涡轮丨624所曾军总师：基于参数化建模的航空发动机涡轮叶片气热耦合分析方法

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基于参数化建模的涡轮叶片气热耦合分‍析方法研究

气冷涡轮的出现使得航空发动机涡轮前温度可以进一步提高，促进了高性能航空发动机的飞速发展。然而随着复杂的内部冲击、扰流强化换热、对流气膜、致密气膜喷淋等冷却形式在涡轮部件上得到应用，冷气与燃气之间的相互作用也越发复杂。为对复杂冷却涡轮叶片的流动和传热耦合影响进行快速、精细化评估，本文建立了一种参数化建模方法，针对GE E3高压涡轮一级导向器进行高保真几何建模和气热耦合仿真。分析结果表明，该参数化建模方法可实现复杂气冷涡轮叶片的高保真几何建模，获得较高的气热耦合计算精度。同时通过详细分析获得了大量的涡轮叶片内部流动换热细节，可支撑高温涡轮叶片的精细化设计。

研究背景

论文创新点

总结与展望

团队介绍

近几年论文

研究背景

随着航空发动机技术不断发展，新一代发动机的涡轮前温度相比前一代提升量可达300-400K。与此同时对应于每一代高温合金材料的许用温度提升则仅为30-50K。两者的差距意味着需要通过更为复杂的叶片内外部冷却结构保障叶片在高温环境下的安全工作。复杂冷却结构导致叶片内外压力、流阻匹配的问题更加突出，一方面使开展涡轮叶片内外部流动和换热的精细化分析和设计的必要性更紧迫，另一方面又带来叶片建模、气热耦合分析难度的增加。此前在工程领域，开展一轮包含内腔和气膜孔细节的涡轮叶片气热耦合分析工作，其周期可达一个月左右，而其中大量的时间消耗在涡轮叶片的建模和几何模型的修补上。因此，实现复杂冷却叶片的参数化建模是开展涡轮叶片快速迭代设计、精细化设计和优化的必要前提。

论文创新点

基于复杂冷却涡轮叶片精细化设计需求，本文建立了一种工程实用性强的参数化建模方法，可在1分钟左右快速准确地实现复杂气冷涡轮叶片内腔和外形几何建模，大大降低了带复杂冷却结构的叶片气热耦合分析的周期和出错率。以GE E³高压涡轮一级导叶为例，根据文献数据，利用参数化建模方法快速复现该导叶的内外部结构细节。在此基础上进行该涡轮叶片的气热耦合分析，从而获得包含大量细节的叶片流动和传热特征，并提出其改进方向。

总结与展望

参数化建模是实现气冷涡轮叶片性能快速评估的有效手段，能够快速准确的实现复杂气冷涡轮叶片内腔和外型几何建模，大大提高设计人员工作效率。本文的工作表明，基于参数化建模方法的高保真几何模型快速生成和涡轮叶片多学科耦合分析，是快速定位叶片设计缺陷、开展多学科改进设计的高效手段。

目前本文的参数化研究工作包含一部分最为常见的内外部冷却元件。随着冷却技术的发展，将会有更为复杂的冷却元件应用到叶片中，因此还需模块化地开展更多几何结构参数化建模方法开发，以不断扩展本文参数化设计工具的应用范围。同时还需进一步将参数化建模过程与各种冷却元件流动换热性能快速预测、冷却结构选型、多学科快速分析、标准化自动化工程制图等需求结合起来，以发展更具实用性的多学科设计工具。

团队介绍

中国航发四川燃气涡轮研究院（简称涡轮院）是以航空发动机动力技术预先研究、产品研制开发和整机鉴定试验为主业的航空科研事业单位。本文的研究团队来自涡轮院涡轮技术研究室，团队技术牵头人为曾军专项总师，主要从事先进航空发动机涡轮气动、结构、传热、强度及试验测试技术等方面的研究。

近几年论文

1.曾军，张维涛，王鹏飞，等 . 空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟［J］. 推进技术，2020，41（6）：1268- 1275.

