涡轮温度场仿真技术发展方向研究

■ 马薏文 苗辉 / 中国航发研究院

近年来，涡轮温度场仿真技术随着航空发动机不断发展而飞速进步，以满足越来越多样、精细、深入的研发需求。从单部件稳态仿真，到动态多学科耦合仿真，再到多部件一体化仿真，功能形式多样，不一而足，为航空发动机的涡轮科研提供了强有力的支持。

随着航空发动机相关技术发展，涡轮进口温度也随之提高。现有推重比为10∶1的发动机的涡轮进口温度达到了1800 ～2000K，推重比为15 ～20∶1的发动机的涡轮进口温度将达到2100 ～2300K，远远超过了发动机高温合金材料的熔点温度。在性能逐渐提高，设计逐渐精细化、系统化的同时，涡轮部件热负荷和温度梯度也随之大幅增加，如预测的涡轮叶片壁面温度每上升25 ～30K，涡轮计算寿命就会减半。因此，准确的涡轮温度场仿真技术，对高推重比发动机技术的发展至关重要。

入口温度及冷却结构随年份的变化

发展现状

涡轮温度场仿真技术是高效、精细化冷却设计的必要手段。通过仿真计算，不仅可以获得涡轮固体温度场的结果，还可以通过局部流场、温度场和压力场的展示，揭示换热机理，为冷却结构设计和优化提供依据。涡轮温度场仿真的主要目的是：计算在发动机各种状态下和过程中涡轮部件的温度分布，为强度寿命分析提供依据。根据仿真手段和仿真对象的特点，可将涡轮温度场仿真技术分为零维/一维/二维仿真、三维稳态流动仿真、三维稳态多学科耦合仿真（气热耦合、气热固耦合）、三维动态多学科耦合仿真（发动机定/变工况）以及多部件一体化耦合仿真。……