現(xiàn)代燃燒室由于富油燃燒-快速焠熄-貧油燃燒技術(shù)和貧油預(yù)混燃燒技術(shù)導(dǎo)致其出口具有非均勻溫度（熱斑）分布、強(qiáng)旋流和高湍流度的流動(dòng)特征，顯著影響燃燒室下游高壓渦輪級(jí)的氣熱性能。先進(jìn)高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析和冷卻設(shè)計(jì)越發(fā)依賴于燃燒室和渦輪相互作用下交界面的氣熱參數(shù)非均勻分布特征。論文闡述了燃燒室和渦輪相互作用機(jī)理。介紹了燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能研究的代表性實(shí)驗(yàn)臺(tái)和數(shù)值方法。分別綜述了燃燒室和渦輪相互作用下熱斑、熱斑和旋流、旋流和湍流度對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能的影響特性。給出了燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)的氣熱性能分析及不確定性量化的研究現(xiàn)狀。總結(jié)了燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能的研究成果。展望了非均勻氣熱參數(shù)分布條件下高壓渦輪級(jí)氣熱性能可靠性分析和魯棒性設(shè)計(jì)需要更加深入研究的方向，為適應(yīng)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和渦輪一體化設(shè)計(jì)需求提供參考。

高效率、低排放和高可靠性推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒技術(shù)和渦輪的氣熱設(shè)計(jì)水平不斷進(jìn)步, 以滿足日益嚴(yán)苛的生態(tài)環(huán)境和能源高效利用的要求。現(xiàn)代燃燒室采用富油燃燒-快速焠熄-貧油燃燒(Rich burn-Quick quench-Lean burn, RQL)技術(shù)降低了NOx排放；貧油預(yù)混技術(shù)采用旋流方法增強(qiáng)燃料和空氣的摻混來(lái)保證連續(xù)燃燒過(guò)程和火焰穩(wěn)定。先進(jìn)燃燒技術(shù)的采用導(dǎo)致燃燒室出口表現(xiàn)為非均勻溫度(熱斑)、強(qiáng)旋流和高湍流度的非均勻氣熱參數(shù)分布的流動(dòng)特征。燃燒室出口旋流的周向氣流角和徑向俯仰角最大達(dá)到約±50°；燃燒室內(nèi)的旋流導(dǎo)致其出口湍流度最高達(dá)到40%左右。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率, 渦輪進(jìn)口溫度持續(xù)升高, 導(dǎo)致高壓渦輪級(jí)的熱負(fù)荷增大, 需要采用約10%高壓壓氣機(jī)抽氣用于冷卻高壓渦輪級(jí)使其安全工作。燃燒室和渦輪交界面的非均勻氣熱參數(shù)分布特征顯著影響高壓渦輪級(jí)的氣熱性能并在冷卻氣量約束條件下給其冷卻設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

燃燒室出口熱斑、強(qiáng)旋流和高湍流度的氣熱參數(shù)分布特征直接影響下游高壓渦輪級(jí)的滯止區(qū)分離線偏移和二次流與通道渦的渦系結(jié)構(gòu), 同時(shí)熱斑和旋流在渦輪葉柵通道中的遷移特性影響其氣動(dòng)損失、傳熱性能和冷卻特性。此外, 采用貧油預(yù)混燃燒技術(shù)的燃燒室內(nèi)旋流器產(chǎn)生的旋渦核心遷移到渦輪級(jí)進(jìn)口, 結(jié)合較少或者沒(méi)有稀釋氣流導(dǎo)致燃燒室出口溫度分布沿徑向變得平緩, 直接增加了高壓渦輪級(jí)靜葉端壁的熱負(fù)荷, 結(jié)合旋流改變的端壁二次流型態(tài), 并與氣膜冷卻射流摻混而影響其冷卻性能, 給高熱負(fù)荷的端壁區(qū)域冷卻設(shè)計(jì)增加了難度。

高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析和冷卻設(shè)計(jì)必須考慮燃燒室出口非均勻氣熱參數(shù)的分布特征, 燃燒室出口氣熱參數(shù)對(duì)高壓渦輪級(jí)的氣熱性能分析和冷卻設(shè)計(jì)的影響被認(rèn)為是燃燒室和渦輪的相互作用之一。燃燒室和渦輪軸向間距的減少和渦輪進(jìn)口溫度的提高更加突出了這種相互作用的重要性。先進(jìn)的高壓渦輪級(jí)氣膜孔布局必須考慮燃燒室和渦輪相互作用下氣熱參數(shù)的非均勻分布。熱斑、強(qiáng)旋流和高湍流度的流動(dòng)特征引起的二次流損失降低了渦輪級(jí)的氣動(dòng)效率；強(qiáng)旋流和高湍流度減少了渦輪級(jí)通道可用流量并降低了相應(yīng)的做功量；非均勻氣熱參數(shù)改變了高壓渦輪級(jí)的流動(dòng)特征, 進(jìn)而影響了傳熱性能和冷卻效率。為適應(yīng)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和渦輪一體化設(shè)計(jì)技術(shù)需求, 開展燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能的研究具有重要的戰(zhàn)略意義。

論文首先基于先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu), 闡述了燃燒室和渦輪相互作用機(jī)理。接著介紹了結(jié)合無(wú)化學(xué)反應(yīng)的燃燒室出口非均勻氣熱參數(shù)分布生成裝置的高壓渦輪級(jí)氣熱性能測(cè)量研究的代表性實(shí)驗(yàn)臺(tái), 給出了燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析的解耦和耦合數(shù)值方法。其次詳細(xì)綜述了熱斑作用、熱斑和旋流綜合作用、旋流和湍流度綜合作用對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能的影響特性。然后給出了燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)的氣熱性能分析和不確定性量化的研究現(xiàn)狀。最后總結(jié)了燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能的研究成果, 并展望了進(jìn)口非均勻氣熱參數(shù)分布下高壓渦輪級(jí)氣熱性能可靠性分析和魯棒性設(shè)計(jì)方面需要深入研究的課題, 為高性能燃燒室和渦輪一體化研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 燃燒室和渦輪相互作用機(jī)理

目前約75%的在役飛機(jī)配置渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。圖 1(a)給出了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)子午流道示意圖, 圖中ω1和ω2分別表示壓氣機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)扇后分成通過(guò)核心機(jī)和旁通兩部分, 現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的旁通氣流與核心發(fā)動(dòng)機(jī)氣流的質(zhì)量流量比超過(guò)10。為最小化氣動(dòng)損失和風(fēng)扇葉頂?shù)脑肼? 風(fēng)扇和壓氣機(jī)通常安裝在不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上, 高壓和低壓渦輪分別驅(qū)動(dòng)高壓和低壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇。通過(guò)降低燃燒室過(guò)高溫度而減少NOx排放, 將RQL燃燒技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代燃燒室中(如圖 1(b)所示)。采用旋流器的預(yù)混燃料和空氣充分摻混, 并采用貧油燃燒技術(shù)急劇減少了飛機(jī)在起飛和爬升過(guò)程中的NOx排放。采用貧油預(yù)混燃燒技術(shù)的燃燒室對(duì)渦輪的氣熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。圖 1(c)給出了燃燒室和高壓渦輪級(jí)交界面的熱斑和旋流圖譜, 圖中Tmin和Tmax分別表示最低和最高溫度。

圖 1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖、RQL燃燒室及燃燒室和渦輪交界面氣熱參數(shù)分布

Fig. 1 Configuration of turbofan aeroengine, RQL combustor and aerothermal parameter distribution at interface between combustor and turbine

燃燒室出口的非均勻溫度分布(熱斑)和旋流顯著影響下游高壓渦輪級(jí)的氣熱性能和冷卻設(shè)計(jì)。隨著核心機(jī)緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 燃燒室和高壓渦輪級(jí)軸向間距尺寸減小, 下游高壓渦輪級(jí)靜葉的勢(shì)流場(chǎng)對(duì)上游燃燒室流場(chǎng)存在影響, 目前燃燒室和渦輪相互作用研究主要集中于燃燒室出口非均勻氣熱參數(shù)分布對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能和冷卻設(shè)計(jì)的影響特性方面, 而高壓渦輪靜葉勢(shì)流場(chǎng)對(duì)上游燃燒室流場(chǎng)影響的研究相對(duì)較少。因此本文針對(duì)燃燒室和渦輪相互作用下燃燒室出口非均勻氣熱參數(shù)的分布特征, 綜述熱斑、強(qiáng)旋流和高湍流度流動(dòng)條件下高壓渦輪級(jí)氣熱性能的研究進(jìn)展。

采用貧油預(yù)混燃燒技術(shù)的燃燒室減少或者不用稀釋氣流, 燃燒室回流區(qū)和火焰穩(wěn)定作用導(dǎo)致在高壓渦輪級(jí)進(jìn)口產(chǎn)生具有離散熱斑的明顯非均勻溫度分布和強(qiáng)旋流的流動(dòng)特征, 影響高壓渦輪級(jí)的氣熱性能。熱斑和旋流與高壓渦輪級(jí)靜葉的時(shí)序位置也存在顯著影響。當(dāng)熱斑對(duì)應(yīng)靜葉前緣時(shí), 熱斑在前緣處形成2個(gè)分支進(jìn)入相鄰葉柵通道并在靜葉出口表現(xiàn)出相對(duì)均勻的溫度分布。當(dāng)熱斑對(duì)應(yīng)靜葉柵通道時(shí), 熱斑幾乎沒(méi)有變化而通過(guò)靜葉柵通道并在動(dòng)葉進(jìn)口表現(xiàn)出非均勻溫度分布。熱斑引起高壓渦輪級(jí)動(dòng)葉冷熱氣流分離, 熱斑通過(guò)靜葉通道以正攻角進(jìn)入動(dòng)葉柵, 如圖 2所示, 圖中: C為氣流絕對(duì)速度；Cax為氣流絕對(duì)軸向速度; $\dot m $為質(zhì)量流量；R為氣體常數(shù)；A為通流面積；p為氣體壓力；T為氣體溫度；W為氣流相對(duì)速度；U為氣體切向速度。不同溫度氣流進(jìn)入動(dòng)葉葉柵會(huì)產(chǎn)生不同的攻角進(jìn)而引起動(dòng)葉二次流變化, 這種流動(dòng)現(xiàn)象稱為熱驅(qū)動(dòng)二次流。

