎo)向葉片上溫度場(chǎng)與第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片表現(xiàn)基本有相同趨勢(shì)，但由于熱流已與主流對(duì)流摻混，溫度變化更小。從徑向位置看，隨著熱斑徑向位置的升高，轉(zhuǎn)子葉片區(qū)域里輪轂的熱負(fù)荷逐漸降低，機(jī)匣的熱負(fù)荷逐漸升高。熱斑在完全正對(duì)沖擊第一級(jí)靜子葉片下半部分（偏葉根方向）區(qū)域時(shí)有相對(duì)較輕的負(fù)面影響，如圖 4可見最優(yōu)和最差熱斑沖擊方案下的瞬時(shí)溫度場(chǎng)對(duì)比。

圖 4 最優(yōu)和最差熱斑位置方案下的瞬時(shí)溫度場(chǎng)對(duì)比[2]

浮力影響

熱斑在轉(zhuǎn)子葉片流道中受到浮力影響會(huì)產(chǎn)生向輪轂方向的遷移。從局部來看，熱斑的遷移特性受浮力影響很明顯，浮力推動(dòng)高溫流體向輪轂位置偏移，使溫度局部不均勻地升高，這種偏移的程度與熱斑溫度線性正相關(guān)，與流動(dòng)系數(shù)的平方負(fù)相關(guān)。

二次流影響

熱斑會(huì)改變轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口處溫度壓力以及速度場(chǎng)的分布，并由此產(chǎn)生相應(yīng)的附加二次流，如圖 5所示。附加二次流會(huì)增強(qiáng)轉(zhuǎn)子葉片壓力面?zhèn)雀邷亓黧w的徑向遷移，使得遷移至轉(zhuǎn)子葉片壓力面附近的高溫流體逐漸向上下端壁擴(kuò)散，而在吸力面上附加二次流對(duì)高溫流體徑向遷移的影響相對(duì)較小。

圖 5 轉(zhuǎn)子葉片壁面絕熱溫度分布[3]

熱斑流動(dòng)參數(shù)的影響

由于熱斑源于燃燒室運(yùn)行工況以及變化，所引起的熱斑形狀、旋流、溫比、個(gè)數(shù)等特性參數(shù)的變化對(duì)熱斑非定常遷移以及渦輪熱負(fù)荷分布有一定影響。目前，大多數(shù)的熱斑研究都以單個(gè)圓形熱斑為對(duì)象，而實(shí)際燃燒室出口的熱斑形態(tài)、大小、個(gè)數(shù)等特性往往是不盡相同的。

橢圓形的熱斑由于與周圍氣流接觸面積更大，導(dǎo)致其熱斑徑向摻混比周向摻混強(qiáng)烈。另外，熱斑截面積較小時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片平均溫度受熱斑溫比和形狀的影響較小。熱斑截面積較大時(shí)，因轉(zhuǎn)子葉片輪轂二次流的影響，會(huì)產(chǎn)生額外的高溫區(qū)。熱斑的溫比在不同工況下差異很大，對(duì)下游渦輪部件的溫度載荷分布造成直接影響，轉(zhuǎn)子葉片壓力面附近會(huì)產(chǎn)生間歇性的流動(dòng)分離，致使熱斑與轉(zhuǎn)子葉片壁面之間出現(xiàn)一薄層低溫流體，溫比增加，則流動(dòng)分離的產(chǎn)生頻率增加。在采用強(qiáng)旋流燃燒器時(shí)，帶熱斑的旋流會(huì)引起葉片表面熱負(fù)荷的顯著增加，高壓靜子葉片局部甚至?xí)鲞_(dá)200%之高。

葉柵結(jié)構(gòu)對(duì)熱斑遷移的影響

葉柵彎扭、非軸對(duì)稱端壁和葉頂間隙等葉柵結(jié)構(gòu)對(duì)熱斑遷移的影響已經(jīng)成為關(guān)注重點(diǎn)。通過控制靜子葉片出口流場(chǎng)來調(diào)整熱斑在轉(zhuǎn)子葉片中的遷移是削弱熱斑產(chǎn)生高熱負(fù)荷區(qū)域的有效方法，葉柵彎扭等結(jié)構(gòu)能夠顯著改變靜子葉片出口流場(chǎng)分布，降低葉柵氣動(dòng)損失。圖 6所示的正彎葉型可以顯著削弱熱斑向轉(zhuǎn)子葉片壓力面的徑向遷移，使轉(zhuǎn)子葉片壓力面和葉頂熱負(fù)荷顯著降低。葉頂間隙泄漏流動(dòng)也對(duì)熱斑的徑向遷移有很大影響，葉頂間隙會(huì)增強(qiáng)熱斑向轉(zhuǎn)子葉片壁面的遷移，使轉(zhuǎn)子葉片壁面時(shí)均溫度增加。使用非軸對(duì)稱端壁產(chǎn)生的附加二次流可以有效削弱二次流損失，但對(duì)轉(zhuǎn)子葉片壁面靜溫的影響很小，最大變化約為1%。另外，由時(shí)序效應(yīng)影響可知，改變?nèi)~片數(shù)(或節(jié)距)對(duì)熱斑遷移規(guī)律和轉(zhuǎn)子葉片壁面熱負(fù)荷影響很顯著。導(dǎo)向葉片數(shù)較多時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片表面溫度越低，原因是導(dǎo)向葉片數(shù)較多時(shí)，熱斑流會(huì)被分配至各導(dǎo)向葉片通道，轉(zhuǎn)子葉片表面溫度因而降低，而轉(zhuǎn)子葉片則存在能使轉(zhuǎn)子葉片壁面時(shí)均熱負(fù)荷最低的最優(yōu)數(shù)量。

