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基于改进温度评估模型的叶片冷却性能分析

黄聪聪 徐国强 闻洁 庄来鹤 孙京川

黄聪聪, 徐国强, 闻洁, 等. 基于改进温度评估模型的叶片冷却性能分析[J]. 航空动力学报, 2023, 38(4):816-829 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210530
引用本文: 黄聪聪, 徐国强, 闻洁, 等. 基于改进温度评估模型的叶片冷却性能分析[J]. 航空动力学报, 2023, 38(4):816-829 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210530
HUANG Congcong, XU Guoqiang, WEN Jie, et al. Analysis of blade cooling performance based on improved temperature assessment model[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(4):816-829 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210530
Citation: HUANG Congcong, XU Guoqiang, WEN Jie, et al. Analysis of blade cooling performance based on improved temperature assessment model[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(4):816-829 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210530

基于改进温度评估模型的叶片冷却性能分析

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210530
基金项目: 国家重大科技专项(2017-Ⅲ-0003-0027)
详细信息
    作者简介:

    黄聪聪(1998-),女,硕士生,主要从事航空发动机综合热管理方面的研究

    通讯作者:

    闻洁(1964-),女,研究员,博士,主要从事传热传质、发动机整机综合热管理和发动机高温部件冷却方面的研究。E-mail:wenjie@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V235.13

Analysis of blade cooling performance based on improved temperature assessment model

  • 摘要:

    为适应航空发动机涡轮冷却技术的发展趋势,在传统叶片温度评估模型的基础上加以改进,提出了适用于内外耦合涡轮叶片的温度评估模型。将改进后的温度评估模型嵌入到发动机整机热力性能计算模型中,对飞机/发动机系统耦合分析,研究了F-16战机在典型飞行任务和飞行包线内高压涡轮导叶的冷却性能。结果表明:在全飞行任务下进行分析时,叶片在实用升限、起飞及大爬升率工况下叶片工作热环境恶劣,叶片易超温;叶片表面温度沿径向为增长趋势,在叶顶处达到最大值。在全飞行包线内进行分析时,叶片表面温度随高度变化明显;包线内高空低马赫数区域叶片的最高温度和承受的热应力最大,叶片最高温度可达1342 K;高空低马赫数区域的综合冷却效率与包线内的最高冷却效率相比,降低了34.2%,叶片冷却性能下降明显。在进行模型参数敏感性分析时,与基准方案相比,当输入参数改变相同比例,改变冷气进口温度对叶片温度的影响最为显著。

     

  • 图 1  航空发动机涡轮前温度的变化趋势

    Figure 1.  Variation trend of aeroengine turbine front temperature

    图 2  发动机热力系统仿真模型

    Figure 2.  Simulation model of engine thermodynamic system

    图 3  飞行任务下叶片冷却性能评估流程

    Figure 3.  Evaluation process of blade cooling performance under flight mission

    图 4  混排涡扇发动机物理模型

    Figure 4.  Physical model of mixed flow turbofan

    图 5  截面参数传递示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of section parameters transfer process

    图 6  涡轮叶片模型

    Figure 6.  Turbine blade model

    图 7  能量传递示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of energy transfer process

    图 8  任务剖面图

    Figure 8.  Mission profile

    图 9  各工况总燃油系数

    Figure 9.  Total fuel coefficient under various conditions point

    图 10  战机受力分析

    Figure 10.  Fighter force analysis

    图 11  各飞行工况涡轮前温度及冷气进口温度

    Figure 11.  Turbine front temperature and air inlet temperature in each flight condition

    图 12  各飞行工况下叶片进口冷气量

    Figure 12.  Flow rate of cool air at blade inlet in each flight condition

    图 13  不同飞行任务叶片外表面最高温度及温差

    Figure 13.  Maximum temperature and temperature difference of blade surface in different flight missions

    图 14  冷气侧和叶片表面温度分布

    Figure 14.  Temperature distribution of cool air and blade surface

    图 15  离散化包线

    Figure 15.  Discretized envelope

    图 16  包线内叶片表面最高温度分布

    Figure 16.  Maximum temperature distribution on blade surface in envelope

    图 17  包线内叶片表面温差分布

    Figure 17.  Temperature difference distribution on blade surface in envelope

    图 18  包线内叶片综合冷却效率分布

    Figure 18.  Blade comprehensive cooling efficiency distribution in envelope

    图 19  战机作战区域的划分

    Figure 19.  Division of combat zones

    图 20  与基准方案相比叶片表面温度变化

    Figure 20.  Changes in blade surface temperature compared with the reference scheme

    表  1  特征截面

    Table  1.   Characteristic of section

    编号截面含义编号截面含义
    0-0远前方来流44-44高压涡轮出口
    1-1进气道进口45-45低压涡轮转子进口
    2-2风扇进口5-5低压涡轮出口
    13-13风扇出口6-6混合室主流进口
    25-25高压压气机进口16-16混合室外涵气流进口
    3-3高压压气机出口6A-6A加力燃烧室进口
    31-31燃烧室进口7-7尾喷管进口
    4-4燃烧室出口8-8尾喷管喉道
    41-41高压涡轮转子进口9-9尾喷管出口
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    表  2  F-119发动机循环参数