圖 2 葉柵二次流型態(tài)和氣流溫度不同引起攻角變化示意圖

Fig. 2 Secondary flow pattern in turbine cascade and schematic diagram of incidence variations induced by gas temperature difference

燃燒室和渦輪相互作用下熱斑主要影響高壓渦輪動(dòng)葉, 旋流則主要影響高壓渦輪靜葉。圖 3給出了旋流在燃燒室和渦輪流道中的發(fā)展圖譜, 圖中Lref為參考特征長(zhǎng)度；D為直徑；r為徑向方向；uax為氣流軸向速度；usw為氣流旋流速度。圖 4給出了旋流引起的高壓渦輪級(jí)靜葉前緣滯止線偏移和葉柵流道的旋渦流動(dòng)型態(tài), 圖中hrel為相對(duì)葉高；pt為總壓。結(jié)合燃燒室回流區(qū)導(dǎo)致的出口總壓徑向特征, 旋進(jìn)型的旋流核心到達(dá)高壓渦輪級(jí)靜葉前緣時(shí), 氣流減速和沿葉高方向產(chǎn)生靜壓梯度, 會(huì)在靜葉壓力面和吸力面?zhèn)刃纬删哂卸瘟魈卣鞯男郎u流動(dòng)。旋流方向決定旋渦強(qiáng)度和遷移, 葉高方向靜壓梯度受到前緣滯止線偏移的影響。旋流引起靜葉的流動(dòng)特征直接影響前緣、端壁以及葉片表面的氣膜冷卻性能。旋流增加渦輪進(jìn)口的湍流強(qiáng)度, 最高達(dá)到約40%。燃燒室出口的高湍流度強(qiáng)化了靜葉表面的傳熱特性。

圖 3 旋流在燃燒室和渦輪通道中的發(fā)展圖譜

Fig. 3 Swirl flow development pattern in combustor and turbine

圖 4 旋流引起的高壓渦輪靜葉前緣滯止線偏移和葉柵流道的旋渦流動(dòng)

Fig. 4 Stagnation line movement at leading edge of high pressure turbine vane and vortex flow pattern in cascade induced by swirl

燃燒室和渦輪相互作用下非均勻氣熱(熱斑、強(qiáng)旋流和高湍流度)參數(shù)分布特征顯著影響高壓渦輪級(jí)的前緣滯止線位置、流道二次流渦系發(fā)展和壓力速度場(chǎng)分布的三維流場(chǎng)型態(tài), 改變了高壓渦輪級(jí)氣膜冷卻氣流的分布, 對(duì)高壓渦輪級(jí)傳熱特性和冷卻效率起著主導(dǎo)作用。高壓渦輪級(jí)魯棒性氣動(dòng)和冷卻布局設(shè)計(jì)必須掌握燃燒室和渦輪相互作用下非均勻氣熱參數(shù)分布對(duì)其氣熱性能的作用機(jī)理和影響規(guī)律。

2 燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能研究方法

航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況時(shí)燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量異常困難, 主要原因是燃燒室出口的高溫區(qū)域和非均勻溫度熱斑與旋流的測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)采用無(wú)化學(xué)反應(yīng)的模擬熱斑和旋流生成裝置結(jié)合高壓渦輪級(jí)的靜止和旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能的實(shí)驗(yàn)研究, 同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證的CFD數(shù)值方法進(jìn)行高壓渦輪級(jí)精細(xì)化氣熱性能分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

設(shè)計(jì)建設(shè)結(jié)合燃燒室出口氣熱參數(shù)非均勻分布生成裝置的高壓渦輪級(jí)氣熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)是開展燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能研究的基礎(chǔ), 同時(shí)為CFD數(shù)值方法驗(yàn)證提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用CFD數(shù)值方法能夠獲得實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)的氣熱參數(shù)精細(xì)化時(shí)空發(fā)展特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相輔相成為燃燒室和渦輪相互作用機(jī)理的揭示提供理論依據(jù)。具有化學(xué)反應(yīng)的燃燒室和渦輪相互作用實(shí)驗(yàn)臺(tái)由于燃燒室出口溫度測(cè)量和運(yùn)行費(fèi)用而較少采用。研究機(jī)構(gòu)均采用無(wú)化學(xué)反應(yīng)的模擬燃燒室出口熱斑和旋流生成裝置結(jié)合渦輪級(jí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)的氣熱性能。

燃燒室出口核心區(qū)溫度高于周圍流體形成沿徑向和周向非均勻溫度分布的熱斑。熱斑是燃燒室自身結(jié)構(gòu)、燃燒組織和冷卻射流的綜合作用, 熱斑在高壓渦輪級(jí)中遷移、衰減的輸運(yùn)過(guò)程會(huì)引起葉片局部過(guò)熱而影響安全運(yùn)行, 因此熱斑研究最先受到關(guān)注, 王志多總結(jié)了熱斑生成裝置和渦輪氣熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)。趙慶軍基于暫沖式對(duì)轉(zhuǎn)渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái), 沿周向在120°的扇面范圍設(shè)計(jì)了4個(gè)進(jìn)口熱斑生成器, 使得所研究的區(qū)域每3個(gè)葉片通道形成一個(gè)熱斑, 熱斑中心正對(duì)靜葉葉柵通道中間并可以沿葉高方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究了熱斑在1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪中的遷移特性。Yin等設(shè)計(jì)搭建了進(jìn)口旋流生成器的平面葉柵氣熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)模擬燃燒室旋流器能夠生成3種結(jié)構(gòu)的旋流結(jié)構(gòu), 開展了進(jìn)口旋流對(duì)氣膜冷卻葉片氣熱性能影響的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。王志多設(shè)計(jì)建設(shè)了進(jìn)口熱斑生成器的1.5級(jí)渦輪氣熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái), 通過(guò)熱斑生成器形成相對(duì)于第一級(jí)靜葉的時(shí)序位置, 研究了熱斑在1.5級(jí)渦輪中的遷移衰減過(guò)程。謝金偉等設(shè)計(jì)搭建了采用向主流注入熱次流模擬熱斑的出口馬赫數(shù)為0.8的高亞聲速平面葉柵氣熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái), 實(shí)驗(yàn)葉柵為5個(gè)葉片4通道, 模擬熱斑裝置可以調(diào)節(jié)進(jìn)口熱斑的周向和徑向位置并能夠改變熱斑溫度比，能夠開展渦輪葉柵內(nèi)熱斑遷移及影響規(guī)律研究。

現(xiàn)代貧油預(yù)混燃燒技術(shù)的應(yīng)用使得燃燒室出口不僅具有非均勻溫度分布熱斑特征, 而且具有強(qiáng)旋流和高湍流度的流動(dòng)特征。為應(yīng)對(duì)現(xiàn)代燃燒室對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能影響和冷卻設(shè)計(jì)的需求, 科研人員設(shè)計(jì)了具有熱斑和旋流器生成裝置的高壓渦輪級(jí)氣熱性能研究的靜止和旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。代表性實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括：牛津大學(xué)旋流作用下渦輪靜葉氣熱性能高亞聲速直列葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)、佛羅倫薩大學(xué)旋流作用下高壓渦輪靜葉氣熱性能低馬赫數(shù)扇形葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)、達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)旋流作用下1.5級(jí)軸流渦輪氣熱性能低速實(shí)驗(yàn)臺(tái)(Large Scale Turbine Rig, LSTR)、牛津大學(xué)熱斑和旋流綜合作用下1.5級(jí)渦輪氣熱性能暫沖式跨聲速實(shí)驗(yàn)臺(tái)(Oxford Turbine Research Facility, OTRF)、德國(guó)宇航中心(DLR)推進(jìn)技術(shù)研究所熱斑和旋流綜合作用下1.5級(jí)軸流渦輪氣熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)(Next Generation Turbine Test Facility, NG-Turb)。

圖 5給出了牛津大學(xué)旋流作用下渦輪靜葉氣熱性能高亞聲速直列葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括2個(gè)旋流器和4個(gè)渦輪靜葉柵通道, 通過(guò)改變靜葉位置研究旋流時(shí)序效應(yīng)。表 1列出了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基本參數(shù)。通過(guò)該平臺(tái)能夠開展旋流和湍流度綜合作用下渦輪靜葉流場(chǎng)型態(tài)和氣熱參數(shù)變化特性的機(jī)理性實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究。

圖 5 牛津大學(xué)旋流作用下渦輪靜葉氣熱性能高亞聲速直列葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)

Fig. 5 Turbine vane aerothermal performance measurement under swirl effects of high subsonic linear cascade test rig of Oxford University

表 1 高亞聲速直列葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)渦輪靜葉和進(jìn)口參數(shù)

圖 6為佛羅倫薩大學(xué)旋流作用下高壓渦輪靜葉氣熱性能低馬赫數(shù)扇形葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括3個(gè)軸向旋流器和6只高壓渦輪氣膜冷卻靜葉。表 2列出了實(shí)驗(yàn)臺(tái)靜葉和運(yùn)行工況參數(shù)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠開展旋流和湍流度綜合作用下高壓渦輪靜葉流動(dòng)傳熱性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量, 并能夠測(cè)量靜葉端壁、前緣、壓力面和吸力面的氣膜冷卻效率。

圖 6 佛羅倫薩大學(xué)旋流作用下高壓渦輪靜葉氣熱性能扇形葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)

Fig. 6 High pressure turbine vane aerothermal performance measurement under swirl effects of annular cascade test rig of University of Florence

表 2 低馬赫數(shù)扇形葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)靜葉和運(yùn)行工況

圖 7為達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)旋流作用下1.5級(jí)軸流渦輪氣熱性能低速實(shí)驗(yàn)臺(tái)LSTR。實(shí)驗(yàn)臺(tái)是模擬進(jìn)口旋流和湍流度綜合作用下高壓渦輪級(jí)氣動(dòng)傳熱特性和冷卻性能的低馬赫數(shù)閉式綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)。表 3列出了實(shí)驗(yàn)臺(tái)高壓渦輪級(jí)葉柵和運(yùn)行工況參數(shù)。科研人員利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展的代表性工作是強(qiáng)旋流和湍流度作用下高壓渦輪靜葉端壁、前緣和葉片表面氣膜冷卻特性和魯棒性布局設(shè)計(jì)研究, 同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬, 完成了燃燒室和渦輪相互作用下交界面數(shù)據(jù)傳遞差異對(duì)高壓渦輪靜葉氣熱性能分析的不確定量化研究。

