渦輪盤作為主要的承力部件，靜子輪盤與轉子葉盤之間存在腔室（Cavity）。為避免高溫高壓燃氣通過輪緣之間的間隙入侵到腔室內部，必須采用冷空氣對渦輪盤間隙冷卻和密封。過多的冷氣會降低發動機性能，過少的冷卻則會造成過熱。 

研究表明：入侵的燃氣濃度增加1%會降低動盤50%壽命。而封嚴冷氣減少50%，發動機效率提高0.5%，油耗降低0.5%。采用一維仿真計算可以獲得最佳的冷卻效果。

航空發動機結構示意圖

原理圖

• 3個冷氣入口，一個出口，輸入總溫、總壓邊界

邊界條件

• 如果入口是旋轉的，還需要輸入Swirl數（氣流切向速度和輪盤線速度的比值）

Cavity示意圖

導入CAD模型，抓取幾何上的特征點，將盤腔沿徑向切割為8個區域(Cavity)。利用角動量守恒原理計算氣流在每個Cavity中的速度、溫度、壓力和Swirl的變化。

注意：Cavity只能通過Vortex Chamber或Inertial Chamber創建。而 Vortex Chamber是沒有上下游的單元（element）相連的，只用于存儲當地Cavity的流動信息。

理論上徑向切割的Cavity份數越多，梯度計算精度越高。如果氣流通道是軸向的，也可以切割Cavity以考慮輪盤旋轉對氣流的摩擦作用。

創建Cavity

Vortex單元用于計算旋轉流動，有三種類型： 

• Free Vortex自由渦，沒有外力作用在流體 

• Forced Vortex強制渦，流體和輪盤的旋轉速度一樣

• Cavity vortex,也屬于強制渦，只不過壓力、溫度的計算來自各個Cavity

Vortex的類型定義

定義了4個Vortex單元，將氣流入口和出口建立連接

• 通過連接對流、導熱單元和內部Inertial Chamber模擬輪盤內部和外部的熱交換 。

• 對流換熱系數HTC采用子程序的方法，在迭代過程中確定，提高了換熱計算的精度。

• 子程序可以采用Python或Fortran語言, 支持定義輸入參數，如雷諾數，半徑、粗糙度等等。

• 軟件內嵌多個子程序模板，比如旋轉腔HTC的計算采用subtype=ROTATING_CAVITY_NU，用戶只需寫表達式即可，無須編譯。

  
  

Python腳本定義旋轉腔壁面對流換熱系數

• 篦齒封嚴利用流道的突擴和突縮，消耗流體的動能增加流阻以限制或阻止流體泄漏。在航空發動機等旋轉機械中得到了廣泛的應用。

• 篦齒封嚴單元除了設置尺寸信息，如齒數、間距、高度等，也需要入口和出口的半徑以及轉速。

• Seal type設定密封座的樣式 。

• Swirl carry over考慮了氣流在封嚴內的旋轉 。

• 封嚴的上下游必須連接inertial chamber, 保證氣流旋轉參數的傳遞。

  
  

• 輪緣封嚴是防止主流高溫燃氣進入輪盤腔室，內部的氣壓略高于外部，從而達到氣密作用。 

• 輪緣的轉速較高，需要考慮Pumping的效應，參照盤腔建模的方法，沿徑向切割Cavity，用Vortex單元和孔單元搭建封嚴流道。

  
  

輪緣封嚴（Rim Seal）示意圖

輪緣封嚴的一維建模

• FI CdComp孔單元，專門用于旋轉輪盤，用戶無須輸入阻力系數（通常這類孔的阻力系數也難以確定 ），僅需要輸入孔的尺寸和倒角（圓）。 

• Part Surface Angle定義了打孔的方向（斜孔、直孔） Element Orientation定義了空氣進入小孔前的流向 Element Multiplicity定義孔的數量（周期性） Rotational Effects定義轉速和小孔的旋轉半徑 。

• Corner Type定義孔的邊緣過渡形式 。

• Swirl Carry Over定義了上游氣流旋轉傳遞到下游的百分比，通常L/D>1的長孔Swirl Carry Over接近0，表示下游氣流旋轉基本由輪盤轉速確定。

Corner Type會影響流量系數Cd的計算

FI CdComp孔單元角度的定義

• 孔板的阻力特性，經過大量的實驗驗證，確保冷卻流量解析的精度。

不同長徑比（L/D）的孔板實驗

• 計算完成顯示每個單元上的氣流，速度、壓力、流量、Swirl。

• 物理量也可以用云圖方式顯示

通常透平第一級靜葉采用氣膜冷卻、對流冷卻和沖擊冷卻。冷空氣沿著上下端壁進入到沖擊筒套中，再通過表面的小孔排出，形成冷卻氣膜，覆蓋在葉片表面。冷空氣到達葉片尾緣經過擾亂柱再進行對流冷卻。

透平葉片實物圖

透平葉片冷卻原理圖

• 冷卻空氣從空心葉片底部流入，沖擊葉片前緣，從氣膜孔和頂部小孔流出。

• 導入葉片的切面圖，最好是等比例的，方便定位。

• 建立平面網絡：沿著葉片高度設置5個斷面，每個斷面出口設置溫度、壓力出口邊界。

• 設置內部通道的尺寸和旋轉半徑，壁面粗糙度等信息。

• 可以先建立一層的單元，再批量復制，提高建模效率。

• 設置氣膜孔尺寸和旋轉半徑，以及流量系數

• 計算完成后，顯示各個孔的空氣流量和各個chamber的壓力、溫度。

• 有回流的單元用黃色圓圈自動標注。 

• 可以采用PID Controller控制器或優化工具對每個小孔的流量進行調節。

如果導入的是3D模型，也可以在每層的平面展開，考慮氣流在各個旋轉半徑上的流動。徑向逐層連接，形成立體的網絡。可以更加精確的分析葉片各個部位的冷卻效果。

• 云圖顯示物理量

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