● 摘要
国内关于涡轮叶栅的气热耦合计算已开展了一系列的工作，但是相关研究仍然没能将涡轮盘和叶片之间导热的影响考虑进去，耦合仅仅局限于叶栅流体与叶片之间，实际上，叶片与涡轮盘之间的导热量也是一个不容忽视的因素。为了更加准确地预测涡轮内的热状况，本文将通过分区求解、边界耦合的方法，分别将叶栅内流体、转静系内流体与涡轮进行气热耦合，充分考虑涡轮各个区域之间的热量传递来进行求解，并将耦合计算的结果与采用绝热边界条件计算的结果进行对比，研究不同的边界处理方法对流场气动参数的影响。本文采用数值方法对WWP25微型涡喷发动机的涡轮进行模拟，通过对涡轮附近流场进行模拟计算，得出涡轮盘和叶片表面的第三类边界条件，从而对涡轮的温度场进行计算。然而，涡轮表面的边界条件都是无法预知的，需要在流固交界面处进行耦合迭代计算。结果表明，耦合的方法既考虑到气动性能对传热的影响，又考虑到传热对气动性能的影响，因此，计算得出的涡轮温度以及压力分布更加合理，更能准确地预测涡轮叶片以及盘内的温度场以及热应力分布。具体表现在以下几个方面：采用绝热的壁面边界条件和采用耦合方法计算得出的结果，差别主要体现在温度方面，对压力的影响主要通过密度变化实现，且这种影响很小。流场内压力分布主要由流场进出口处气流的物性参数决定。采用耦合方法计算得出的叶片压力面和吸力面的温差要小于绝热边界条件计算得出的温差，这是因为考虑了叶片内部的导热。同时，经过耦合计算，叶尖与叶根的温差也减小了，这是因为考虑了叶片和涡轮盘之间的导热。所以耦合计算方法能够得出更准确的热状况，为强度设计提供更可靠的信息。在前面工作的基础上，建立有限元模型，以便进行强度计算。对建立好的模型施加温度载荷和离心载荷，用来分析涡轮盘的热应力分布情况，为更进一步的研究工作做好准备。