圖 7 達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)旋流作用下1.5級(jí)軸流渦輪氣熱性能低速實(shí)驗(yàn)臺(tái)LSTR

Fig. 7 1.5 stage axial turbine aerothermal performance measurements under swirl effects of LSTR of Darmstadt University of Technology

表 3 LSTR渦輪級(jí)和運(yùn)行工況參數(shù)

圖 8是牛津大學(xué)熱斑和旋流綜合作用下1.5級(jí)渦輪氣熱性能暫沖式跨聲速實(shí)驗(yàn)臺(tái)OTRF。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)是在歐盟新一代低污染排放核心機(jī)研發(fā)計(jì)劃LEMCOTEC(Low EMissions COre-engine TEChnologies)支持下對(duì)原有等熵輕活塞渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)的升級(jí)。升級(jí)后的實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括主流加熱器、旋流器、單級(jí)高壓冷卻渦輪級(jí)+中間渦輪通道+單列中壓/低壓渦輪靜葉。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)瞄準(zhǔn)燃燒室和渦輪相互作用下非均勻氣熱參數(shù)分布對(duì)高壓渦輪級(jí)靜葉和動(dòng)葉的氣熱性能以及中/低壓渦輪靜葉的影響研究, 能夠開展旋流通過(guò)高壓渦輪級(jí)和渦輪通道后對(duì)中/低壓渦輪靜葉氣動(dòng)性能影響的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。表 4列出了OTRF的主要參數(shù)。

圖 8 牛津大學(xué)熱斑和旋流綜合作用下1.5級(jí)渦輪氣熱性能暫沖式跨聲速實(shí)驗(yàn)臺(tái)OTRF

Fig. 8 1.5 stage turbine aerothermal performance measurements under hot streak and swirl effects of short duration transonic test rig OTRF of Oxford University

表 4 OTRF主要參數(shù)

DLR推進(jìn)技術(shù)研究所在歐盟燃燒室和渦輪相互作用全氣熱研究項(xiàng)目FACTOR(Full Aero-Thermal Combustor-Turbine Interaction Research)的資助下設(shè)計(jì)建設(shè)了1.5級(jí)軸流渦輪氣熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)NG-Turb(如圖 9所示, 圖中Δθ為旋流器中心與靜葉前緣間的夾角), NG-Turb建設(shè)目標(biāo)是2.5級(jí)軸流渦輪氣熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)。目前完成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括主流加熱器、旋流器、單級(jí)高壓渦輪和單列低壓渦輪靜葉。平臺(tái)將開展燃燒室和渦輪相互作用的熱斑和旋流綜合作用的渦輪氣熱性能及其變化特性、熱斑遷移以及旋流對(duì)低壓渦輪氣動(dòng)參數(shù)影響機(jī)制的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。表 5列出了NG-Turb實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)。

圖 9 德國(guó)DLR的熱斑和旋流綜合作用下1.5級(jí)軸流渦輪氣熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)NG-Turb

Fig. 9 1.5 stage axial turbine aerothermal performance measurements under hot streak and swirl effects of test rig NG-Turb of German DLR

表 5 NG-Turb實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要參數(shù)

靜止和旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為燃燒室和渦輪相互作用下非均勻氣熱參數(shù)熱斑、旋流和湍流度流動(dòng)條件下高壓渦輪級(jí)氣熱性能的測(cè)量提供了機(jī)理性和驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 為真實(shí)環(huán)境下高壓渦輪級(jí)的氣熱性能分析和冷卻設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)在燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪氣熱性能研究的實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)方面設(shè)計(jì)搭建了熱斑和旋流對(duì)渦輪氣熱性能影響的測(cè)量裝置, 在進(jìn)口旋流和熱斑耦合作用下的渦輪氣熱性能研究的實(shí)驗(yàn)臺(tái)建設(shè)方面需要加強(qiáng), 從而為掌握核心技術(shù)提供測(cè)量數(shù)據(jù)和驗(yàn)證平臺(tái)。

2.2 數(shù)值方法

燃燒室和渦輪是屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的2個(gè)子系統(tǒng), 分別具有不同的高度復(fù)雜的物理現(xiàn)象并需要采用不同的專業(yè)模型處理。燃燒室內(nèi)的流動(dòng)是不可壓的，且因?yàn)椴捎秘氂腿紵夹g(shù)，需安裝旋流器從而使其為高湍流度流動(dòng), 同時(shí)需要專門模型處理燃燒的化學(xué)反應(yīng)和組分間的相互作用。高壓渦輪級(jí)流動(dòng)是可壓縮流動(dòng), 需要采用專門模型處理動(dòng)靜間非定常相互作用。高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析和設(shè)計(jì)需要發(fā)展耦合數(shù)值傳熱和熱應(yīng)力分析的共軛傳熱模型的CFD數(shù)值方法。

圖 10給出了研究燃燒室和渦輪相互作用的解耦和耦合數(shù)學(xué)模型。圖 10(a)給出了目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界采用的燃燒室和渦輪相互作用的解耦數(shù)學(xué)模型。燃燒室和渦輪分別采用2個(gè)不同專業(yè)程序進(jìn)行分析。在燃燒室出口的軸向截面上對(duì)氣熱參數(shù)進(jìn)行時(shí)間平均作為渦輪進(jìn)口邊界條件分析其氣熱性能。燃燒室和渦輪交界面的溫度、速度、壓力等分布作為燃燒室和渦輪氣熱耦合數(shù)據(jù)傳遞。燃燒室和渦輪交界面數(shù)據(jù)傳遞根據(jù)設(shè)計(jì)的要求包括二維(徑向和周向分布)、一維(徑向分布和周向平均)和零維(徑向和周向平均, 均勻氣熱參數(shù)分布)方式處理。燃燒室和渦輪相互作用的解耦模型處理過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單并能夠維持相對(duì)獨(dú)立的燃燒室和渦輪設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)組織和承擔(dān)的責(zé)任。但是解耦模型沒(méi)有考慮燃燒室和渦輪間氣熱參數(shù)的時(shí)間相關(guān)性并忽略了對(duì)上游燃燒室的影響；同時(shí)由于燃燒室和渦輪交界面的氣熱參數(shù)傳遞差異而降低了渦輪氣熱性能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖 10 燃燒室和渦輪相互作用的數(shù)學(xué)模型

Fig. 10 Mathematical modeling of combustor and turbine interaction

圖 10(b)給出了學(xué)術(shù)界正在開展和推進(jìn)的燃燒室和渦輪相互作用的耦合模型。研究燃燒室和渦輪相互作用的耦合模型分為2類。第1類是在燃燒室出口區(qū)域和渦輪進(jìn)口區(qū)域之間設(shè)置重疊區(qū)域進(jìn)行雙向的氣熱參數(shù)傳遞。質(zhì)量、動(dòng)量、能量和湍流量從燃燒室區(qū)域傳遞到高壓渦輪靜葉進(jìn)口, 高壓渦輪的靜壓信息則向上游傳遞到燃燒室出口。數(shù)據(jù)在2套網(wǎng)格間內(nèi)插傳遞, 采用交錯(cuò)格式迭代求解。這類方法由于燃燒室和渦輪分析還是各自獨(dú)立的程序，導(dǎo)致主要難度為在2種程序間內(nèi)插的有效性和精度。第2類將燃燒室和渦輪所需要的模型集成為一個(gè)程序。這類方法的主要挑戰(zhàn)是將渦輪的壓縮性方法耦合到低馬赫數(shù)和化學(xué)反應(yīng)的燃燒求解器中。

3 非均勻進(jìn)氣條件下高壓渦輪級(jí)氣熱性能研究進(jìn)展

燃燒室出口流場(chǎng)由于湍流燃燒和旋流摻混過(guò)程而導(dǎo)致呈現(xiàn)強(qiáng)旋流和高湍流度的流動(dòng)特征，同時(shí)由于離散安裝的燃料噴嘴和稀釋冷卻孔以及徑向燃燒室壁面的氣膜冷卻孔而導(dǎo)致呈現(xiàn)溫度非均勻分布熱斑特征。燃燒室出口熱斑、強(qiáng)旋流和高湍流度等非均勻氣熱參數(shù)分布的流動(dòng)特征直接影響高壓渦輪級(jí)的氣熱性能。熱斑和旋流引起的二次流和通道渦的變化將影響渦輪的氣動(dòng)效率；旋流和湍流度會(huì)降低通過(guò)葉柵的質(zhì)量流量以及相應(yīng)的做功量。具有熱斑和旋流流動(dòng)特征的主流高溫燃?xì)馀c冷卻射流摻混改變了冷卻氣流動(dòng)特征和冷卻效率, 高壓渦輪級(jí)的氣膜冷卻孔布局必須考慮非均勻氣熱參數(shù)的影響。蔣洪德等綜述了熱斑、湍流度、輻射、旋流和尾跡等因素下燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒室和渦輪交互作用進(jìn)展, 指出了燃燒室和渦輪間相互作用機(jī)理認(rèn)識(shí)得到了較大進(jìn)展, 但是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)方面仍需要開拓, 特別是高溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)與高精度數(shù)值方法方面。因此燃燒室和渦輪相互作用下非均勻氣熱參數(shù)進(jìn)口條件的高壓渦輪級(jí)氣熱性能研究是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和渦輪一體化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.1 非均勻進(jìn)氣溫度(熱斑)作用

燃燒室出口溫度沿葉高方向的徑向溫度梯度和葉柵節(jié)距方向的周向溫度梯度的熱斑特征, 引起高壓渦輪級(jí)靜葉和端壁的傳熱特性發(fā)生明顯改變, 熱斑在高壓渦輪中遷移輸運(yùn)會(huì)影響動(dòng)葉的傳熱特性。黃家驊等根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口溫度沿周向和徑向不均勻分布的熱斑導(dǎo)致渦輪性能下降和局部過(guò)熱的研究結(jié)果, 指出了熱斑研究的重要性。Simone等研究指出進(jìn)口熱斑使得靜葉吸力面和壓力面的傳熱分別增加50%和20%。熱斑引起的冷熱氣流分離效應(yīng)使得高溫流體主要向高壓渦輪級(jí)動(dòng)葉壓力面遷移, 導(dǎo)致熱負(fù)荷顯著增加和傳熱系數(shù)發(fā)生明顯變化。豐鎮(zhèn)平等在燃?xì)鉁u輪進(jìn)口熱斑遷移及其影響機(jī)制的研究進(jìn)展中指出熱斑會(huì)強(qiáng)化渦輪的非定常流動(dòng)和傳熱的復(fù)雜性, 引起渦輪葉片局部過(guò)熱甚至燒蝕, 降低渦輪的可靠性和壽命。因此燃燒室固有特性導(dǎo)致其出口非均勻溫度分布的熱斑特征對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能的影響研究一直受到關(guān)注。

