涡轮部件流场计算

1GE公司E3涡轮部件全三维流场计算与分析曾军，王丽，王彬中航工业燃气涡轮研究院610500[摘要]采用全三维CFD软件ANSYSCFX分别对GE公司带冷气的E3两级高压涡轮、五级低压涡轮及共14排叶片的涡轮部件进行了全三维计算，湍流模拟采用带转捩模型ShearStressTransport（SST）二方程模型。为了模拟气膜冷气喷射的影响，采用了源项模拟技术。计算结果与试验值及部分设计值进行了对比，结果表明CFX软件对气冷多级涡轮流场模拟具有较高的精度。通过研究掌握了E3发动机涡轮部件的设计特点和规律，为独立自主地开展先进民用航空发动机涡轮部件的研制提供一定的参考和借鉴。[关键词]民用发动机，涡轮，CFD，湍流模型，转捩Computedandanalysisoffull-3DflowofGEEnergyEfficientEngineTurbineComponentsZengJun，WangLi，WangBinAvicGasTurbineEstablishment,610500[Abstract]Full-3DCFDsimulationwascarriedoutbycommercialCFDsoftwareANSYSCFXonatwo-stagehighpressureturbineandafive-stagelowpressureturbinewhichincludingfourteen-rowbladesdesignedbyGE.Thesourcetermmethodwasusedtosimulatethefilmcoolingofblades.Thetwo-equationturbulencemodelSSTwithtransitionwasselectedtocomputetheturbulentflow.Thecomputeddatawascomparedparticularlytotheexperimentdataanddesigndata.ItshowsthattheCFXsoftwarehashighaccuracyontheflowfieldsofmulti-stagecoolingturbine.ThedesigncharacteristicandrulesofEnergyEfficientEngineTurbineComponentswereobtained.Itofferedthereferencefordevelopingindependentlycivilaviationengineturbinecomponents.[Keyword]Civilengine,Turbine,CFD,Turbulencemodel,Transition1前言在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》和“十一五”规划纲要中，国家已将大型飞机定为16个重大专项工程之一。我国于2007年重新启动了“大飞机”研制工2程项目。这个项目同时要研制大型运输机和干线客机。大运和干客采用的发动机都是2～4台大涵道比涡扇发动机。振兴航空，动力先行。要上“大飞机”工程项目，大涵道比涡轮风扇发动机的研制就显得尤为迫切。目前世界上能独立研制各类飞机的国家有20多个，但能独立研制航空发动机的却只有美、俄、英、法、德等少数几个国家。正因为如此，这些国家长期以来一直将航空发动机列为国家战略性产业，其核心技术严格禁止向国外出口或转移，从而形成航空动力的全球垄断。为配合大飞机工程这一目标的实现，国内正在开展民用大涵道比涡轮风扇发动机的设计和研究工作。由于民用大涵道比涡扇发动机的设计和使用的特殊性，国内在其产品的研制和生产方面还是空白，亟待解决设计、试验和制造等方面的关键技术。因此很有必要了解国外先进涡扇发动机的设计参数和特征。70年代中期到80年代初，美国为保持商用航空运输动力发展上的优势，由NASA主持实施了高效节能发动机（EnergyEfficientEngine），即E3研究计划，目的是为下一代民用航空发动机研制提供技术储备。