透平動(dòng)葉葉頂氣膜冷卻設(shè)計(jì)方案研究

李月茹，何 磊，趙連會(huì)

(上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，上海200240)

為了提升燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和輸出功率，透平進(jìn)口溫度不斷增加。隨著來(lái)流溫度的提高，透平葉片承受的熱負(fù)荷越來(lái)越大。由于葉柵內(nèi)的流動(dòng)換熱規(guī)律和葉片本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，動(dòng)葉葉頂往往是葉片上溫度最高的區(qū)域。由于存在葉頂間隙和復(fù)雜的二次流，葉頂區(qū)域的流動(dòng)和傳熱設(shè)計(jì)存在一定難度。如果動(dòng)葉葉頂冷卻設(shè)計(jì)不佳，就可能造成葉頂區(qū)域的涂層過(guò)早剝落，嚴(yán)重時(shí)可能造成金屬基材燒蝕，增加檢修服務(wù)的成本。因此隨著透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵岣?，?duì)動(dòng)葉葉頂展開(kāi)冷卻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究尤為重要。

透平葉片葉頂區(qū)域的流動(dòng)換熱相當(dāng)復(fù)雜，近年來(lái)研究人員已獲得一些研究成果。Ameri等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合的方式研究了第1級(jí)透平葉片葉頂傳熱系數(shù)的分布規(guī)律。O’Dowd等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究跨聲速下直列葉柵中透平葉頂?shù)谋砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)和絕熱壁溫。劉亮亮等[3]在低速渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)上采用萘升華技術(shù)對(duì)平葉頂和凹槽葉頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)采用凹槽結(jié)構(gòu)將影響葉頂泄漏流動(dòng)，從而改變?nèi)~頂局部區(qū)域的換熱分布。Li等[4]研究了葉頂凹槽內(nèi)泄漏流的發(fā)展規(guī)律。張魏等[5]提出在凹槽葉頂離散排布小隔板迷宮，可顯著擴(kuò)大葉頂冷卻范圍，提高其冷卻效率和均勻性。Mhetras等[6]的研究表明，尾緣劈縫能明顯提高尾緣附近的冷卻效率，凹槽底、凹槽的內(nèi)壁面和邊緣上的冷卻效率隨著凹槽深度的增加而增加。王維杰等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究尾切凹槽狀渦輪葉片葉頂?shù)谋砻鎿Q熱，通過(guò)瞬態(tài)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到無(wú)冷卻和帶冷卻孔2種情況下的葉頂傳熱系數(shù)。O’Dowd 等[8]提出一種動(dòng)葉葉頂重構(gòu)并設(shè)置氣膜孔的結(jié)構(gòu)，使用紅外測(cè)試技術(shù)測(cè)量葉頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)及氣膜冷卻效率。Kwak等[9]通過(guò)瞬態(tài)液晶技術(shù)研究了帶氣膜冷卻的動(dòng)葉葉頂，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)和氣膜冷卻效率隨著葉頂間隙的增加而增加。隨著吹風(fēng)比的增加，傳熱系數(shù)降低，氣膜冷卻效率提高。Yang等[10]在平葉頂和凹槽葉頂上分別進(jìn)行了氣膜孔的排布設(shè)計(jì)研究。

本文針對(duì)透平動(dòng)葉葉頂結(jié)構(gòu)，基于葉頂區(qū)域的流動(dòng)換熱特點(diǎn)，提出3種葉頂氣膜冷卻設(shè)計(jì)方案，展開(kāi)流熱耦合分析計(jì)算，獲得各個(gè)氣膜設(shè)計(jì)方案下動(dòng)葉葉頂區(qū)域的冷卻換熱特性。通過(guò)對(duì)比各葉頂氣膜冷卻方案帶來(lái)的冷卻效果，獲得最佳的葉頂氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，研究成果可為后續(xù)的葉頂?shù)睦鋮s設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值分析

1.1 幾何模型

無(wú)葉頂氣膜孔的原型葉片及葉頂結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 原型葉片及葉頂結(jié)構(gòu)

本文提出3種葉頂氣膜冷卻設(shè)計(jì)方案，期望通過(guò)葉頂區(qū)域的冷氣射流，達(dá)到有效降低葉頂溫度的效果，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a)方案1

方案1在葉頂凹槽平面的前部設(shè)置直徑較大的冷氣孔，在中弦直至尾緣靠近吸力面內(nèi)側(cè)的位置開(kāi)設(shè)氣膜孔排，在葉頂壓力面外側(cè)的中弦至尾緣區(qū)設(shè)置氣膜孔排。