Schwab等實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了非均勻徑向溫度分布在渦輪級(jí)中的遷移特性。Stabe等實(shí)驗(yàn)測(cè)量了進(jìn)口徑向溫度分布對(duì)高負(fù)荷小展弦比葉柵氣動(dòng)性能的影響, 指出溫度分布不均勻引起二次流渦系的變化, 進(jìn)而影響葉柵的氣動(dòng)性能。Dorney等研究了熱斑在渦輪級(jí)中非定常遷移特性和熱斑與靜葉的時(shí)序效應(yīng)。Roback和Dring研究渦輪動(dòng)葉通道中的熱斑和泛冷卻的分離及耦合作用機(jī)制, 結(jié)果表明熱斑改變了葉片表面的冷卻性能。Shang等研究了進(jìn)口溫度熱斑對(duì)跨聲速動(dòng)葉傳熱特性和熱負(fù)荷的影響。董素艷等采用非定常數(shù)值方法研究了進(jìn)口熱斑對(duì)渦輪級(jí)氣熱性能的影響特性。Colban等基于平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了燃燒室和渦輪交界面氣熱參數(shù)對(duì)葉柵氣熱性能的影響, 結(jié)果表明燃燒室和渦輪交界面的參數(shù)分布顯著影響葉柵端壁的冷卻性能。

Jenkins等采用直列葉柵實(shí)驗(yàn)研究了湍流度和氣膜冷卻對(duì)熱斑衰減的影響。結(jié)果表明：20%湍流度結(jié)合氣膜冷卻顯著衰減了熱斑強(qiáng)度；相比于靜葉上游21%軸向弦長(zhǎng)位置的熱斑最高溫度最大降低了74%。靜葉前緣氣膜冷卻對(duì)熱斑下部具有總體減弱作用；吸力面的氣膜冷卻氣流基本消除了熱斑作用, 并使得熱斑向壓力面遷移。壓力面氣膜冷卻氣流對(duì)熱斑具有較小的影響。閆朝等采用日本三菱重工高砂研究所的渦輪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 結(jié)合數(shù)值研究表明：熱斑在第2級(jí)靜葉通道二次流的作用下具有沉積效應(yīng)。劉高文和劉松齡數(shù)值研究了熱斑在1.5級(jí)渦輪中的遷移特性, 數(shù)值表明：采用氣膜冷卻技術(shù)可以防止由于熱斑引起葉片表面的局部過(guò)熱。He等研究表明熱斑周向位置的改變對(duì)動(dòng)葉熱負(fù)荷的影響程度與熱斑周向尺寸有關(guān)。渦輪進(jìn)口溫度保持不變時(shí), 相比于熱斑周向尺寸增加, 周向位置的改變對(duì)動(dòng)葉熱負(fù)荷的影響減弱。

Barringer等基于單級(jí)渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了不同徑向溫度和壓力分布在高壓渦輪靜葉柵中的遷移特性和靜葉的流場(chǎng)型態(tài)變化規(guī)律。研究指出：具有徑向壓力和溫度分布特征的氣流明顯改變了靜葉上下端壁處氣動(dòng)參數(shù)的空間梯度, 導(dǎo)致與均勻進(jìn)氣條件不同二次流發(fā)展特征。靜葉表面和端壁處的傳熱特性由于二次流渦系結(jié)構(gòu)改變而發(fā)生變化。An等對(duì)比了均勻分布和熱斑在渦輪級(jí)遷移過(guò)程中對(duì)靜葉和動(dòng)葉流動(dòng)與傳熱特性的影響。結(jié)果表明：相比于進(jìn)口均勻溫度分布, 熱斑明顯增加了靜葉熱負(fù)荷非均勻度。熱斑周向位置的變化導(dǎo)致靜葉出口參數(shù)周向改變, 并引起動(dòng)葉表面熱負(fù)荷和壓力的不同周期性波動(dòng)。李宇等數(shù)值研究了葉片安裝角偏差對(duì)熱斑在渦輪通道中遷移特性的影響。

Povey和Qureshi等采用OTRF實(shí)驗(yàn)臺(tái), 結(jié)合數(shù)值方法研究了熱斑在高壓渦輪靜葉中的遷移以及對(duì)動(dòng)葉葉頂和表面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊憽Ｑ芯勘砻鳎簾岚咴斐衫錈釟饬髟趧?dòng)葉中再分布, 導(dǎo)致攻角引起的流動(dòng)分離和壓力引起的流動(dòng)遷移, 使得熱氣流在動(dòng)葉中葉展處向壓力面遷移并鋪展在葉片表面, 冷氣流向吸力面遷移。Mathison等基于1.5級(jí)渦輪氣熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái), 采用主動(dòng)電加熱燃燒室模擬器能夠產(chǎn)生均勻溫度、徑向溫度和熱斑分布的渦輪進(jìn)口溫度分布條件, 研究了3種進(jìn)口溫度分布下全冷卻高壓渦輪靜葉、無(wú)冷卻高壓渦輪動(dòng)葉和低壓渦輪靜葉的1.5級(jí)渦輪級(jí)的氣熱性能。高壓渦輪靜葉進(jìn)口均勻和徑向溫度分布由于冷卻氣流引起流體溫度的降低具有類似的幅值。相比于均勻進(jìn)口溫度分布, 徑向和熱斑溫度分布造成溫度沿徑向發(fā)生明顯變化；相比于徑向溫度分布, 熱斑造成了更大的周向溫度畸變。相比于均勻溫度分布, 徑向溫度分布降低了葉柵通道近葉根處溫度。均勻和徑向溫度分布下, 引入冷卻氣流造成渦輪級(jí)進(jìn)口到出口溫度的降低。進(jìn)口溫度分布顯著影響高壓渦輪動(dòng)葉前緣總溫和動(dòng)葉吸力面的Stanton數(shù)分布；二次流再分布影響壓力面溫度分布, 徑向溫度和熱斑分布增加了葉頂和機(jī)匣處的Stanton數(shù)。增強(qiáng)的進(jìn)口溫度畸變?cè)黾恿烁邷亓黧w在動(dòng)葉壓力面的分離。對(duì)于均勻和徑向溫度分布, 熱斑強(qiáng)度是影響動(dòng)葉表面溫度和傳熱特性最主要的因素。熱斑正對(duì)靜葉前緣時(shí)顯著影響流動(dòng)特征, 熱斑增強(qiáng)了靜葉的摻混特別是尾跡；動(dòng)葉表面溫度由于摻混而降低了溫度的峰值。熱斑正對(duì)靜葉通道時(shí), 動(dòng)葉壓力面和吸力面溫度的時(shí)間相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明沒(méi)有大的變化。

Ong和Miller利用劍橋大學(xué)的低速模型渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了熱斑和靜葉冷氣在動(dòng)葉中遷移的非定常機(jī)理。圖 11給出了熱斑在渦輪級(jí)中遷移和動(dòng)葉通道中流場(chǎng)型態(tài)變化, 圖中Θ為無(wú)量綱溫度。進(jìn)口總壓均勻分布時(shí), 熱斑對(duì)高壓渦輪級(jí)靜葉的影響較小, 熱斑明顯改變了高壓渦輪動(dòng)葉的氣流攻角, 并引起動(dòng)葉通道二次流渦系改變, 進(jìn)而影響動(dòng)葉的傳熱特性。通道渦和葉片相互作用控制了動(dòng)葉端壁區(qū)域的熱斑氣流和冷卻氣流的輸運(yùn), 引起熱斑熱氣流向動(dòng)葉端壁和壓力面遷移并導(dǎo)致氣流溫度達(dá)到峰值。靜葉氣膜冷卻氣流對(duì)冷卻動(dòng)葉端壁和壓力面作用很小。研究提出了采用靜葉上游槽縫冷氣通過(guò)靜葉通道并進(jìn)入動(dòng)葉通道二次流, 隨著二次流輸運(yùn)到動(dòng)葉端壁和壓力面, 并對(duì)其進(jìn)行冷卻的設(shè)計(jì)方案。

圖 11 熱斑在渦輪級(jí)中的遷移和引起的流場(chǎng)型態(tài)變化

Fig. 11 Hot streak migration in turbine stage and flow pattern variations

薛偉鵬等根據(jù)渦輪通道中的熱斑輸運(yùn)特性提出了2種簡(jiǎn)化的熱斑遷移路徑計(jì)算方法。Koupper等采用數(shù)值方法分析了燃燒室模擬器的流場(chǎng), 驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的燃燒室模擬能夠獲得近似燃燒室出口氣動(dòng)參數(shù)分布, 為研究非均勻進(jìn)口條件對(duì)渦輪氣熱性能的影響提供了燃燒室的設(shè)計(jì)方案。李雪英等通過(guò)模擬3種燃燒室出口溫度分布下渦輪氣熱性能的研究指出燃燒室出口溫度分布對(duì)靜葉端壁近壓力面?zhèn)群臀γ娴纳舷陆菂^(qū)溫度分布具有較大影響。劉兆方等數(shù)值研究了熱斑在動(dòng)靜干涉和葉頂間隙泄漏流影響下的非定常遷移特性和壁面的熱負(fù)荷變化規(guī)律。結(jié)果表明：壓力面?zhèn)鹊臒岚吡黧w在通道渦和泄漏渦的作用下向上下端壁延伸, 而吸力面?zhèn)鹊臒岚吡黧w逐漸向中葉展聚集。王志多等研究指出靜葉正彎增強(qiáng)了靜葉吸力面?zhèn)攘黧w從端壁向葉片中部遷移, 消弱了熱斑的徑向耗散。

