涡轮叶片内冷通道流热固耦合数值仿真研究
摘要
随着航空发动机涡轮前温度不断提升，涡轮叶片内冷结构的设计原来越复杂，采
用先进的内部冷却技术或改进内部冷却结构从而降低叶片表面温度至关重要。所以，
本文对涡轮叶片内冷结构流热固耦合机理及其流动换热特性深入研究，构建了带肋直
通道模型，重点分析了通道内的综合传热效率，获得了无量纲肋间距、肋高对带肋直
通道流动传热特性影响规律，在此基础上，进一步研究了气动载荷和热载荷同时作用
下叶片的等效应力分布。主要研究内容如下：
首先完成了对C3X涡轮叶片多物理场耦合算法验证并且详细分析了涡轮叶片周围
的流动换热特性和叶片内部的换热特征。与实验数据对比发现，SSTk??湍流模型能
够更精准的预测涡轮叶片的流动传热等特性。通过叶片固体网格完成了流固耦合和热
力耦合的数据交换，实现了热力耦合分析以及应力场和变形场分析，得到了热力耦合
特征。
其次采用数值模拟的研究手段，首先对带肋直通道模型内部的稳态流场进行了数
值计算，对其进行了网格无关性验证和湍流模型验证，并且对SSTk??模型和实验结
果进行对比，对通道内的流动现象和传热情况进行了后处理和分析。然后针对不同Re
数下无量纲肋间距、肋高对带肋直通道流动和传热性能进行研究，借助了SSTk??湍
流模型，雷诺数范围为10000至50000，在对不同结构的模型在不同工况下进行了流动
和传热结果的分析，最后在雷诺数50000工况下结果分析，在其他条件相同下，对比了
无量纲肋间距下带肋直通道的综合传热效率，随着雷诺数的增长，分析了无量纲肋间
距下的综合传热效率以及传热效果。此外，在其他条件相同的情况下，对比了无量纲
肋高对带肋直通道的综合传热效率的影响，随着雷诺数的增长，分析了无量纲肋高下
的模型的综合传热效率以及传热效果。
最后采用C3X涡轮叶片外部轮廓，构建了带优化肋结构的涡轮叶片计算域，通过
Workbench平台进行流热固耦合计算。对于静强度计算，主要考虑气动载荷和热应力载
荷。计算了设计的叶片在单一载荷作用下的等效应力分布，对比了在气动载荷和热载
荷同时作用下叶片的等效应力分布，将两种载荷共同施加到C3X涡轮叶片上，对两种
载荷共同作用在叶片上产生的变形量和等效应力分布进行了综合分析。
关键词：燃气轮机；涡轮叶片；内冷通道；流热固耦合；应力场
涡轮叶片内冷通道流热固耦合数值仿真研究
Abstract
Withtheincreasingofturbinefronttemperatureofaero-engine,thedesignofturbineblade
internalcoolingstructurebecomesmorecomplex.Therefore,itisveryimportanttoadopt
advancedinternalcoolingtechnologyorimproveinternalcoolingstructuretoreduceblade
surfacetemperature.Therefore,thispaperconductedanin-depthstudyonthefluid-
thermosolidcouplingmechanismofthecoldstructureinturbinebladesanditsflowheat
transfercharacteristics,builtaribbedthrough-passagemodel,focusedonanalyzingthe
comprehensiveheattransferefficiencyinthepassage,andobtainedtheinfluencelawof
dimensionlessribspacingandribheightontheflow