2.薛伟鹏，张华军，唐国庆，等. 涡轮叶尖流动模式和流动机理研究［J］. 推进技术，2020，41（8）：1730-1739

3.薛伟鹏, 唐国庆, 朱高平,等. 多孔介质模拟用于气膜冷气流动研究的尝试[J]. 工程热物理学报, 2020(012):041.

4.唐国庆，薛伟鹏，曾军，等 . 低损失融合式预旋喷嘴设计与研究［J］. 推进技术，2020，41（9）：2011-2020.

5.XUE Wei-peng, ZHANG Wei-tao, ZENG Jun, TANG Guo-qing,The Influence Mechanism of Rim Sealing Flow to The Performance of The Axial Turbine. The Fourth Chinese International Turbomachinery Conference. 2020

6.薛伟鹏，唐国庆，朱高平，曾军，多孔介质模拟在气膜冷气流动研究的应用[C]. 2019年中国工程热物理学会热机气动热力学和流体机械学术会议,2019

7.张维涛，薛伟鹏，唐国庆，等，气冷涡轮叶片内外流耦合数值模拟与试验验证[C]. 2019年中国工程热物理学会热机气动热力学和流体机械学术会议,2019

8.张维涛，薛伟鹏，唐国庆等，涡轮轮毂封严冷气与主流相互作用的影响研究[C]. 2019年中国工程热物理学会热机气动热力学和流体机械学术会议,2019

9.唐国庆，薛伟鹏，杜鹏，曾军.复杂气冷涡轮叶片参数化建模方法研究.中国航空学会第九届动力年会暨航空发动机仿真、结构强度学术会议,2018

10.唐国庆, 黄康才, 薛伟鹏. 超跨声涡轮扇形叶栅试验流场周期性设计[J]. 燃气涡轮试验与研究, 2018, 31(3):6.

11.薛伟鹏, 黄康才, 苏云亮. 叶片内外流耦合分析在涡轮导叶开裂排故中的应用[J]. 燃气涡轮试验与研究, 2016, 29(4):5.

引用格式

王孟君, 薛伟鹏, 陈阿龙, 曾军. 基于参数化建模的涡轮叶片气热耦合分析方法研究[J/OL]. 推进技术.

https://doi.org/10.13675/j.cnki.tjjs.2210066

空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟

曾军,张维涛,王鹏飞,雷鸣,郑振江；

摘要

以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象，采用高质量的流体域和固体域网格控制技术，带转捩模型的双方程SST湍流模型，开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比（分别为 1.0%，1.38%，1.8% 和 2.2%）、温比（分别为 2.1，2.25，2.3，2.4和 2.5）和压比（分别为 1.4，1.6和1.8）对叶片换热特性的影响规律，设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%，气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好，验证了气热强耦合计算方法的精度，为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。

引用格式

曾军, 张维涛, 王鹏飞, 等. 空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟[J]. 推进技术, 2020, 41(6): 1268-1275.

涡轮叶尖流动模式和流动机理研究

薛伟鹏,张华军,唐国庆,曾军；

摘要

采用数值模拟方法研究了涡轮叶片平叶尖和凹腔叶尖两种典型叶尖结构泄漏流动的差异，目的是获取叶尖泄漏流与端壁涡系的相互作用机理认识。识别了涡轮叶尖泄漏流动的三个主要因素：流体源、动力源和损失源，提出叶尖流动模式。结果表明：叶尖泄漏流动的流体源包括压力面侧高压流体、上端壁附面层流体；驱动泄漏流动的动力源为吸力面和压力面之间的横向压力梯度、叶尖与上端壁的相对运动；主要损失源为泄漏流体与主流流体高速剪切形成的泄漏涡、泄漏流体与上端壁通道涡相互作用；通道涡的“低压陷阱”是泄漏流参与通道涡发展的主要原因。