    Table  2.   Cycle parameters of the F-119 engine

    循环参数设计点(H=0 km、Ma=0)
    非设计点(H=11 km、Ma=1.5)
    换算空气流量/(kg/s)126125.52
    涵道比0.30.298
    风扇压比4.54.5
    风扇效率0.850.8549
    压气机压比5.85.786
    压气机效率0.860.8613
    涡轮前温度/K18602011
    高压涡轮效率0.870.875
    低压涡轮效率0.880.8845
    高压导叶引气比例/%1212
    高压动叶引气比例/%7.27.2
    低压导叶引气比例/%5.55.5
    飞机系统引气比例/%11
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    表  3  F-119发动机设计点验证

    Table  3.   Validation of the F-119 engine design points

    参数设计点(H=0 km、 Ma=0)
    文献[11]计算值GASTURB
    推力/kN105.5105.0105.5
    耗油率/(kg/(N·h))0.08370.08660.0836
    高压涡轮膨胀比2.6602.8202.719
    低压涡轮膨胀比2.1102.1022.072
    喉道面积/m20.24480.25010.2450
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    表  4  F-119发动机非设计点验证

    Table  4.   Validation of the F-119 engine off-design points

    参数非设计点(H=11 km、Ma=1.5)
    文献[11]计算值GASTURB
    推力/kN62.565.462.49
    耗油率/(kg/(N·h))0.11830.11270.1190
    高压涡轮膨胀比2.6602.7822.711
    低压涡轮膨胀比2.1002.0812.073
    喉道面积/m20.24480.25710.2479
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    表  5  模型验证结果

    Table  5.   Model verification results

    参数文献[15]文献[16]文献[17]文献[17]
    T0c,i/K821796342293
    T0g/K16701692615615
    mcl/(kg/s)0.10890.08300.00540.0054
    mcl/ mg0.10580.05830.0160.016
    叶片平均温度/K(文献结果)12621215527.4513.6
    叶片平均温度/K(模型结果)1229.01205.8528.2512.6
    相对误差/%−2.61−0.760.150.19
    注:上标①、②分别表示文献[17]中的两组数据。
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    表  6  飞行任务信息

    Table  6.   Flight mission information

    工况编号任务段任务描述
    1起飞S=500 m,H=0 m,Ma=0.2,加力
    2爬升H=0~10150 m,Ma =0.83
    3巡航H=10150~11308 m,
    Ma=0.83~0.86
    4下降Ma=0.65
    5加速Ma=0.45~0.85,t=60 s
    6空战Ma=0.85
    7爬升Ma=0.87
    8巡航H=13320~13716 m,Ma=0.87
    9、10下降着陆飞行高度从13716 m下降至
    水平面着陆状态,Ma=0.6
    11最大马赫数H=9000~18000 m,Ma=2.0,加力
    12实用升限H=18000 m,Ma=1.0~2.0,加力
    13最大爬升率dH/dt=314.5 m/s,H=0 m,Ma=0.8,加力
    14战斗盘旋H=10000 m,Ma=1.6,加力
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    表  7  任务燃油系数计算公式

    Table  7.   Calculation formula of fuel proportional coefficient

    任务段任务燃油系数 Mff
    起飞0.992~0.995
    爬升1.0065−0.0325Ma
    巡航${ {\text{e} }^{ - \frac{ {R \cdot r_{ {\rm{SFC} } } \cdot g} }{ { {V_0}\left( {L/D} \right)} } } }$
    空中巡逻0.9675
    空战$1-{T}_{\text{av} }\cdot r_{ {\rm{SFC} } }\cdot {t}_{ {\rm{CBT} } }/ {W}_{i-1}$
    加速冲刺0.9795
    最短时间爬升0.997
    亚声速巡航爬升${ {\text{e} }^{ - \frac{ {R \cdot r_{ {\rm{SFC} } } \cdot g} }{ { {V_0}\left( {L/D} \right)} } } }$
    待机0.9677
    下降着陆1
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    表  8  各工况点需求推力

    Table  8.   Required thrust under various conditions point

    工况点编号推力/kN工况点编号推力/kN
    1122.66812.36
    251.4891.62
    314.41102.62
    41.771155.47
    541.571220.56
    644.4413135.14
    724.531465.96
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    表  9  发动机设计点参数

    Table  9.   Parameters of the engine design point

    参数数值
    总压比32
    涵道比0.4
    进气流量/(kg/s)112.4
    涡轮前温度/K1672
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    表  10  温度评估模型输入参数

    Table  10.   Temperature evaluation model input parameters

    参数数值及说明
    T0c,i/K程序计算
    mcl/(kg/s)程序计算
    T0g/K程序计算
    λTBC/(W/(m·K))1.02
    Acl/m20.005262
    Ag/m20.0038115
    Y/m0.0465
    λm/(W/(m·K))35 W
    Bim0.15
    BiTBC0.3
    wfc0.6
    εf0.2(y≤0.1Y
    0.5(y≤0.9Y
    0.1(y>0.9Y
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    表  11  模型输入参数

    Table  11.   Model input parameters

    方案mcl/(kg/s)εfT0c,i/K
    基准方案5.30.5783
    改变冷气量方案15.830.5783
    方案24.770.5783
    改变气膜冷效方案35.30.55783
    方案45.30.45783
    方案55.30783
    改变冷气温度方案65.30.5705
    方案75.30.5861
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  • 收稿日期:  2021-09-22
  • 网络出版日期:  2022-12-28

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