这一计划的实施，不仅使高负荷跨音速压气机、低污染短环燃烧室和跨音速大负荷涡轮等部件设计研制技术有了更大进展，而且按预定目标完成了样机的整机试验。它的研究成果很快被应用于新研制的航空发动机，如CF6-80C2、CFM56-5、PW2037、PW4000、V2500等；大涵道比民用涡扇发动机GE90，广泛采用E3发动机的研究成果，并直接应用E3发动机的核心机技术。因此了解和掌握E3涡轮的设计规律和特点，对提高我国涡轮设计技术水平和独立自主的研制先进民机涡轮是非常必要和有益的。本文根据文献[1,2]提供的数据，对GE公司E3涡轮部件进行全三维计算和分析。文中分别对两级高压涡轮、五级低压涡轮试验件及整个涡轮部件设计点的状态进行了全三维计算，并进行了详细分析，验证了CFX软件在气冷多级涡轮部件的适用性和精度，掌握了E3涡轮部件的设计特点及规律,为独立自主的研制先进民用航空发动机涡轮部件提供了重要的参考和借鉴。2GE公司E3涡轮部件简介GE公司E3发动机的设计目标的是与基准发动机CF6-50相比，耗油率降低14%，直接使用成本降低5%，噪声和排放污染符合标准要求。为实现研制目标，GE公司确定四项技术任务：推进系统分析、设计及一体化；部件设计、研制和试验及支持技术；核心机研制和试验；核心机与低压部件组合体。GE公司E3涡轮部件设计为两级高压涡轮，五级低压涡轮，涡轮部件共十四个叶片排，低压涡轮转子为带冠设计，GE公司E3发动机轮廓见图1。其叶型、流道几何数据及边界条件来源于参考文献[1,2]，各叶片排叶片数依次为46、76、48、70、72、120、102、122、96、122、114、156、120、110，子午流道如图2所示。表1为GE公司E3涡轮部件设计指标[1-2]。GE公司的涡轮部件设计是将工作条件最苛刻的核心机与低压部件组合体(ICLS)最大爬升选作涡轮部件气动设计点。3作为研制计划一部分，GE公司分别安排了两级高压涡轮、五级低压涡轮模型级性能试验，其试验结果均达到了设计指标。图1GE公司E3发动机轮廓图467648707212010212296122114156120110XY0200400600800200400600图2流道示意图表1GE公司E3涡轮部件设计点指标参数单位ICLS高压导叶进口总压bar13.03高压导叶进口总温K1678高压导叶进口流量kg/s26.44高压效率——0.919低压效率——0.911高压转速rpm12630低压转速rpm3511.9高压总膨胀比——4.914低压总膨胀比——4.223数值方法4ANSYSCFX[3]是ANSYS公司开发的一款流体计算软件，包含3个工具——前处理CFX-Pre、求解器CFX-Solver和后处理工具CFX-Post。采用有限体积法求解三维N-S方程，在数值方法上同时利用了有限元法和有限体积法的优点。其数值格式可从一阶迎风格式（Upwind）到二阶精度格式中任意选择。求解器采用全隐式耦合多重网格求解技术，使CFD求解稳定且收敛较快，并具有先进的网格自适应求解功能。CFX提供了多达16种湍流模型，包括标准的k-ε模型、SST（SHEARSTRESSTRANSPORTATION）模型、分离涡模拟模型（DES）、大涡模拟模型（LES）和雷诺应力模型等。为了得到精确的解，必须使用能准确描述湍流机理的先进湍流模型。在很多CFD程序中，广泛应用带标准壁面函数的k-ε湍流模型。壁面函数假设近壁第一个网格节点满足附面层通用对数律。然而实际上，常常很难预先生成满足这个条件的网格，若不满足这个要求将会导致流场和性能的计算精度降低。此外，这个模型具有高估壁面处剪切应力和传热系数的特点，导致对分离流动的预估不足，计算性能参数偏高。在近壁区域k-ω模型比k-ε模型更加准确，因此被成功地应用到具有中等逆压梯度的流动计算，但对由压力引起的流动分离计算精度不高。