Feng等數(shù)值研究了2種熱斑位置和均勻主流以及4種靜葉時(shí)序位置的1.5級(jí)高壓渦輪的傳熱特性。結(jié)果表明：不同進(jìn)口溫度分布顯著改變第1級(jí)靜葉熱通量分布。因?yàn)闊岷屠淞黧w分離, 更多的熱流體流向第1級(jí)靜葉壓力面并惡化傳熱環(huán)境。第1級(jí)動(dòng)葉高熱通量不僅受到高傳熱系數(shù)控制而且受到大溫差的作用。通過(guò)調(diào)整第2級(jí)靜葉時(shí)序位置能夠減少第2級(jí)靜葉表面的熱負(fù)荷。研究指出通過(guò)合適匹配熱斑和靜葉時(shí)序位置能夠使得第2級(jí)靜葉和端壁獲得較高的絕熱效率和較低的熱負(fù)荷。Wang等采用非定常數(shù)值方法研究了進(jìn)口湍流度5%、10%和20%并結(jié)合2種周向位置的熱斑條件下GE-E3高壓渦輪級(jí)的傳熱特性。研究表明：湍流度增強(qiáng)有利于葉片溫度分布, 湍流度引起熱斑衰減主要發(fā)生在靜葉通道, 熱斑耗散直接與溫度梯度有關(guān)。湍流度從5%增加到20%, 端壁溫度增加超過(guò)20 K, 葉片前緣中部區(qū)域降低16 K, 但是葉片壓力面熱斑區(qū)域的溫度僅降低了6 K。除了二次流和間隙泄漏流動(dòng)控制的區(qū)域, 高湍流度明顯影響葉片的傳熱系數(shù)。Chi等采用非定常數(shù)值方法研究了進(jìn)口非均勻溫度場(chǎng)在燃?xì)廨啓C(jī)四級(jí)渦輪中的時(shí)空發(fā)展特性。結(jié)果表明：四級(jí)渦輪中溫度場(chǎng)的高溫和低溫區(qū)域從進(jìn)口到出口相對(duì)穩(wěn)定, 位置隨時(shí)間的變化很小, 近葉頂?shù)倪w移大于近葉根處。溫度場(chǎng)非均勻的非定常脈動(dòng)受到葉列間相互作用和冷氣射流影響, 冷熱流體在時(shí)間和空間的再分布主要受到葉列間相互作用的影響。王天壹和宣益民數(shù)值研究了熱斑遷移路徑中前緣氣膜冷卻特性, 分析了熱斑遷移和主流脈動(dòng)對(duì)氣膜冷卻性能的影響。結(jié)果表明：脈動(dòng)氣膜射流的冷卻效率在總體上低于常規(guī)氣膜冷卻效率。Gaetani等采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的方法研究了燃燒室出口熱斑在航空發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)冷卻高壓渦輪級(jí)中的遷移、與葉片的相互作用和衰減特性。相比于無(wú)熱斑進(jìn)口, 進(jìn)口超過(guò)主流平均溫度20%的熱斑明顯改變了渦輪靜葉出口溫度場(chǎng), 靜葉出口熱斑型態(tài)強(qiáng)烈地依賴熱斑射流的角度。熱斑在動(dòng)葉中失去了空間連續(xù)性并經(jīng)歷了明顯的展向遷移。

國(guó)內(nèi)針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的熱斑遷移輸運(yùn)特性和控制開展了研究。季路成等研究了1+1對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的熱斑遷移特性, 提出采用緣線匹配方法控制熱斑遷移對(duì)葉片傳熱特性的影響。趙慶軍等采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的方法研究了1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪中進(jìn)口熱斑尺寸、周向時(shí)序位置、徑向作用位置、動(dòng)葉葉頂間隙和熱斑溫比對(duì)其遷移特性的影響, 結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指出熱斑溫比小于1.2的進(jìn)口熱斑經(jīng)過(guò)高壓導(dǎo)葉和動(dòng)葉后被完全耗散, 高壓動(dòng)葉出口的熱斑效應(yīng)基本消失。

燃燒室出口熱斑對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能的影響最先受到重視, 相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬與理論分析工作集中在熱斑遷移機(jī)理揭示、對(duì)渦輪級(jí)氣熱特性影響、渦輪級(jí)葉型結(jié)構(gòu)對(duì)熱斑遷移的影響、熱斑與冷卻氣流摻混機(jī)制方面。

3.2 熱斑和旋流綜合作用

現(xiàn)代燃燒室出口不僅具有熱斑, 而且具有強(qiáng)旋流和伴隨的高湍流度的流動(dòng)特征, 對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能影響更加明顯, 為高性能渦輪級(jí)氣熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。科研人員設(shè)計(jì)建設(shè)了具有旋流器的高壓渦輪氣熱性能實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái), 結(jié)合數(shù)值方法開展了熱斑和旋流綜合作用對(duì)渦輪級(jí)流場(chǎng)型態(tài)、傳熱冷卻性能影響規(guī)律的研究。

Salvadori等數(shù)值研究了模擬燃燒室出口總溫和旋流分布對(duì)下游高壓渦輪級(jí)靜葉端壁氣膜冷卻特性的影響規(guī)律。對(duì)稱徑向溫度分布是中葉展高溫, 上下端壁區(qū)域低溫, 同時(shí)進(jìn)口最高和最低溫度差值與平均溫度的比值為0.41, 最高和最低溫度比值為1.15。進(jìn)口旋流的節(jié)距方向平均周向角度范圍-5°~15°, 俯仰角范圍-15°~12°。熱斑和旋流共同作用下靜葉端壁氣膜冷卻特性的結(jié)果表明：旋流限制了提高端壁冷卻性能的程度。旋流和非零攻角改變了馬蹄渦發(fā)展, 馬蹄渦與冷卻氣流相互作用改變了冷卻氣流在端壁和葉面的分布。非均勻進(jìn)口邊界影響了二次流發(fā)展以及冷卻氣流和主流的相互作用, 改變了靜葉熱負(fù)荷分布。Giller和Schiffer實(shí)驗(yàn)研究了燃燒室出口旋流數(shù)和旋流噴嘴與靜葉間距對(duì)渦輪靜葉氣膜冷卻性能的影響。結(jié)果表明相比于軸向進(jìn)氣, 旋流改變了葉柵流場(chǎng)和通道中的損失, 同時(shí)旋流對(duì)氣膜冷卻射流具有抬升作用。旋流噴嘴與靜葉間距對(duì)氣膜冷卻性能的影響大于旋流數(shù)。Qureshi等在OTRF實(shí)驗(yàn)臺(tái)上, 研究了在進(jìn)口平均溫度444 K、動(dòng)葉近葉根處出口馬赫數(shù)1.054和轉(zhuǎn)速9 500 r/min時(shí)節(jié)距和俯仰角在±40°范圍內(nèi)旋流對(duì)無(wú)圍帶跨聲速高壓渦輪動(dòng)葉傳熱特性的影響。研究表明：旋流引起靜葉出口旋流角和總壓分布的變化導(dǎo)致動(dòng)葉相對(duì)進(jìn)口旋流和總壓分布也發(fā)生變化。動(dòng)葉旋流角的變化明顯小于靜葉進(jìn)口旋流角。動(dòng)葉機(jī)匣傳熱和絕熱壁面溫度分布對(duì)旋流時(shí)序位置敏感性小。進(jìn)口旋流增加了動(dòng)葉表面的Nusselt數(shù), 但是旋流對(duì)動(dòng)葉傳熱性能的影響低于靜葉。動(dòng)葉吸力面Nusselt數(shù)由于增強(qiáng)的湍流度而增加了7%~13%；在動(dòng)葉的壓力面, 10%葉高處Nusselt增加8%, 90%葉高處增加40%。這是因?yàn)樵鰪?qiáng)的湍流度和由于旋流增加的二次流共同作用下導(dǎo)致的傳熱變化, 引起了更大的葉頂間隙泄漏流和葉頂區(qū)域的流動(dòng)分離。

Andreini等采用PIV流場(chǎng)可視化和穩(wěn)態(tài)液晶方法研究了所設(shè)計(jì)的燃燒室壁面發(fā)散冷卻對(duì)燃燒室出口旋流流場(chǎng)的影響。Schmid等研究了進(jìn)口旋流對(duì)1.5級(jí)渦輪氣熱性能的影響。結(jié)果表明相比于軸向進(jìn)氣, 旋流進(jìn)氣降低了渦輪級(jí)效率約2%, 靜葉端壁傳熱增加了約20%。劉兆方等數(shù)值對(duì)比了旋流方向和時(shí)序位置對(duì)燃?xì)馔钙綗岚哌w移規(guī)律和動(dòng)葉熱負(fù)荷的影響。結(jié)果表明：順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较虻男骶沟脽岚吆诵膮^(qū)徑向范圍減小, 周向范圍增大。動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致進(jìn)入其通道的旋流迅速衰減, 減弱了對(duì)熱斑高溫氣流的徑向驅(qū)動(dòng)力。進(jìn)口旋流的作用減弱了熱斑時(shí)序效應(yīng)的影響；相比時(shí)序效應(yīng), 旋流方向?qū)岚哌w移和動(dòng)葉熱負(fù)荷的作用更加明顯。李毅飛等數(shù)值研究了熱斑旋流針對(duì)靜葉通道中心時(shí)靜葉的渦系發(fā)展和熱斑遷移特性。研究指出：熱斑和旋流綜合作用使得靜葉前緣中下部和吸力面尾緣處中上區(qū)域產(chǎn)生局部高溫, 并導(dǎo)致靜葉的熱負(fù)荷發(fā)生較大變化。Perdichizzi等基于進(jìn)口馬赫數(shù)0.12和湍流度9%的平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái), 通過(guò)在葉柵進(jìn)口設(shè)置擾流體改變進(jìn)口流場(chǎng), 模擬燃燒室出口流場(chǎng)的非均勻性對(duì)葉片氣熱性能的影響。結(jié)果表明：非均勻的進(jìn)口流場(chǎng)對(duì)葉片的氣動(dòng)性能和熱性能具有負(fù)面作用。進(jìn)口非均勻流場(chǎng)在中葉展處具有高的氣膜冷卻效率和低的氣動(dòng)損失, 而葉片前緣具有低的氣膜冷卻效率和高的氣動(dòng)損失。

