1D and 3D Coupled Turbine Vane Thermal Simulation

Introduction

涡轮导叶是燃气涡轮发动机中位于燃烧室与旋转涡轮叶片之间的固定气动部件。其主要功能是将来自燃烧室的高温高速气流以最佳角度引导至下游转子叶片，从而最大化涡轮效率和功率输出。 涡轮导叶持续工作于发动机温度最高的区域，长期暴露在远超基体合金熔点的燃烧气体环境中。为在此恶劣环境下正常服役，每片导叶均集成了以下设计：

• 先进材料，如定向凝固或单晶高温合金。
• 防护涂层，包括用于抵御氧化和辐射的热障涂层（TBC）。
• 复杂的内外冷却通道，将来自压气机的相对冷空气引入，以将金属温度维持在可接受范围内。

涡轮导叶因此处于空气动力学、传热学、材料科学与结构力学的交叉领域，其性能对涡轮效率、热可靠性及使用寿命具有深远影响。 深入理解并优化其热行为，对于现代高效发动机设计至关重要。

Engineering Background

涡轮导叶工作于燃气涡轮发动机中热环境最为严苛的区域之一。高温燃烧气体持续冲刷导叶表面，同时冷却空气流经复杂的内部通道以防止金属过热。 这两种看似相互矛盾的需求（在极端高温下保持强度，同时尽量减少冷却空气用量）使导叶的热行为极为复杂且高度耦合。

Multiscale Thermal Challenges

• 外部加热：气体侧承受强烈的对流与辐射热载荷，沿导叶表面分布变化剧烈。局部峰值通常出现在前缘、尾缘和叶尖附近，存在热点风险。
• 内部冷却：在导叶内部，来自压气机的空气流经蛇形和冲击通道。流量分配、压力损失及局部传热系数决定了这些区域的冷却效果。
• 固体导热：金属壁面在冷热两侧之间传导热量，在涂层、基体和平台区域产生三维温度梯度。

Engineering Impacts

若冷却不足或不均匀：

• 局部金属温度可能超过设计限值，导致蠕变、涂层剥落和热疲劳。
• 过多的冷却流量降低发动机热效率，并可能扰乱燃烧室压力平衡。
• 较大的热梯度引起机械变形和叶尖间隙变化，影响气动性能和振动安全性。

Motivation for Advanced Thermal Evaluation

传统分析方法或简化关联式无法准确捕捉这些强耦合传热机制。 为同时保证可靠性和效率，需要一种先进的热分析方法：该方法需同时考虑实际外部热载荷、内部冷却性能与固体导热。

Objectives

基于上述背景，本研究的目标是在真实工况下，对涡轮导叶的流动与热性能进行定量评估。 研究重点关注导叶的温度分布、热裕度和冷却效率，为设计验证和冷却优化奠定基础。 主要分析目标如下：

• 评估金属温度场： 确定导叶的稳态和瞬态温度分布，重点关注前缘、尾缘、叶尖、平台和叶根等关键区域。
• 识别热裕度与热点： 定位并评估接近材料温度极限或存在较大热梯度的区域，这些区域可能影响涂层或结构完整性。
• 评估内部流动性能： 分析内部冷却空气分布、压力损失及局部对流传热系数，以了解冷却效果和均匀性。
• 量化外部加热效应： 利用参考气体侧边界数据（HTC 和有效气体温度）量化施加在导叶表面的外部热载荷。
• 支持冷却系统优化： 为布局调整（如孔排布、通道尺寸和流量分配）提供数据驱动的依据，兼顾金属温度降低与冷却空气消耗。