尽管k-ω模型在近壁区域具有优异的性能，但由于ω方程对附面层之外来流的ω值特别敏感的缘故，限制了k-ω模型的应用。为了解决这个问题，Menter提出了SST模型[4]。该模型在近壁区域使用k-ω模型，而在远离壁面区域采用k-ε模型。这样SST模型在近壁区域不仅具有k-ω模型计算精度高的特点，而且在远离壁面区域又克服了k-ω模型对来流ω敏感的问题。在湍流模拟中靠近壁面处方程正确的数值处理也很重要。这些公式确定了壁面剪切应力和传热系数计算的精度，并影响附面层的发展。对SST模型来说，新的壁面边界处理方法使用了k-ω模型简单可靠的近壁公式。它依据网格密度，自动从低雷诺数公式向壁面函数处理方式转换。这种自动壁面处理方式避免了在稀网格条件下应用低雷诺数模型导致计算精度的降低。和试验数据的比较证明，使用SST模型比单纯使用ε方程可得到较好的计算结果，尤其对于具有逆压梯度的流动情况[5,6]。同时为了更准确地模拟广泛存在于叶片吸力面的转捩现象，本文湍流模拟时选用了带转捩的SST湍流模型[7]。为了模拟气膜冷却流动，使用了源项模拟技术,即采用一条槽缝来模拟一排气膜孔，槽缝的面积等于一排气膜孔面积的总和。在包含槽缝面每一个单元上都定义了质量源、动量源、能量源和湍流量。需要输入冷气参数包括：质量流量、冷气流动方向角、冷气温度、冷气湍流度和涡粘性比。当这些参数给定后就可以确定质量通量、能量通量、湍流动能通量、湍流频率通量和总的动量通量。源项模拟技术曾在多个涡轮部件的三维数值模拟中得到很好的验证[8-10]。计算采用的CFX软件版本为12.0，求解器采用“高分辨率”差分格式，计算中考虑了变物性的影响，导热系数、粘性系数和比热随温度变化而变化。计算收敛精度设置为最大残差不大于5E-4。54计算网格为了在有限的时间内得到可信的CFD结果，高质量网格的生成和求解器性能一样重要。同时网格质量还直接影响计算的精度、速度和收敛性。使用叶轮机械叶片网格生成专用软件ANSYSTurboGrid12.0[11]生成结构化多块网格。为生成质量高的网格，在叶片近壁面生成O网格，详细模拟附面层内流动情况，同时在远离壁面处生成H型网格。涡轮部件叶片表面冷气网格采用ICEMCFD12.0[12]划分冷气槽缝来近似模拟，ICEMCFD12.0设置的的冷气槽缝网格示意见图3。生成的涡轮部件S1流面计算网格和全三维计算网格如图3所示，两级高压涡轮网格节点总数820169，单元总数756338。五级低压涡轮网格节点总数1163211，单元总数1066068。高、低压涡轮网格节点总数1465617，单元总数1333166。高压涡轮一级动叶叶尖间隙为0.3mm，高压涡轮二级动叶叶尖间隙为0.306mm，低压涡轮动叶叶尖间隙均为0.254mm[1，2]。动叶叶尖间隙处网格采用沿径向10个节点均匀分布，能较好的模拟间隙处流动情况。a)S1流面计算网格b)叶片及轮毂表面计算网格c)冷气槽缝示意图图3网格示意图65边界条件流场计算边界条件包括：进口边界、出口边界、壁面边界、周期性边界、级交界面。根据参考文献[1-2]，进口给定总压、总温，气流给定径向分布、中等湍流度（5％），涡粘性比自动给定；出口给定平均静压；叶片表面和上、下壁面无滑移；周期性边界上强迫对应点上的所有物理量相等；在静子与转子间采用了级界面。冷气给定流量、总温、气流角和冷气的湍流度和涡粘性比。6计算结果与分析文中分别对GE公司E3两级高压涡轮试验件、五级低压涡轮试验件及涡轮部件共14排叶片进行全三维计算，并将计算结果进行详细的分析。两级高压涡轮试验件为全尺寸，五级低压涡轮试验件为缩尺模型，缩尺比为0.67。6.1高压涡轮部件试验件结果分析作为研制计划的一部分，GE公司安排了一个空气涡轮试验来确定此涡轮将来在核心机试验和在ICLS试验中可能达到的性能。空气涡轮试验的第一部分是在环行叶栅中确定第一级导向器的性能，第二部分是在旋转台上试验两级导向器和动叶。试验时冷却气温度与主气温度之比与发动机状态温比保持一致，给定每一