Werschnik等基于LSTR實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了5種冷卻氣流量比下燃燒室出口旋流中心正對(duì)下游靜葉通道中心時(shí)的端壁氣膜冷卻特性。結(jié)果表明：相比于無(wú)旋流軸向進(jìn)氣條件, 在冷卻氣流質(zhì)量比達(dá)到2.9%時(shí), 旋流增加了氣膜冷卻端壁的Nusselt數(shù), 同時(shí)降低了氣膜冷卻效率約30%。Bacci等基于扇形葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了±50°強(qiáng)旋流和28%高湍流度流動(dòng)特征、最高和最低溫度比值為1.25的熱斑在高壓渦輪靜葉的遷移特性。旋流中心正對(duì)中間靜葉前緣時(shí), 旋流主要流向右側(cè)葉柵通道并強(qiáng)烈地影響二次流和壓力分布, 進(jìn)而改變熱斑遷移和與靜葉冷卻氣流相互作用。葉柵通道出口處的殘余旋流強(qiáng)化了溫度分布的畸變, 使得熱斑向靜葉下端壁遷移并局限在該區(qū)域；上端壁冷卻氣流向中葉展遷移。旋流和冷卻射流共同作用增強(qiáng)了溫度畸變。圖 12給出了進(jìn)口旋流與靜葉的時(shí)序位置對(duì)靜葉攻角、端壁二次流、旋流遷移軌跡和熱斑影響的圖譜, 圖中Q為熱量。進(jìn)口旋流對(duì)應(yīng)靜葉前緣時(shí), 殘余旋流的徑向位置和旋流引起二次流顯著影響靜葉端壁和表面的傳熱和氣膜冷卻效率。進(jìn)口旋流對(duì)應(yīng)靜葉柵通道時(shí), 旋流遷移引起熱斑在靜葉尾緣處形成熱斑沖擊。旋流和熱斑對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能的影響是非線性的, 需要在模型中同時(shí)模擬才能獲得可靠的結(jié)論。

圖 12 考慮時(shí)序效應(yīng)的進(jìn)口旋流在靜葉通道中遷移和在端壁引起的熱斑沖擊

Fig. 12 Inlet swirl migration in turbine vane passage and hot streak impacts on endwall considering clocking effect

Cubeda等基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比了RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)和SAS(Scale-Adaptive Simulations)預(yù)測(cè)燃燒室出口條件對(duì)高壓靜葉氣熱性能的影響。圖 13給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的靜葉進(jìn)口溫度分布和表面氣膜冷卻效率云圖。結(jié)果表明：燃燒室與渦輪一體化分析采用SAS可以捕捉從燃燒室到渦輪的非定常熱負(fù)荷脈動(dòng)傳輸, 而RANS方法單獨(dú)模擬燃燒室獲得出口邊界再分析靜葉熱負(fù)荷的精度不滿足設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的精度要求。王志多等數(shù)值研究了進(jìn)口旋流對(duì)熱斑和靜葉端壁上游槽縫冷氣射流輸運(yùn)特性的影響。研究表明：旋流增強(qiáng)了熱斑在靜葉通道中的徑向遷移, 提高了靜葉出口近葉頂處的溫度, 使得動(dòng)葉頂部溫度升高。順時(shí)針旋流增強(qiáng)了靜葉通道二次流強(qiáng)度, 減弱了槽縫冷氣射流的冷卻效果。逆時(shí)針旋流增強(qiáng)了動(dòng)葉通道二次流強(qiáng)度, 強(qiáng)化了動(dòng)葉壓力面高溫氣流向端壁遷移, 顯著提高了動(dòng)葉端壁尾緣區(qū)域的溫度。

圖 13 熱斑和旋流綜合作用下靜葉進(jìn)口溫度分布和表面氣膜冷卻效率云圖

Fig. 13 Inlet temperature profile and film cooling effectiveness contours on vane surface under combined effects of hot streak and swirl

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)技術(shù)研發(fā)需求促進(jìn)了燃燒室和渦輪相互作用下熱斑與旋流綜合作用對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析和冷卻設(shè)計(jì)影響的研究, 羅羅公司聯(lián)合歐盟在FACTOR計(jì)劃下完成了NG-Turb第一階段工作。相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的研究已經(jīng)開展, 將為真實(shí)氣熱進(jìn)氣參數(shù)下高壓渦輪級(jí)的冷卻布局設(shè)計(jì)提供支撐。

3.3 旋流和湍流度綜合作用

預(yù)混穩(wěn)定了燃燒, 同時(shí)增強(qiáng)了燃燒室出口旋流和湍流度。為研究燃燒室出口的旋流和湍流度綜合作用對(duì)高壓渦輪氣熱性能的影響, 科研人員采用集成模擬燃燒室旋流器的生成裝置和高壓渦輪級(jí)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)與數(shù)值方法進(jìn)行研究。

圖 3描繪了旋流渦系在燃燒室和渦輪流道中的發(fā)展圖譜。Beard等基于OTRF實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值研究了進(jìn)口旋流在±45°和湍流度范圍6.5%~11.2%時(shí)跨聲速渦輪級(jí)氣動(dòng)效率的變化。進(jìn)口旋流導(dǎo)致靜葉攻角改變并使得渦輪級(jí)效率降低了0.64%, 而旋流對(duì)動(dòng)葉的影響較小。旋流降低了渦輪級(jí)的質(zhì)量流量1.64%, 原因是旋流增加了二次流和改變了靜葉的負(fù)荷, 增加了喉部的損失和降低了靜葉的通流能力。Johansson等基于OTRF實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了燃燒室與高壓渦輪靜葉的旋流時(shí)序效應(yīng)對(duì)1.5級(jí)渦輪第2級(jí)靜葉氣動(dòng)性能的影響, 結(jié)合非定常數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明：高壓渦輪級(jí)進(jìn)口旋流增強(qiáng)了渦輪級(jí)的徑向摻混；旋流相對(duì)于高壓渦輪靜葉的時(shí)序位置影響相鄰靜葉通道的徑向摻混量, 并通過(guò)動(dòng)葉通道而影響動(dòng)葉出口總壓分布。第1級(jí)靜葉和第2級(jí)靜葉的時(shí)序效應(yīng)對(duì)第2級(jí)靜葉靜壓分布具有更大的影響；同時(shí)第1級(jí)靜葉二次流渦系通過(guò)動(dòng)葉傳輸。進(jìn)口旋流減少了高壓渦輪靜葉的流量, 引起高壓渦輪靜葉更高的出口馬赫數(shù)和更低的第2級(jí)靜葉的出口馬赫數(shù)。

Jacobi等采用高亞聲速直列葉柵實(shí)驗(yàn)測(cè)量并結(jié)合LES(Large Eddy Simulation)方法研究了旋流對(duì)高壓靜葉氣動(dòng)性能的非定常作用。圖 4給出了旋流和靜葉前緣相互作用下的渦系結(jié)構(gòu)。燃燒室出口旋流核心與靜葉勢(shì)流場(chǎng)相互作用, 在靜葉前緣區(qū)域形成旋渦的擬序結(jié)構(gòu), 引起旋渦在壓力面和吸力面的對(duì)流以及由于旋流引起徑向壓力梯度導(dǎo)致的徑向遷移。殘余旋流與靜葉上下端壁的二次流相互作用將影響靜葉傳熱系數(shù)分布。殘余旋流核心引起的旋渦擬序結(jié)構(gòu)沿著靜葉表面對(duì)流和節(jié)距方向振蕩, 顯著影響靜葉的傳熱特性。對(duì)于順時(shí)針和逆時(shí)針旋流流動(dòng), 靜葉熱通量表現(xiàn)出最高幅值具有300 Hz頻率。通道渦在通過(guò)葉柵流道沿節(jié)距方向發(fā)生遷移, 并與相鄰靜葉馬蹄渦相互作用。殘余旋流核心振蕩引起攻角和上游節(jié)距方向上的動(dòng)量大范圍波動(dòng), 導(dǎo)致靜葉氣熱性能表現(xiàn)出明顯的非定常脈動(dòng)特征。

Werschnik等基于LSTR實(shí)驗(yàn)臺(tái), 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值研究了考慮時(shí)序效應(yīng)的旋流對(duì)渦輪靜葉端壁傳熱和氣膜冷卻效率的影響特性。相比于軸向無(wú)旋流進(jìn)氣, 旋流進(jìn)氣增加了端壁的Nusselt數(shù)和降低了氣膜冷卻效率。旋流與冷卻氣流摻混并改進(jìn)了橫向氣膜冷卻覆蓋面。旋流與靜葉的時(shí)序位置決定了這種變化。相比于軸向進(jìn)氣, 在無(wú)冷氣和低冷氣量時(shí)旋流進(jìn)氣決定了Nusselt數(shù)并提高傳熱10%~20%；對(duì)于高冷氣量, 端壁流場(chǎng)主要由冷氣射流決定, 軸向和旋流進(jìn)氣的區(qū)別很小。旋流進(jìn)氣對(duì)氣膜冷卻有效度的影響取決于時(shí)序位置和冷卻氣量, 旋流進(jìn)氣降低了氣膜冷卻有效度15%~35%。相比于軸向進(jìn)氣湍流度為1%, 旋流進(jìn)氣時(shí)靜葉平均進(jìn)口湍流度為30%, 湍流度峰值位于旋流中心。

圖 14給出了旋流對(duì)應(yīng)葉柵通道中心的時(shí)序位置時(shí), 端壁二次流與不同旋流方向相互作用引起的旋流遷移。順時(shí)針旋流在端壁二次流作用下向靜葉吸力面?zhèn)冗w移, 逆時(shí)針旋流則向壓力面?zhèn)冗w移。燃燒室和渦輪相互作用下非定常特征影響旋流遷移的幅值。圖 15給出了逆時(shí)針?lè)较虻男髋c靜葉的時(shí)序位置對(duì)其渦系結(jié)構(gòu)和端壁氣膜冷卻特性的影響, 圖中MFR為冷卻氣流流量比。旋流使得靜葉前緣滯止線向壓力面?zhèn)绕? 同時(shí)改變了前緣和端壁區(qū)域的渦系型態(tài), 進(jìn)而影響了端壁氣膜冷卻效率。

圖 14 端壁二次流引起不同旋流方向的旋流遷移軌跡

Fig. 14 Swirl migration trajectory induced by endwall secondary flow due to different swirl directions

