涡轮叶片冷却结构设计与试验方法简析.pdfVIP

对于推重比高达20:1的航空发动机，提升以涡轮叶片为主的热端部件的耐

高温性能的需求十分迫切，先进的涡轮叶片冷却结构设计与试验方法则是提高涡

轮前温度的重要保障。

传统的典型涡轮叶片冷却结构主要包含前缘的冲击和气膜冷却结构、尾缘的

扰流柱和劈缝冷却结构，以及中弦区域气膜冷却和带扰流肋的通道冷却结构等

（如图1所示）。然而，随着涡轮前温度的不断提升，通过典型冷却结构的简单

组合的设计已经不能满足冷却的需求，优化设计已势在必行。由于涡轮叶片冷却

结构设计是一个综合了气动、传热、结构、强度、可靠性等多学科的复杂问题，

所以设计过程中不仅需要先进的方法和流程，相关的配套试验也同样不可或缺。

图1现代涡轮叶片典型冷却结构

涡轮叶片冷却结构设计

涡轮叶片冷却结构的设计是依据涡轮叶片的工作环境、设计寿命以及降温需

求等为基础，在涡轮叶片各位置采用合理的冷却方式来实现最佳冷却效果，同时

满足寿命、强度以及耐高温的要求。

传统设计方法和流程

涡轮叶片冷却结构的传统设计主要分为方案设计和详细设计两个阶段。在方

案设计阶段是初步确定涡轮叶片冷却结构并进行初步热分析，初步热分析通常采

用S1流面流动以及换热计算，基于经验公式的管网计算以及二维导热计算相结

合，实现对叶片二维温度场的预测。在详细设计阶段则是根据涡轮叶片冷效试验

结果进行改进设计（设计流程如图2所示）。目前，涡轮叶片冷却设计都是结合

实际情况对上述涡轮叶片设计步骤进行改良的过程。

图2涡轮叶片冷却结构传统设计流程

新型设计方法和流程

随着数值仿真技术的发展和计算能力的提升，设计人员更多地借助数值方法

提高涡轮叶片冷却结构设计的可靠性并缩短设计周期。例如，哈尔滨工业大学的

涡轮叶片设计团队结合冷却结构参数化建模技术、传统的管网计算方法与新兴的

全三维气热耦合数值模拟技术，提出了一套新的涡轮叶片冷却结构设计方法和流

程，并编写了相关的设计程序与计算程序（如图3所示）。在初步设计阶段，设

计人员根据气冷叶片的气动参数和叶型特征，参考以往的气冷叶片设计结果，选

择多种形式的初步冷却结构。在方案设计与详细设计环节，冷却结构几何设计采

用参数化设计方法，即冷却结构可以通过调整若干控制参数快速生成，从而实现

高效率的叶片冷却结构设计。由于热分析采用了管网计算方法和三维计算方法，

因此参数化设计能够实现向管网计算程序与三维建模程序快速而准确地传递计

算模型数据。通过多次迭代，形成最终的满足条件的冷却结构设计。

图3涡轮叶片冷却结构设计流程

涡轮叶片冷却结构设计方法的发展

从涡轮叶片冷却结构设计发展趋势来看，传统冷却结构设计在初步设计阶段

为了节省计算资源，并快速筛选出较好的冷却结构，通常采用S1流面流动与换

热计算、管网计算、二维导热计算等计算量较小的方法进行叶片的初步热分析。

在筛选的基础上进行冷效试验，根据试验结果改进设计方案，获得最终的冷却结

构设计。

由于涡轮叶片冷却结构的设计涉及到气动、传热、结构、强度、可靠性等多

学科，为了更加准确地了解冷却结构的可靠性，需要综合多学科进行分析，所以

随着三维数值模拟方法和计算资源的发展，在涡轮叶片冷却结构详细热分析阶段

引入三维多学科耦合仿真技术以及部件一体化耦合仿真计算，对涡轮叶片冷却结

构进行详细的热分析，获取更多信息，使得涡轮叶片冷却结构的设计更加可靠，

同时能极大地缩短设计周期。

涡轮叶片冷却试验

涡轮叶片冷却试验贯穿整个涡轮叶片设计周期，不同冷却试验可以对不同设

计阶段的设计结果进行验证和修正，同时可以指导叶片冷却结构的设计优化，主

要包括研究性试验、综合冷效试验以及整机试验。

研究性试验

研究性试验是涡轮叶片初步设计时的主要试验，用于验证和改进冷却设计过

程中试验的计算程序和设计方法，如外部换热计算程序、管网计算方法，也可以

验证不同冷却结构的冷却效率，发展新型高效的冷却结构以及挖掘相关冷却机理。

涡轮叶片冷却研究性试验主要包括：内带肋通道流动换热特性试验、叶片气膜冷

却试验、冲击冷却试验和一些部件级试验。

内部带肋通道流动换热特性试验可以用来验证带肋通道冷却结构的综合换

热效率。内部带肋通道的对流强化换热主要用于叶片的中弦区域，在该区域内部

通道壁面的吸力侧和压力侧布置扰流肋，起到强化换热