Solutions

涡轮导叶的热分析涉及三个紧密关联的物理域：外部热燃气流、内部冷却剂流动以及两者之间的固体金属导热。

Current Solutions

1. 分步独立仿真：最广泛使用的方法将系统划分为独立分析：
   • 外部气体流动通过三维 CFD 建模，以获取传热系数（HTC）和参考气体温度。
   • 内部冷却回路单独分析，通常采用一维或简化流动模型计算冷却剂质量流量、压力损失和内部 HTC。
   • 上述结果随后作为边界输入用于独立的三维固体热传导仿真，以预测金属温度场。
2. 全耦合 CFD–CHT 仿真：另一种方法将整个系统（气体域、固体域和冷却通道）视为一个集成 CFD 模型。 该共轭传热（CHT）方法直接捕捉外部流动、冷却剂流动与金属温度之间的相互作用。

Challenges of both Approaches

尽管上述方法均已成熟，但各有明显不足：

• 分步方法需要在多个工具之间进行数据传递，导致流程缓慢且难以自动化。
• 全 CFD–CHT 方法精度最高，但需要大量计算资源和前处理工作，在设计迭代或优化循环中效率较低。

Our Approach: 1D/3D Coupled Thermal Simulation

为克服上述不足，我们采用 shonTA，这是一款将基于网络的一维分析与三维有限元热计算无缝集成的仿真软件。 shonTA 在单一环境中实现冷却网络与固体域的混合建模，简化现有工作流程并显著加速迭代。

核心功能：

• 一维/三维混合计算：将快速内部流动网络求解器与详细三维有限元热分析相结合，精确捕捉局部和整体温度特性。
• 外部 CFD 数据集成：支持从外部 CFD 计算结果中直接导入 HTC 和参考温度分布作为边界条件。
• 多目标优化：支持针对冷却布局、流量分配的多目标优化，加速设计改进。

借助 shonTA，原本相互独立的分析被统一至更简洁、更高效的工作流程中。 其精度接近全 CFD–CHT 仿真，同时保持了简化网络方法的高效性，从而实现涡轮导叶冷却性能的快速评估与优化。

Case Setup: C3X & MARKⅡ Turbine Vane Study

算例工况数据来源于文献 [1] 中记录的 C3X 第 107 次试验和 MARKⅡ 第 16 次试验结果。 算例模型的几何参数同样源自文献 [1] 中记录的数据。 其中一种方法采用一维/三维耦合仿真，冷却管道的 HTC 数据及管内温度由一维仿真获得。

几何模型

前处理

翼型表面的 HTC 数据来源于文献 [1]。管道散热的三维热仿真 HTC 同样源自该文献。由于数据点的离散性，无记录数据区域的 HTC 值通过线性插值确定。

结果与验证

温度结果

前后表面的温度采样结果及文献对比如下所示。 左图显示归一化温度对比，右图显示绝对误差对比。 绝对误差范围在 [-0.066, 0.053] 之间。

内部流动的仿真结果、实验结果及相关误差如下表所示。 雷诺数和平均温度的相对误差均小于 2%。

C3X

MARK II

Summary and Conclusions

本研究为涡轮导叶热分析建立了一套实用且精确的框架。 为克服传统方法的局限性，采用 shonTA 平台对涡轮导叶进行了一维与三维耦合热仿真。 shonTA 支持外部 HTC 数据导入、一维/三维混合建模以及统一工作流程，简化了仿真设置并显著加速了设计迭代。 基于 C3X 和 MARK Ⅱ 基准算例的验证结果与实验数据高度吻合。 表面温度绝对偏差保持在归一化参考值的 ±0.07 以内，预测的内部流动和出口温度与测量值的相对误差小于 2%。 上述结果证实了 shonTA 平台在代表性涡轮导叶工况下的高可靠性和预测精度。 综上所述，shonTA 的一维/三维耦合方法在大幅缩短计算时间的同时保持了高保真度，为涡轮导叶冷却分析与优化提供了高效、鲁棒的工具。

参考文献

[1] L. D. Hylton, M. S. Mihelc, E. R. Turner, D. A. Nealy, and R. E. York, “Analytical and Experimental Evaluation of the Heat Transfer Distribution over the Surfaces of Turbine Vanes,” NASA CR-168015, May 1983.