圖 15 旋流時(shí)序位置對(duì)靜葉氣熱性能的影響

Fig. 15 Effects of swirl clocking on aerothermal performance of turbine vane

Bacci等基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量了進(jìn)口旋流對(duì)靜葉的流場(chǎng)型態(tài)和絕熱冷卻效率的影響。其中中心旋流器正對(duì)靜葉前緣, 其他2個(gè)旋流器對(duì)應(yīng)中間靜葉與相鄰靜葉間的通道中心。旋流角在±40°范圍, 進(jìn)口湍流度最大30%。冷卻靜葉的CO2冷氣量占主流流量的7.5%, 密度比為1.5。結(jié)果表明：旋流和靜葉的時(shí)序位置顯著影響氣膜有效度分布, 中心靜葉和相鄰靜葉滯止線位置的不同決定了前緣氣膜冷卻的性能, 并影響氣膜覆蓋向下游移動(dòng)。旋流顯著影響靜葉壓力面的氣膜分布, 中心靜葉壓力面中葉展區(qū)域存在低壓區(qū)并提高了冷氣覆蓋范圍, 同時(shí)前緣近吸力面的氣膜冷卻性能降低。旋流影響氣膜冷卻性能的同時(shí)也影響了壓力非均勻性、滯止線變化和壓力面與吸力面流線變化。Abdeh等實(shí)驗(yàn)研究了由于旋流導(dǎo)致±20°范圍內(nèi)進(jìn)口攻角變化對(duì)葉柵流場(chǎng)和冷卻特性的影響。研究表明：進(jìn)口攻角的變化產(chǎn)生明顯的葉柵向前加載改變和滯止線的偏移。正攻角明顯影響葉柵通道中二次流發(fā)展；正攻角下槽縫冷卻射流增加了中葉展區(qū)域的氣動(dòng)損失, 并改變了絕熱氣膜冷卻效率的分布而降低了端壁冷卻性能；負(fù)攻角沒(méi)有明顯改變靜葉整體熱性能。

旋流由于靜葉通道中氣流的加速而主要影響高壓渦輪級(jí)的靜葉。旋流引起靜葉攻角變化而導(dǎo)致前緣滯止線偏移。正攻角造成靜葉氣動(dòng)負(fù)荷增加和較大的氣動(dòng)損失, 而負(fù)攻角則降低氣動(dòng)負(fù)荷和損失。旋流在靜葉通道中的遷移影響氣膜冷卻射流、熱斑和當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)。燃燒室出口湍流度增加強(qiáng)化了靜葉表面?zhèn)鳠帷８咄牧鞫攘鲃?dòng)引起氣流在葉片吸力面從層流到湍流的轉(zhuǎn)捩并強(qiáng)化了壓力面的傳熱。高壓渦輪靜葉的冷卻布局設(shè)計(jì)必須考慮燃燒室和渦輪相互作用下渦輪進(jìn)口高溫燃?xì)獾膹?qiáng)旋流和高湍流度的流動(dòng)特征。

4 燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析和不確定性研究

燃燒室和渦輪相互作用包括復(fù)雜流場(chǎng)間的相互作用和設(shè)計(jì)過(guò)程2個(gè)方面。燃燒室出口流場(chǎng)影響下游高壓渦輪級(jí)的設(shè)計(jì), 高壓渦輪級(jí)靜葉勢(shì)流影響燃燒室的流動(dòng)而影響燃燒室的設(shè)計(jì)。Cha等基于典型的燃燒室和高壓渦輪靜葉實(shí)驗(yàn)臺(tái), 采用無(wú)燃燒反應(yīng)和被動(dòng)CO2示蹤氣體測(cè)量技術(shù)和數(shù)值方法研究了燃燒室和渦輪的相互作用。研究指出靜葉影響了上游燃燒室流場(chǎng), 對(duì)上游流場(chǎng)擾動(dòng)的距離由靜葉勢(shì)流場(chǎng)尺度決定。靜葉勢(shì)流對(duì)燃燒室的影響會(huì)改變?nèi)紵液蜏u輪交界面的氣熱參數(shù)分布, 進(jìn)而增強(qiáng)了渦輪進(jìn)口氣熱參數(shù)的不確定性，最終影響渦輪氣熱性能分析的準(zhǔn)確度。高壓渦輪級(jí)對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)影響的研究工作目前較少開展。本節(jié)主要介紹燃燒室和渦輪相互作用的一體化氣熱性能數(shù)值分析和不確定性條件下高壓渦輪級(jí)魯棒性設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展。

Turner等采用三維CFD方法數(shù)值分析了高旁通比GE90-94B渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)從海平面起飛過(guò)程中的流場(chǎng)特性和性能參數(shù)變化。GE90-94B渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)包括1級(jí)風(fēng)扇、3級(jí)低壓壓氣機(jī)和10級(jí)壓比為23的高壓壓氣機(jī)、低NOx排放的30個(gè)燃料噴嘴結(jié)構(gòu)燃燒室、2級(jí)高壓渦輪和6級(jí)低壓渦輪。燃燒室與渦輪交界面采用總焓、總壓、角動(dòng)量和質(zhì)量流量平均的方法傳遞參數(shù)。Turner等說(shuō)明了計(jì)算的軟硬件條件, 沒(méi)有對(duì)計(jì)算結(jié)果給出分析。Andreini等針對(duì)佛羅倫薩大學(xué)燃燒室與渦輪相互作用環(huán)形葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái), 采用2種湍流模型的RANS和結(jié)合RANS與LES的SAS數(shù)值方法, 研究了考慮旋流器和發(fā)散冷卻壁面的熱斑生成器的燃燒室和渦輪氣熱性能。RANS方法不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃燒室大范圍的回流流動(dòng)。結(jié)合RANS和LES方法的SAS能夠通過(guò)RANS預(yù)測(cè)熱斑的高溫區(qū), 同時(shí)能夠預(yù)測(cè)冷卻氣流與主流的摻混過(guò)程。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較指出了在可接受的計(jì)算費(fèi)用下SAS方法能夠可靠預(yù)測(cè)燃燒室出口的熱斑和摻混物理過(guò)程。

Miki等采用NASA燃燒程序研究了GE-E3燃燒室和高壓渦輪第1級(jí)靜葉間的相互作用。采用24°環(huán)形燃燒室模型研究了燃燒室與靜葉2種時(shí)序位置下的非定常流場(chǎng)。靜葉與燃燒室時(shí)序位置影響非定常流場(chǎng), 進(jìn)而導(dǎo)致靜葉的高溫?zé)岚叻植己蛷?qiáng)度發(fā)生明顯改變。靜葉的存在增加了燃燒室內(nèi)部的壓力, 弱化了旋流和稀釋射流, 導(dǎo)致近燃料噴嘴處和燃燒室出口的馬赫數(shù)分布分別有30%和20%的幅值差別。靜葉與燃燒室的時(shí)序效應(yīng)不僅明顯影響燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)和主燃區(qū)溫度場(chǎng), 而且引起靜葉壓力面的溫度遠(yuǎn)高于吸力面。時(shí)序效應(yīng)改變了熱斑的遷移并影響靜葉表面的熱斑最高溫度分布。Muirhead和Lynch采用定常RANS和時(shí)間相關(guān)DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)方法研究了燃燒室稀釋射流孔布局對(duì)第1級(jí)靜葉絕熱壁面溫度和傳熱系數(shù)的影響特性。燃燒室稀釋射流越接近靜葉越會(huì)對(duì)其產(chǎn)生冷卻作用, 但是明顯地增加了渦輪進(jìn)口流動(dòng)非均勻性, 提高了靜葉溫度梯度和增加了靜葉熱通量。靜葉壓力面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相比于無(wú)稀釋射流時(shí)增加了3倍多。相比于定常RANS, 時(shí)間相關(guān)DDES方法預(yù)測(cè)得到了更大的摻混度和更加均勻的靜葉溫度, 并捕獲到了渦輪流道中的湍流各向異性。

Werschnik采用LSTR實(shí)驗(yàn)臺(tái)在測(cè)量了進(jìn)口旋流對(duì)高壓渦輪靜葉端壁傳熱和氣膜冷卻性能影響的基礎(chǔ)上, 對(duì)比了軸向低湍流度進(jìn)氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 提出了靜葉端壁氣膜冷卻魯棒性設(shè)計(jì)方法。進(jìn)氣旋流角在±25°時(shí), 實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)靜葉端壁的旋流在15°~20°之間并引起質(zhì)量流量的分配；進(jìn)氣旋流增強(qiáng)了冷卻氣流與主流的摻混, 使得更多槽縫冷卻氣流進(jìn)入主流道, 導(dǎo)致氣膜冷卻效率最高降低達(dá)30%。研究指出燃燒室出口旋流導(dǎo)致靜葉端壁達(dá)到相同氣膜冷卻效果需要增加約1倍的冷卻流量比。高壓渦輪靜葉前緣應(yīng)對(duì)熱斑效應(yīng)時(shí)采用氣膜冷卻布局, 在進(jìn)口旋流改變前緣滯止線時(shí)需要對(duì)前緣氣膜孔優(yōu)化布局以適應(yīng)旋流的影響。熱斑和旋流由于時(shí)序效應(yīng)同步深刻影響高壓渦輪級(jí)動(dòng)葉氣熱性能的研究還沒(méi)有深入開展。

科研人員將基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的CFD數(shù)值方法應(yīng)用于燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析和氣膜孔布局設(shè)計(jì)。目前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界采用RANS、RANS與LES耦合和LES方法研究燃燒室和渦輪相互作用, 主要集中在燃燒室出口非均勻氣熱參數(shù)分布對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能影響的研究上；而關(guān)于高壓渦輪靜葉勢(shì)流流場(chǎng)對(duì)上游燃燒室流場(chǎng)影響的研究則相對(duì)較少。

Schneider等率先開展了不確定進(jìn)氣條件下高壓渦輪靜葉的魯棒性氣熱設(shè)計(jì)研究。圖 16給出了Schneider總結(jié)的目前渦輪級(jí)氣熱性能分析時(shí)邊界條件的模型假定。在燃燒室和渦輪解耦模型中, 高壓渦輪分析和設(shè)計(jì)不考慮進(jìn)口條件的非定常性。渦輪級(jí)葉柵通道采用周期性邊界條件雖然提高了計(jì)算效率, 但忽略了真實(shí)流動(dòng)的非周期性；動(dòng)葉傳熱和氣膜冷卻特性分析認(rèn)為腔室冷卻射流是穩(wěn)態(tài)的。邊界條件模型假定增加了高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析的不確定性。