方案2在葉頂壓力面外側(cè)全弧長(zhǎng)范圍設(shè)置氣膜孔排，考慮冷氣疊加效應(yīng)，從前至后孔間距逐漸增大?？紤]分離影響，在葉頂吸力側(cè)前緣至喉口的區(qū)域加開(kāi)氣膜孔排，在葉頂凹槽平臺(tái)內(nèi)沿中弧線(xiàn)設(shè)置帶傾斜角度的冷氣出流孔。

方案3在葉頂壓力面全弧長(zhǎng)范圍及吸力面前緣至喉口區(qū)域布置氣膜孔排，在葉頂凹槽平面的前部設(shè)置直徑較大的冷氣孔，在中弦直至尾緣靠近吸力面內(nèi)側(cè)的區(qū)域設(shè)置氣膜孔排。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

本文采用流熱耦合方法進(jìn)行計(jì)算，注重?zé)崃拷粨Q的動(dòng)態(tài)過(guò)程。本文通過(guò)流體固體交界面上的熱流密度和溫度的耦合展開(kāi)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果能準(zhǔn)確反映流體域和固體域之間的相互影響。依托交界面、網(wǎng)格面與單元換熱面間的插值，傳遞溫度及熱流信息。根據(jù)工程計(jì)算精度要求，選擇SSTk-ω湍流模型，開(kāi)啟自動(dòng)壁面條件，保證壁面與近壁自由流剪切層之間的求解精度。葉片轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min。主流和冷卻氣體設(shè)為具有恒定比熱的理想氣體?；谌?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行設(shè)計(jì)工況下的參數(shù)，在CFX軟件中給定主流進(jìn)口總溫、總壓、氣流角、出口靜壓及冷氣進(jìn)口總溫、總壓，通過(guò)求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量方程以及雷諾輸運(yùn)方程，計(jì)算各冷卻設(shè)計(jì)方案中的溫度場(chǎng)，獲得葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)換熱特性。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文的研究對(duì)象包含葉頂凹槽、氣膜孔等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小尺寸幾何模型。考慮網(wǎng)格精度及工作量，在ICEM15.0中完成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分工作，計(jì)算域包括冷氣域、燃?xì)庥蚝凸腆w域。通過(guò)局部加密網(wǎng)格以及設(shè)置近壁區(qū)域的邊界層網(wǎng)格，完成網(wǎng)格劃分工作。計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。對(duì)生成的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，網(wǎng)格正交性滿(mǎn)足計(jì)算要求。生成網(wǎng)格總單元數(shù)6 300萬(wàn)，壁面第1層網(wǎng)格的y+值控制在1以?xún)?nèi)。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)葉頂氣膜冷卻葉片的換熱特性

對(duì)葉頂進(jìn)行氣膜冷卻優(yōu)化設(shè)計(jì)前，為獲得葉頂區(qū)域的流動(dòng)換熱特性，首先對(duì)原型葉片展開(kāi)數(shù)值計(jì)算，作為冷卻優(yōu)化的基準(zhǔn)。無(wú)氣膜冷卻的葉頂表面相對(duì)溫度如圖4所示。由于該結(jié)構(gòu)無(wú)局部冷卻，因此葉頂附近的溫度水平明顯高于葉身其他區(qū)域的溫度水平。其中，由于葉片吸力面燃?xì)饬魉俑?，換熱強(qiáng)烈，葉頂吸力面中弦區(qū)熱載荷大，溫度更高。此外，由于冷氣由葉根進(jìn)入內(nèi)冷通道后與壁面存在熱交換，且沿程存在氣膜出流，使流至尾緣的冷氣量降低，溫度升高，導(dǎo)致葉頂尾緣也是相對(duì)高溫的位置。

