试论航空发动机涡轮机匣传热分析技术
权少宁
【摘 要】摘要：涡轮机匣主要是航空发动机以涡轮段结构的连接位置作为载体，承担机械负荷、气体压力、热负荷，其所发挥的主要作用是承力。而且，涡轮机匣内部流动通道是航空发动机空气系统的重要组成部分，其主要任务是给冷却空气提供气流运动的有效通道。另外，还需要对涡轮叶尖的运作间隙进行全面控制，并引进冷气，以此进行机匣冷却，从而保证机匣的整体强度与使用寿命。作为冷气通道的主要结构，空气系统在计算时，还应对机匣各部分内的通道流动换热特性做进一步的充分了解，并且机匣的温度分布与叶尖间隙控制之间密切相关，在进行机匣温度计算的时候，还需充分了解换热特性。通过数值仿真与实验系统深入探究了涡轮机匣传热特性，并进一步分析了高压涡轮机匣传热分析技术。
【期刊名称】《工业加热》 【年(卷),期】2019(048)005 【总页数】4
【关键词】航空发动机；涡轮机匣；传热分析 修回日期：2019-01-07
航空发动机涡轮机匣能够有效控制叶尖间隙，在进行发动机设计时，准确预测运转温度，获取涡轮机匣在各种状态下的变形量，能够有效帮助叶尖间隙控制系统开发。涡轮机匣是热端部件，结构十分复杂，包括各种各样的流动形式，即平板、凹槽、冲击、多孔阵列等等，换热规律也比较复杂。而因为涡轮机匣的工作环境温度比较高，流动形式太过多元化，在温度分析时，换热模型实际
上与具体结构存在明显差异，从而使得难以预测机匣温度与变形，进而不能确保叶尖间隙控制。因此，为了涡轮机匣温度分析的准确性得到提升，应进一步深入探究涡轮机匣表面换热规律[1]。
1 航空发动机涡轮机匣传热分析技术环节
基于高压涡轮机匣进行传热分析，其流动传热分析过程比较繁杂，受各种因素影响，但是本质上是流体动力、热交换理论、发动机部件的有机结合。流动特性是对发动机二次流空气的运行状态进行探究，换热特性是对发动机零件表面与气流热交换原理进行探究。流动换热的关键在于求解流场，现阶段N-S 方程的准确求解依旧是一大难题，需要以实验为载体加以弥补[2]。
充分了解高压涡轮机匣和主动间隙控制系统结构特性，熟练掌握流动传热的影响因素，有助于流动与传热分析模型构建。切实结合二次流空气系统设计，进行一维分析，从而获取涡轮机匣气体流动环境状态。就发动机具体结构与流动状况，就各流动单元进行准则模块化处理，以此构成不同类型节流单元串联、并联相组成的复杂空气系统一维流体计算网络，以进一步做计算分析，进而获取高压涡轮机匣流动特性。在此基础上，对涡轮机匣进行CFD数值仿真研究，探究涡轮机匣流动换热分布的规律性，基于数值仿真验证换热特性。数值仿真有利于获取相关分布规律，但是并未全面实现对机匣流动换热特性的准确分析，其特性的构建需要进行实验验证[3]。就热物理模型与计算获取边界条件而言，基于有限元计算，获得发动机运转时机匣的瞬态温度，有助于叶尖间隙分析和机匣强度设计。
总之，想要获取涡轮机匣温度，切实解决相关问题，关键就在于计算换热边界条件。由于机匣的复杂性，导致难以预测周围流动换热环境。而换热边界准确
性在很大程度上影响着机匣温度分析的精确性，因此换热边界条件分析是机匣温度分析的关键，对此，必须健全既有计算方法，以数值仿真与实验分析保障换热边界条件的准确性。
2 涡轮机匣数值仿真分析
高压涡轮机匣内部的构造十分特殊，是一个腔体，其换热备受气流流动影响，因为结构复杂导致无法基于既定准则进行计算。以一维空气系统流动计算的进口压力与质量流量作为边界条件，通过CFD 软件进行数值计算。涡轮机匣流场结构在几何结构影响下，其腔体结构强制内部气流改变方向，以构成气流涡，对壁面产生相应作用，对气流和壁面之间的换热造成直接性影响。通过进气孔流入机匣内部的气流速率非常高，直接冲击着壁面，在冲击区的周围沿着边缘逐渐流动，速率也会随之渐渐降低[4]。冲击孔与涡轮机匣的外壁面区域相对应，存在十分显著的斑状冲击强换热区域，其特性与冲击孔相同，是在剧烈冲击下导致的，也是受空气冷却机匣的作用造成的。
在机匣的内壁上，前部分，受入流孔冲击，换热系数较大，但是冲击区域以外，换热系数会不断缩小，但是减小幅度不断变弱。中间部分，气流和壁面之间的相互作用处于均衡状态下，换热系数的分布也相应的非常均衡，但是比较小。后部分，冲击位置的气流和壁面之间的作用十分强烈，换热比较剧烈，系数也很大，但是冲击区域外，相互作用减小，换热系数也比较小。就数值分析结果可知，腔体内部的气流速度始终处于平衡状态下，壁面换热也比较均衡[5]。总之，孔出流对避免的冲击作用很强，两者之间的换热也比较剧烈，系数较大。涡轮机匣结构多元化，使得气流方向逐渐变化，造成漩涡结构复杂化。气流涡所在位置上，气流和壁面的相互作用比较强烈，换热系数也较大。
试论航空发动机涡轮机匣传热分析技术