圖 16 渦輪級(jí)氣熱性能分析邊界條件的模型假定

Fig. 16 Implicit modelling assumptions due to boundary conditions of turbine stage aerothermal performance analysis

圖 17給出了燃燒室和渦輪交界面在耦合和解耦2種模型中軸向速度傳遞的差異。目前高壓渦輪級(jí)氣熱設(shè)計(jì)采用解耦模型方法, 燃燒室出口氣熱參數(shù)和高壓渦輪級(jí)數(shù)值模擬邊界模型的假定使得高壓渦輪級(jí)氣熱性能不確定性增加, 因此需要開展不確定進(jìn)氣條件的高壓渦輪魯棒性氣熱設(shè)計(jì)研究。Schneider等提出了考慮進(jìn)口熱斑不確定性條件下高壓渦輪級(jí)魯棒性設(shè)計(jì)流程(如圖 18所示)。進(jìn)口熱斑不確定性在高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析過(guò)程中的傳輸, 導(dǎo)致高壓渦輪級(jí)的氣動(dòng)效率、氣膜冷卻性能和傳熱特性的結(jié)果具有不確定性。Schneider等研究表明：燃燒室和渦輪相互作用下采用解耦模型時(shí), 對(duì)于等溫條件進(jìn)口旋流, 旋流數(shù)和時(shí)序位置是影響級(jí)效率和靜葉壓力損失的主要參數(shù)；高壓渦輪靜葉溫度不確定性主要受到進(jìn)口旋流時(shí)序位置影響。旋流和熱斑相對(duì)于靜葉的時(shí)序位置改變旋流和熱斑相互作用機(jī)理, 進(jìn)而改變靜葉端壁和表面的氣膜冷卻效率。同時(shí)改變熱斑和進(jìn)口旋流時(shí), 旋流主要影響靜葉損失而熱斑影響動(dòng)葉損失。熱斑徑向位置通過(guò)影響動(dòng)葉攻角、負(fù)荷和損失而影響渦輪級(jí)效率。渦輪二維進(jìn)口條件的不確定性導(dǎo)致渦輪級(jí)等熵效率具有0.17%的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖 17 燃燒室和渦輪交界面速度傳遞的差異

Fig. 17 Difference in velocity transfer between combustor and turbine interface

圖 18 考慮進(jìn)口不確定性條件下高壓渦輪級(jí)魯棒性設(shè)計(jì)流程

Fig. 18 Robust design approach applied to high pressure turbines with respect to uncertain inflow conditions

Schneider等指出燃燒室和渦輪設(shè)計(jì)最重要的自由度是燃燒室相對(duì)渦輪的時(shí)序位置。燃燒室和渦輪理想的時(shí)序位置是熱斑由于對(duì)應(yīng)靜葉前緣而被衰減, 進(jìn)而降低了動(dòng)葉的熱負(fù)荷。旋流相對(duì)靜葉時(shí)序位置是與特定燃燒室設(shè)計(jì)相關(guān)的變量。旋流時(shí)序位置與靜葉前緣一致時(shí), 設(shè)計(jì)渦輪效率具有最小的減少量, 但是靜葉熱設(shè)計(jì)具有最低的魯棒性。

燃燒室和渦輪相互作用的研究目前主要針對(duì)燃燒室出口非均勻氣熱參數(shù)熱斑、強(qiáng)旋流和高湍流度下高壓渦輪級(jí)的氣熱性能研究。考慮非均勻進(jìn)氣參數(shù)分布下高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析的不確定傳輸與量化和魯棒性氣熱設(shè)計(jì)是需要深入開展的課題。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

5.1 結(jié)語(yǔ)

燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪進(jìn)口氣熱參數(shù)分布具有大于25%的高湍流度、非均勻溫度分布(熱斑)、非均勻總壓分布和旋流與非定常速度場(chǎng)的流動(dòng)特征, 直接影響高壓渦輪級(jí)的氣熱性能和冷卻設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外科研人員在實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)值模擬與理論分析方面開展了相應(yīng)的研究工作, 為燃燒室和高壓渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)的氣熱性能分析和設(shè)計(jì)提供了理論和技術(shù)支撐。

1) 設(shè)計(jì)建設(shè)了無(wú)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合熱斑和旋流生成裝置的高壓渦輪級(jí)氣熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái), 開展了熱斑、旋流和湍流度對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能影響機(jī)制的測(cè)量研究。揭示了熱斑在高壓渦輪級(jí)中的遷移衰減的輸運(yùn)機(jī)理和時(shí)序效應(yīng)以及對(duì)靜葉和動(dòng)葉傳熱特性的影響規(guī)律, 闡明了熱斑和旋流綜合作用與時(shí)序效應(yīng)對(duì)高壓渦輪級(jí)氣膜冷卻特性的作用機(jī)制。

2) 基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了進(jìn)口非均勻氣熱參數(shù)分布時(shí)高壓渦輪級(jí)氣熱性能和冷卻效率數(shù)值方法的有效性和適用范圍。明晰了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)于燃燒室和渦輪相互作用數(shù)值方法的解耦和耦合模型的特點(diǎn)和需要完善的問(wèn)題。提出了熱斑和旋流與高壓渦輪級(jí)葉柵通道二次流渦系相互作用模型, 揭示了熱斑和旋流以及時(shí)序位置對(duì)高壓渦輪級(jí)靜葉和動(dòng)葉流場(chǎng)型態(tài)與傳熱冷卻特性的作用機(jī)理。

3) 發(fā)展了高壓渦輪級(jí)魯棒性氣膜冷卻布局設(shè)計(jì)方法, 考慮燃燒室和渦輪相互作用下非均勻氣熱參數(shù)分布對(duì)高壓渦輪級(jí)流場(chǎng)型態(tài)的影響, 優(yōu)化了高壓渦輪級(jí)的氣膜冷卻布局。提出了燃燒室和渦輪相互作用下非均勻氣熱參數(shù)不確定性量化方法, 構(gòu)建了熱斑和旋流的不確定性輸入和氣熱性能不確定輸出的高壓渦輪級(jí)魯棒性設(shè)計(jì)體系, 為燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析的可靠性和冷卻設(shè)計(jì)的魯棒性提供了技術(shù)手段。

5.2 展望

燃燒室內(nèi)流動(dòng)包括了燃燒、液體噴射燃料的霧化/蒸發(fā), 燃燒和湍流場(chǎng)是多物理場(chǎng)問(wèn)題。燃燒室和渦輪本質(zhì)上是相互作用的耦合單元, 但是目前有關(guān)高壓渦輪對(duì)燃燒室的影響研究相對(duì)較少, 主要集中在燃燒室出口非均勻氣熱參數(shù)分布對(duì)下游高壓渦輪級(jí)氣熱性能影響和冷卻布局方面。燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)進(jìn)口非均勻溫度分布熱斑、強(qiáng)旋流和高湍流度的流動(dòng)特征影響和改變了高壓渦輪級(jí)靜葉和動(dòng)葉的流場(chǎng)型態(tài)和傳熱特性, 決定了高壓渦輪級(jí)的氣膜冷卻設(shè)計(jì)。針對(duì)熱斑效應(yīng)需要設(shè)計(jì)氣膜冷卻布局來(lái)保證葉片的安全性, 而旋流改變了氣膜冷卻氣流的流動(dòng)特性, 進(jìn)而改變了氣膜冷卻效率。為應(yīng)對(duì)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和渦輪一體化設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略需求, 需要繼續(xù)深入開展燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析和冷卻設(shè)計(jì)的研究。

1) 建設(shè)和完善耦合熱斑旋流生成裝置的高壓渦輪級(jí)氣熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái), 采用高精度的氣動(dòng)參數(shù)和溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù), 精細(xì)化辨識(shí)非均勻氣熱參數(shù)熱斑、旋流和湍流度對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能的影響特性和綜合作用機(jī)制, 為掌握非均勻氣熱參數(shù)在高壓渦輪級(jí)中的遷移特性、非均勻氣熱參數(shù)對(duì)高壓渦輪級(jí)氣熱性能的影響規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐, 同時(shí)為發(fā)展高可靠性的數(shù)值方法提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)在集成非均勻氣熱參數(shù)生成裝置的高壓渦輪級(jí)氣熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)和測(cè)量方面需要加強(qiáng)。

2) 發(fā)展和完善耦合燃燒室和渦輪相互作用的高壓渦輪級(jí)氣熱性能分析數(shù)值預(yù)測(cè)方法。盡管LES方法相對(duì)于RANS方法能夠較為準(zhǔn)確地獲得燃燒室和渦輪相互作用的動(dòng)力學(xué)本質(zhì), 但是LES因需要的計(jì)算網(wǎng)格而限制了其工程應(yīng)用。因此學(xué)術(shù)界需要繼續(xù)致力于采用RANS和LES及耦合方法開展燃燒室和渦輪相互作用的研究, 工業(yè)界則需要開展基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)提高RANS方法預(yù)測(cè)可靠度的研究, 為工程設(shè)計(jì)提供滿足精度要求的分析方法。

3) 提出燃燒室和渦輪相互作用下高壓渦輪級(jí)魯棒性氣熱性能分析和冷卻布局設(shè)計(jì)方法, 建立進(jìn)口非均勻氣熱參數(shù)分布和高壓渦輪級(jí)氣熱性能不確定性量化模型。基于不同燃燒技術(shù)、燃燒室結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況統(tǒng)計(jì)分析, 發(fā)展燃燒室與渦輪交界面不確定量化模型, 量化燃燒室和渦輪相互作用下交界面的氣熱參數(shù)不確定度。考慮燃燒室和渦輪相互作用下交界面的非定常流動(dòng)特征, 并以時(shí)間相關(guān)模型給定高壓渦輪進(jìn)口條件, 開展熱斑和旋流等進(jìn)氣條件下燃燒室和渦輪間的非定常相互作用研究, 發(fā)展熱斑、旋流和湍流度等氣熱參數(shù)不確定性量化與傳輸模型, 建立不確定性條件下的高壓渦輪級(jí)魯棒性設(shè)計(jì)體系。

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