注：T為壁面溫度；Tg為燃?xì)鉁囟?；Tc為冷氣溫度

圖5為葉頂區(qū)域(葉頂凹槽平面、葉頂壓力面、葉頂吸力面)的相對(duì)傳熱系數(shù)分布?？梢钥闯觯谌~頂凹槽內(nèi)，高傳熱系數(shù)區(qū)域位于凹槽前緣、吸力面內(nèi)表面30%弧長(zhǎng)位置，以及凹槽內(nèi)近吸力面40%弧長(zhǎng)至尾緣區(qū)域。在葉頂壓力面外側(cè)，傳熱系數(shù)較高，從前緣至尾緣呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在葉頂尾緣劈縫處的傳熱系數(shù)達(dá)到最大。在葉頂吸力面外側(cè)，傳熱系數(shù)整體水平較低，僅在前緣附近傳熱系數(shù)較高。高傳熱系數(shù)往往對(duì)應(yīng)局部的高溫，所以強(qiáng)換熱區(qū)域是進(jìn)行氣膜冷卻設(shè)計(jì)的理想位置。圖6為葉頂凹槽內(nèi)三維流線(xiàn)圖。氣流在凹槽內(nèi)部卷吸、發(fā)展并與主流摻混，由葉頂越過(guò)，形成泄漏流。該流動(dòng)特性印證了圖5傳熱系數(shù)的規(guī)律，劇烈的摻混、卷吸作用使局部區(qū)域產(chǎn)生高溫和強(qiáng)換熱的現(xiàn)象。

圖5 原型的葉頂傳熱系數(shù)分布

圖6 三維流線(xiàn)

2.2 方案1的葉頂冷卻換熱特性

基于圖4、圖5所示的葉頂相對(duì)溫度和傳熱系數(shù)分布特點(diǎn)，針對(duì)高熱載荷區(qū)，提出葉頂氣膜冷卻設(shè)計(jì)方案1，結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖7為方案1的葉頂溫度分布云圖。對(duì)比原型，方案1在葉頂中弦區(qū)的冷卻效果突出，除前緣及尾緣外，葉頂大部分區(qū)域溫度降低明顯。圖8為葉頂傳熱系數(shù)分布云圖。可見(jiàn)，隨著冷氣由凹槽前緣3個(gè)冷氣孔流出，葉頂凹槽內(nèi)中弦區(qū)被低溫氣體大面積覆蓋，高換熱區(qū)的面積減少，主要集中在葉頂前緣與尾緣位置。但是，葉頂凹槽前緣孔的冷氣出流誘發(fā)葉頂泄漏流提前越過(guò)，導(dǎo)致葉頂吸力面前緣換熱反而提高，使該設(shè)計(jì)方案下的葉頂溫度梯度較大。

圖7 方案1的葉頂溫度分布

圖8 方案1的葉頂傳熱系數(shù)分布

表1為原型及方案1的冷氣消耗量，發(fā)現(xiàn)方案1帶來(lái)葉頂冷卻效果顯著提高的同時(shí)，冷氣量有所上升。為降低冷氣增量，進(jìn)一步改善葉頂溫度分布的均勻性，提出葉頂氣膜冷卻方案2。

表1 原型及方案1冷氣消耗量

2.3 方案2的葉頂冷卻換熱特性

基于無(wú)葉頂冷卻結(jié)構(gòu)及方案1的葉頂流動(dòng)換熱特點(diǎn)，方案2首先在葉頂吸力面前緣附近增加氣膜孔?？紤]葉頂凹槽內(nèi)冷氣分布的均勻性，在凹槽內(nèi)沿中弧線(xiàn)從前向后設(shè)置4個(gè)冷氣孔，并在葉頂壓力面外側(cè)全弧長(zhǎng)設(shè)置氣膜孔。圖9為方案2結(jié)構(gòu)中的葉頂三維相對(duì)溫度分布，該氣膜設(shè)計(jì)下的葉頂前緣及壓力面表面溫度降低，溫度分布更加均勻。但方案2對(duì)葉頂吸力面中弦及尾緣這2個(gè)區(qū)域的冷卻保護(hù)作用相對(duì)較小，壁面溫度水平較高。圖10為方案2設(shè)計(jì)下的葉頂相對(duì)傳熱系數(shù)分布。對(duì)比原型及方案1，可見(jiàn)方案2葉頂凹槽內(nèi)的傳熱系數(shù)分布更均勻。凹槽內(nèi)冷氣孔的排布設(shè)計(jì)改善了葉頂出流狀態(tài)，使方案1中泄漏流提前越過(guò)的現(xiàn)象消失了，降低了葉頂吸力面前緣附近的高溫。

圖9 方案2的葉頂溫度分布

圖10 方案2的葉頂傳熱系數(shù)分布

表2為原型與方案2設(shè)計(jì)中的冷氣消耗量，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)比方案1，方案2的冷氣增量百分比降低一半。

