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摘 要：本文采用商业软件对航空发动机低压涡轮一级导向叶片冷气流量进行了数值仿真计算，研究了单联导向叶片及三联导向叶片内腔冷却气体的质量流量。计算结果表明，数值仿真计算的质量流量值与水流量设备检测的质量流量值比较吻合，并且三联叶片的质量流量值基本上等于单联叶片质量流量值的三倍。因此，可以用此数值仿真计算方法计算单联叶片内腔冷却气流的质量流量，以此反应双联、三联及多联涡轮导向叶片的冷却气体流量的质量流量。

关键词：涡轮导向叶片；冷却气体；质量流量 ；数值计算

中图分类号：V235 文献标识码：A

航空发动机涡轮导向叶片的冷却气体流量是导向叶片的重要参数之一，对航空发动机性能起着关键作用，直接影响航空发动机导向叶片的工作可靠性。有效控制冷却气体流量，有利于防止叶片失效。在工厂实际生产加工时，一般采用测量水流量的方式来反应其冷却气体流量。但手动测量方式存在误差，会造成质量数据统计分析的错误。本文采用商业软件对单联低压涡轮导向叶片及三联低压涡轮导向叶片的冷却气流流量进行数值仿真计算，同时与水流量设备对叶片的测量值进行了对比，并对两种方法得到的质量流量值进行了分析，验证了此数值仿真计算方法的准确性和可行性。

1 低压涡轮导向叶片的结构特点

航空发动机涡轮气冷导向叶片设计与制造技术是研制高推重比发动机的关键。当涡轮导向叶片材料承受的温度高于1100℃以上时，涡轮导向叶片的高温燃气接触表面不仅需要添加隔热涂层，还需要采取比较复杂的冷却措施，如在内腔型面增加导流管或在上、下缘板及叶身表面布设许多冷却孔。航空发动机涡轮导向叶片多采用空心带冷却的结构，内腔型面增加导流管。低压涡轮导向叶片大多采用单联、双联、三联及多联结构。

1.1 单联导向叶片的结构特点。由于铸造技术的局限性，早期低压涡轮导向叶片多为单个铸造，其有一定的缺陷性，如气密性不好，影响整机性能等。

1.2 双联及三联导向叶片的结构特点。双联气冷涡轮导向叶片主要分为分块组合式、单叶整铸组焊式、一模双叶整铸式等。三联气冷涡轮导向叶片的典型结构是单叶整铸后再三叶组焊或蜡模组焊，最后再三叶整铸。双联、三联或多联气冷涡轮导向叶片既减少导叶缘板间的漏气损失、提高涡轮效率，又可减少导叶工艺制造环节、提高可靠性。随着铸造水平的提升，双联、三联或多联气冷涡轮导向叶片逐渐占据主导地位。

2 计算模型的建立

此数值仿真计算分为单联导向叶片和三联导向叶片两种情况计算其质量流量。本次计算对低压涡轮一级导向叶片冷却气体流道进行全尺寸三维模型，为计算方便，对内部冷却气流流道结构进行了一定的简化，如图1及图2所示，运用ICEM软件对计算模型进行网格划分。图1给出了单联导向叶片内腔冷却气流流道示意图，图2给出了三联导向叶片内腔冷却气流流道示意图。

3 计算结果与分析

3.1 划分网格。本文计算的低压涡轮一级导向叶片冷却气流进口直径为Φ18mm。将导向叶片冷却气流进口端面设为压力进口，将导向叶片冷却气流出口端面设为压力出口，流动介质选择H2O。运用ICEM软件对计算模型进行网格划分。单联低压涡轮一级导向叶片内部冷却气流通道计算模型网格单元总数为347762，最佳网格质量为0.999，最差网格质量为0.28，平均网格质量为0.7226；三联低压涡轮一级导向叶片内部冷却气流通道计算模型的网格单元总数为1075658，最佳网格质量为0.999，最差网格质量为0.22，平均网格质量为0.7684，均满足计算要求。

3.2 质量流量计算结果。本计算中单联导向叶片及三联导向叶片的进口均采用压力进口，出口均采用壓力出口，进口及出口总压均为2个大气压，进口及出口静压为1.99个大气压，温度均为288k。计算结果显示，单联导向叶片的质量流量为0.421kg/s，三联导向叶片的质量流量为1.259 kg/s。

4 结论

计算结果表明，三联导向叶片内腔冷却气体的质量流量基本上是单联导向叶片内腔冷却气体质量流量的三倍，因此，以后可以通过只计算单联叶片的质量流量来反映双联、三联及多联导向叶片内腔冷却气体的质量流量，这样既简化了计算模型，又缩短了计算时间，同时提高了数值仿真计算的准确性。由车间流量设备测试的该航空发动机低压涡轮一级导向叶片的水流量值为1.221 kg/s，与数值计算得到的三联导向叶片的质量流量值相比误差为3%，两种方法得到的质量流量值基本吻合。因此，运用此数值仿真计算方法计算涡轮导向叶片内腔冷却气体的质量流量是可行的。此数值仿真计算方法对以后计算及测量航空发动机涡轮导向叶片内腔冷却气体的质量流量奠定了一定的基础。

参考文献

[1]郭文，吉洪湖，蔡毅，等.复合式气冷涡轮导叶冷却设计与试验[J].航空动力学报，2005，20 （03）： 456-459.

[2] 尚义.航空燃气涡轮发动机[M].北京：航空工业出版社，1995.

[3] 吴子牛.计算流体力学基本原理[M].北京：科学出版社，2001.