圖 6 渦輪靜子葉片原始葉型與正彎葉型

冷卻氣流對(duì)熱斑遷移的影響

對(duì)于渦輪入口處溫度場(chǎng)畸變的影響，熱斑特性參數(shù)和葉型結(jié)構(gòu)的合理選擇可在一定程度上削弱熱斑產(chǎn)生的高熱負(fù)荷區(qū)域，目前可行性最高且應(yīng)用較多的方法是采用先進(jìn)的氣膜冷卻技術(shù)。對(duì)比其他冷卻方法來說，氣膜冷卻結(jié)構(gòu)效率更高，對(duì)冷卻氣流速度的限制更少，便于有針對(duì)性地減小熱斑負(fù)面影響。

氣膜冷卻對(duì)熱斑的削弱作用在不同位置差異很大，前緣冷卻氣流主要削弱了輪轂區(qū)域高溫區(qū)，壓力面冷氣對(duì)熱斑的影響甚微，在吸力面上的氣膜幾乎可以完全消除熱斑影響。

熱斑遷移效應(yīng)影響因素及控制方法

深入研究渦輪葉柵進(jìn)口熱斑遷移特性及其主要影響因素，有助于制定更為合理的渦輪葉片冷卻方案，從而提高渦輪的效率、可靠性及壽命，其意義對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)化不言而喻。目前針對(duì)熱斑遷移效應(yīng)已進(jìn)行了一定的研究，主要有以下幾個(gè)方面。

首先，在第一、二級(jí)渦輪中，熱斑的遷移特性主要由冷熱氣流分離、時(shí)序效應(yīng)、二次流和浮力4個(gè)現(xiàn)象控制，主要在導(dǎo)向葉片前緣和第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的壓力面以及葉頂、輪轂附近產(chǎn)生較高的熱負(fù)荷，熱斑高溫流體主要向轉(zhuǎn)子葉片壓力面遷移，而低溫流體向轉(zhuǎn)子葉片吸力面?zhèn)葏R集。

其次，在燃燒室中，可對(duì)熱斑特性參數(shù)（合理布置燃燒室冷氣摻混）和燃燒室旋流方向（增大負(fù)攻角）進(jìn)行控制。在渦輪中，調(diào)節(jié)葉型結(jié)構(gòu)（正彎葉型）和氣膜孔位置（動(dòng)葉吸力面）能夠在一定程度上削弱熱斑產(chǎn)生的高熱負(fù)荷區(qū)域。

第三，對(duì)于熱斑遷移對(duì)渦輪的影響可從3個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化：一是從前側(cè)部件，即燃燒室進(jìn)行控制，減小熱斑溫比、數(shù)量、形狀大小，減少旋流，控制其周向、徑向位置；二是在保障葉片性能的前提下對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，綜合考慮轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片數(shù)量比、葉柵彎扭、非軸對(duì)稱端壁和葉頂間隙；三是充分利用現(xiàn)有較成熟的冷卻手段，直接有效地針對(duì)熱斑作用顯著區(qū)域增加氣膜等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從前端到終端再到附加結(jié)構(gòu)三位一體的考量，統(tǒng)一協(xié)作調(diào)整，以降低熱斑對(duì)渦輪性能的影響。

結(jié)束語

目前關(guān)于熱斑的研究大多還比較簡(jiǎn)單，主要通過數(shù)值模擬對(duì)少量影響因素進(jìn)行定常分析，較難在真實(shí)工況中系統(tǒng)應(yīng)用其結(jié)果。因此，關(guān)于熱斑的研究還有許多值得深入探討和挖掘的內(nèi)容，在未來葉柵優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該將葉柵氣熱性能的綜合提升作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在非定常的研究中尤其應(yīng)該加大力度，研究熱斑和冷卻氣流對(duì)于渦輪性能的綜合影響。