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航空燃气涡轮发动机涡轮新技术

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航空燃气涡轮发动机涡轮部件的功能是将从燃烧室流出的高温燃气的热能和压力能转换成机械功，驱动风扇、压气机和附件工作。在涡桨或涡轴发动机中，涡轮还用于驱动螺旋桨或直升机的旋翼。按燃气流动方向，涡轮可分为轴流式和径流式。现代航空燃气涡轮发动机涡轮几乎都采用轴流式。在轴流式涡轮中，根据转子驱动的对象又可分为高压、中压和低压涡轮。

涡轮部件是发动机中单位重量最重、最复杂、本钱最高的部件，所以，涡轮的设计目标是保证其应用所需的耐久性前提下，在高性能和经济可承受性之间维持一种平衡。为此，设计者们通过采用先进的气动、结构、冷却、强度设计，以及新材料和新工艺等多种技术措施来实现这一目标。

涡轮CFD技术

〔1〕非定常仿真技术

非定常仿真技术是对一个时间周期内离散瞬间的涡轮动静域流场进行求解，动静域之间采用直接数据传递的方式，能够真实详细描述瞬态的涡轮内流场变化。随着计算机技术的不断开展，现有的计算设备已能开展非定常仿真技术的大量研究工作。局部国外发动机公司不同程度的采用了此项先进设计技术，如美国的IHPTET方案中将非定常仿真技术用于解决转子和静子之间相互作用的机械激振，并将此技术用于F119发动机设计。近年来国外开展了凹槽顶部间隙、轴向气封间隙、热斑、尾迹、气膜冷却等气动和传热非定常方面的研究和应用，极大地提高涡轮叶片设计水平。

〔2〕气膜冷却仿真技术

目前，工程设计中广泛采用气膜冷却方式对涡轮叶片进行冷却。如何准确模拟冷气与主流的掺混流动是准确评估冷却涡轮性能的关键所在。通常采用两种方式进行气膜冷却数值模拟。第一种是冷气喷射源项法，它在叶片外表和端壁给定质量、动量和能量源分布来考虑气膜冷却流动；该方法的优点是所需的工作量和计算时间较少、易于实现。第二种是真实气膜孔仿真方法，生成气膜孔甚至内腔网格，并对每个气膜孔甚至内腔流动均进行数值模拟；此方法划分网格复杂、时间长、计算量大，但优点是可以获得非常详细的流动信息，实现气热耦合计算，对温度场的求解更加准确。国外实现了基于结构化网格和非结构化网格的真实气膜孔仿真，例如：霍尼韦尔公司的PaulVitt等〔如图1〕、美国加利福尼亚州空气动力中心的RonHoNi等〔如图2〕、俄罗斯OJSC的VictoriaKrivonosova等。

图1.Honeywell气膜冷却非结构化网格

图2.加利福尼亚州空气动力中心CodeLeo程序气热耦合求解结果

三维设计技术

〔1〕超高载荷叶片全三维设计

随着对发动机性能、重量、可靠性、经济性等的要求越来越高，涡轮叶片数量越来越少，涡轮叶片载荷也越来越高，涡轮处于跨音流动甚至超音流动状态，需开展超高载荷叶片的全三维设计技术研发。其中，包括了叶片复合倾斜技术、叶片端弯技术、叶片端壁融合技术、宽弦叶片技术、支板与叶片融合设计技术、跨音叶型设计技术、超音叶型设计技术等。

〔2〕非轴对称端壁技术

非轴对称端壁技术将端壁造型从二维开展到三维，通过调整端壁的三维曲面形状，能够有效减小涡轮二次流损失，从而提高涡轮效率。罗?罗公司是第一个开始研究和应用非轴对称端壁技术的发动机公司，并申请相关专利，采用非轴对称端壁设计技术可提高涡轮效率1.0%左右。空客A380遄达900航空发动机的低压涡轮部件〔如图3〕和先进中等推力E3E发动机核心机的高压涡轮导叶及工作叶片端壁〔如图4〕均采用了该技术。MTU公司构建了一套非轴对称端壁设计体系。PW公司是首个进行非轴对称端壁设计对冷却效率影响研究的公司。

图3.遄达900发动机低压涡轮非轴对称端壁

图4.E3E发动机高压涡轮动叶端壁

高效冷却叶片设计

〔1〕铸冷叶片技术

铸冷叶片源于艾利逊公司的“Castcool”概念，它是一种可以一次铸造出内部复杂形状的加工方法。利用Castcool可以将十分复杂的冷却结构一次铸成在单晶部件〔如涡轮叶片〕之内，同时，在IHPTET方案中Allison公司研发了一种Lamilloy冷却方案，此方案为多孔层板材料叶片。在IHPTET方案第二阶段，Castcool技术与Lamilloy冷却方案结合，研制出了铸冷上下压叶片〔如图5，叶片前缘和尾缘采用气膜冷却，而叶片其余局部那么采用双层壁Lamilloy冷却〕，并在CAESAR验证机中进行了强度和冷却试验验证。

图5.高、低压涡轮铸冷工作叶片

〔2〕超冷叶片技术

超冷叶片源于普惠公司的“supercooling”概念。超冷叶片有几百个铸造的或激光打的小孔，外形与常规冷却叶片一样，但其内部是用CFD方法设计的。在IHPTET方案第二阶段，在CAESAR核心机中对超冷叶片技术进行了试验验证〔如图6〕，并将此技术成功转化至F119核心机中验证。同时，PW公司在F135发动机的高压涡轮上采用超冷技术，冷却效率提高