某转子叶片内部结构优化设计

邓丽君 孙瑞嘉 余毅

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

作为承受高温、高压、高速旋转的热端零部件，小型涡轮转子冷却叶片涉及到涡轮空气动力学、流体力学、传热学、机械动力学、材料学等多学科，设计工作由气动、冷却、结构及强度等多专业迭代优化完成，其技术复杂程度和设计难度非常高。

随着航空发动机功率与热效率的不断提高，要求涡轮转子的进口温度（RIT）不断增高，因此涡轮叶片内部需要高度复杂的冷却[1]；但是对于复杂冷却通道的叶片内腔容易出现分离、回流（滞止），从而会引起某些局部冷却失效，并且导致发动机工作期间的某些部位金属温度热点[2]，严重时会引起发动机故障。

文献[2]中指出新型设计的转子叶片冷却通道内的复杂流动特性分析需要通过模拟试验，即用水流流动显示试验来证明冷却通道的设计是否可行，其目的就是在保证冷气流量的前提下最大程度地减少叶片转折区域的回流（滞止）。鉴于目前国内研制转子叶片的实际情况，加工不同方案的转子叶片模型也是一个费时、耗资的过程，本文选择对转子叶片内腔的流动情况进行数值模拟与优化。

1.问题描述

某转子叶片内腔初始设计结构如图1。采用CFD软件对转子叶片内部结构进行流场数值模拟可以发现：第三腔纵向隔板后存在涡流区，具体位置见图2。由于第三腔存在较大的低速涡流区，需要进行设计修改，最大程度地减少涡流区域，消除局部热点提高冷却效果。

图1 转子叶片内腔结构

图2 叶片内腔流场

2.内部结构优化设计

2.1 内部结构改进方案

图3为两种典型的先进气冷转子叶片冷却结构内腔结构示意图。图中1与2分别是各冷气腔隔板头，3均是连接段，对比发现隔板头直径大小不同，可以推测这些隔板头直径的变化与连接段曲率的变化均是为了消除流体在叶片转折区域的回流而设计，因此，本文在选择该叶片第三腔的初始设计结构为方案1的基础上，对初始设计的第三腔隔板头直径、连接段曲率进行优化设计，建立以下修改设计方案：将隔板头直头直径不变但连接段曲率减小作为方案2；隔板头直头直径变为原来两倍且连接段曲率减小作为方案3；隔板头直头直径变为原来三倍且连接段曲率减小作为方案4。

图3 典型转子内腔结构

2.2 数值模拟与优选

2.2.1 计算模型

由于三维转子叶片内部结构模型复杂，网格划分处理与数值模拟比较困难，并耗时太长，所以将修改方案集中在简化二维模型的分析上，初始设计结构方案及修改方案简化模型示意图均如图4，修改方案只是在隔板头直径与连接段曲率有所变化。

图4 模型示意图

2.2.2 数值方法及边界条件

计算采用Fluent[3]商用软件，湍流模型选取标准k—ε模型，数值离散采用二阶迎风格式，算法为SIMPLE，收敛残差小于1×e-6，且考虑流体粘性热。在进行数值模拟时进口边界条件总压为0.57MPa、总温823K，出口静压0.4MPa、回流总温1200K，绕x轴旋转，转速为45000r/min。

2.2.3 结果分析与优选

首先将方案1简化为二维模型，然后进行数值计算，其二维流场如图5。对比图5中的方案一与图2可以发现：在第三腔隔板后基本相同的位置都存在较大的涡流区域，可以说明第三腔二维简化计算模型的流场与三维模拟流场有很大的相似性；只是二维流场涡流区域比三维流场的涡流区域小些，其原因是简化的二维模型与真实的三维模型本身的结构有所不同，且二维模型计算中入口条件与三维模型第三腔入口的真实条件有差别。基于方案1二维模型与三维模型数值结果的相似性，因此将三维结构简化为二维结构进行工程分析具有合理性和可靠性，并且能够提高工作效率，加快设计进程。

图5 方案1～4流场示意图

由图5方案一与方案二对比可知：数值结果显示方案二隔板头右边的涡流区位置比方案一涡流区域有一定量减少，涡流区域位置有所下降，原因是在方案二中如果以隔板头为参照，连接段曲率均下降，从而造成气流外扩，形成缓冲，涡流区域下移并减少；同时方案二比方案一进出口流量增加约30%（见表1）。

表1 内腔计算进出口流量与几何结构参数

分析图5中的方案三与方案四可以得到：方案三与方案一、二相比，隔板右边的涡流区明显减小，流场也更加均匀，原因是方案三与方案二相比当隔板头直径变为两倍时，相对于固定的连接段形成扩张区域，同时流量比方案一增加37%（见表1）；方案四中当隔板头直径变为三倍时，右边的涡流区域几乎消失，但是流量比方案一只增加24%（见表1），相对于方案三有所下降；说明当隔板头直径由二倍增加至三倍时，隔板头增大引起显著的节流效应，造成节流后气体压力下降（见图6）。

图6 方案1～4压力云图

从以上分析与文中提供的压力场图，可以认为在设计条件下方案三即第三种改进方案的压力分布高、流量最大、涡流区域较小。压力分布高可以增强尾缘孔的流动，有利于提高尾缘换热；流量最大说明在进出口截面不变时第三腔流速加快，可以增大内腔换热系数，有利于叶片内外换热。因此，在本文给定的条件下，综合比较认为方案三即第三种改进方案为较优的二维改进方案。

2.3 优选方案三维数值模拟验证

根据二维方案的优选结果将叶片第三腔结构进行调整即第三腔隔板头直径变为两倍，连接段曲率降低，如图7。

图7 调整后内腔结构

在保证与原结构进出口边界条件相同的前提下，采用CFD软件对优选后的三维内腔模型进行数值模拟，结果如图8，与图2相比第三腔流场的涡流区域比原结构明显减少，从而说明该改进方案能够在一定程度上消除第三腔转折区域的回流，该优选方案合理，验证了简化二维模型分析的工程合理性。

图8 调整后内腔三维流场

3.结语

本文在对某初始设计叶片第三腔结构的优化设计过程中进行了两个阶段的分析工作：一是合理简化建立正确的二维结构模型，进行分析和对比尖部折转区域的流动情况选出较优方案；二是将选出较优方案进行更为准确的三维数值分析并验证二维分析的正确性。这种分析方法为获得较优的设计结构提供了有效手段，并对今后转子叶片内腔结构设计有一定的参考价值。