表2 原型及方案2冷氣消耗量

2.4 方案3的葉頂冷卻換熱特性

綜合上述2種設(shè)計(jì)思路，對(duì)葉頂氣膜冷卻方案進(jìn)一步優(yōu)化，提出葉頂氣膜冷卻方案3。圖11為方案3的葉頂氣膜設(shè)計(jì)下的相對(duì)葉頂溫度分布，可見(jiàn)在葉頂前緣、壓力面、吸力面設(shè)置的氣膜孔所產(chǎn)生的熱沉效應(yīng)及氣膜覆蓋效果很好地保護(hù)了葉頂前緣，降低了該區(qū)域的換熱強(qiáng)度。由葉頂凹槽前部的冷氣孔噴出的低溫射流直接沖擊葉頂吸力面內(nèi)側(cè)高熱載荷區(qū)，改善了局部高溫。而在凹槽內(nèi)的中弦區(qū)域，由于存在氣膜孔排設(shè)計(jì)，加之前部的冷卻氣流流經(jīng)此處，形成冷氣覆蓋，因此葉頂中后部受到了較好的冷卻保護(hù)作用。圖12為方案3設(shè)計(jì)中的葉頂區(qū)域相對(duì)傳熱系數(shù)，可見(jiàn)方案3中的葉頂傳熱系數(shù)分布均勻，葉頂承受的熱載荷降低。表3為方案3設(shè)計(jì)所帶來(lái)的冷氣消耗量，可以發(fā)現(xiàn)，方案3與方案2的冷氣消耗量相同，均比方案1的冷氣增量百分比降低一半。

圖11 方案3的葉頂溫度分布

圖12 方案3的葉頂傳熱系數(shù)分布

表3 原型及方案3冷氣消耗量

2.5 葉頂氣膜冷卻方案比較

表4以原型的葉頂平均溫度作為基準(zhǔn)，將方案1、方案2、方案3的葉頂平均溫度與之比較，發(fā)現(xiàn)增加葉頂氣膜孔設(shè)計(jì)可大大降低葉頂?shù)臏囟人剑禍胤瓤沙^(guò)70 K。葉頂溫度分布比較情況如圖13所示。由圖13可發(fā)現(xiàn)，對(duì)比原模型，方案1葉頂溫度在前緣并未下降，吸力面前緣溫度略微升高，從20%弧長(zhǎng)開(kāi)始至尾緣溫度低于原型，特別是25%至90%弧長(zhǎng)，降溫幅度超過(guò)50 K。將方案2與原型對(duì)比可見(jiàn)，前緣區(qū)域的降溫幅度約100 K，中弦至90%弧長(zhǎng)區(qū)域的表面降溫幅度超過(guò)50 K，且冷氣增量百分比為方案1冷氣增量百分比的一半。方案3結(jié)合了方案1、2的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在冷氣消耗量等同于方案2的條件下，前緣、中弦直至90%弧長(zhǎng)的區(qū)域均有75 K左右的降溫程度，降溫幅度大，且溫度分布均勻。表5列出原型、方案1、方案2、方案3的冷氣消耗量，對(duì)比原型，各方案的冷氣增量百分比均不超過(guò)2%。基于葉頂冷卻效果、溫度分布均勻性、冷氣量等綜合考慮，方案3為最佳葉頂冷卻設(shè)計(jì)方案。

表4 葉頂平均溫度降低值

表5 冷氣消耗量比較

圖13 葉頂溫度分布比較

3 結(jié) 論

針對(duì)葉頂高溫問(wèn)題，本文首先通過(guò)流熱耦合方法獲得葉頂區(qū)域的流動(dòng)換熱特性，針對(duì)高熱載荷區(qū)，提出3種葉頂氣膜冷卻設(shè)計(jì)方案，并分析各氣膜冷卻方案設(shè)計(jì)下的葉頂冷卻效果以及相應(yīng)的冷氣消耗量，得到以下結(jié)論：

1)由葉頂相對(duì)溫度和傳熱系數(shù)分布可見(jiàn)，高熱載荷區(qū)集中在葉頂凹槽前緣、凹槽中弦靠近吸力面內(nèi)側(cè)以及葉頂尾緣；

2)在冷氣增量百分比不超過(guò)1%的情況下，葉頂氣膜冷卻方案3是最佳設(shè)計(jì)，葉頂平均降溫幅度可達(dá)83 K，既保證了葉頂前緣及中弦區(qū)的冷卻效果，同時(shí)其葉頂區(qū)域的溫度分布也是3種方案中最為均勻的；

3)通過(guò)葉頂氣膜冷卻設(shè)計(jì)方案的研究，發(fā)現(xiàn)僅增加葉頂氣膜孔對(duì)葉頂尾緣的冷卻效果影響較小，后續(xù)可結(jié)合內(nèi)部流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步改善葉頂?shù)母邷厍闆r，使溫度分布更加均勻。