陳朔，羅磊，王松濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

燃?xì)鉁u輪無氣膜動(dòng)葉設(shè)計(jì)流程及分析

陳朔，羅磊，王松濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了進(jìn)行渦輪動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用一套設(shè)計(jì)流程，完成了某型渦輪第一列動(dòng)葉無氣膜方案設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：管網(wǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)中，得出調(diào)整后冷卻結(jié)構(gòu)的第一腔流量為16.85 g/s，第二腔流量為40.78 g/s，前緣最大溫度為1 169 K，低于材料許用溫度，滿足設(shè)計(jì)要求。三維導(dǎo)熱中的最大溫度相比管網(wǎng)計(jì)算得出的溫度有所上升，通過分析，管網(wǎng)計(jì)算未能考慮極值溫度，因此三維導(dǎo)熱計(jì)算是有必要的。從給出的三個(gè)截面溫度場可以看出，前緣位置存在一定高溫區(qū)，但最大溫度低于設(shè)計(jì)溫度，溫度場符合設(shè)計(jì)要求。

渦輪；動(dòng)葉；冷卻；管網(wǎng)計(jì)算；溫度場

為了提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，渦輪前進(jìn)口溫度不斷地被提高，一方面對(duì)渦輪葉片的材料提出了更新的要求[1]，另一方面對(duì)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)正處在高速發(fā)展時(shí)期[2]，現(xiàn)有推重比10的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到了1 800～2 000 K，而推重比15～20的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到2 100～2 300 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的熔點(diǎn)溫度[3]。而美國國防部的“綜合高性能透平發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)[4]把下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度定為2 400 K，這給渦輪的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了更高的要求，因此，合理快速的完成冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。

國內(nèi)外很多科研人員對(duì)渦輪冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究。周洪儒等[5]對(duì)某燃?xì)鉁u輪高壓動(dòng)葉的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用分塊的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格構(gòu)造了渦輪內(nèi)部復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)渦輪動(dòng)葉柵流場進(jìn)行了數(shù)值模擬；呼艷麗[6]針對(duì)推重比15～20的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪高效冷卻葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)了高效鑄冷動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)方案，探究了氣膜冷卻效率的分布規(guī)律等問題；郭文等[7]對(duì)某高壓渦輪動(dòng)葉的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并利用有限元方法對(duì)比改進(jìn)前后的葉片溫度分布，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)達(dá)到了增加發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，減少冷卻空氣泄漏量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究內(nèi)容[8]，包括三次多項(xiàng)式、五次多項(xiàng)式、B樣條等多種方法[9]。管網(wǎng)計(jì)算是一種基于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法，具有速度快、資源消耗少、工作量小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于渦輪、燃?xì)鈁10]以及建筑[11]等多個(gè)領(lǐng)域。綜合參數(shù)化設(shè)計(jì)、管網(wǎng)計(jì)算方法與氣熱耦合數(shù)值模擬技術(shù)，可以完成渦輪動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)的全套設(shè)計(jì)。渦輪冷卻參數(shù)化設(shè)計(jì)方法即“單元設(shè)計(jì)法”可以快速地完成冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程以管網(wǎng)計(jì)算為指導(dǎo)，氣熱耦合數(shù)值模擬作為最終方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

本文以某型渦輪第一級(jí)動(dòng)葉為研究對(duì)象，不考慮OTDF的情況下，對(duì)該無氣膜動(dòng)葉進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)。采用合理的物理模型及數(shù)值模擬方法，進(jìn)行了動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用自主開發(fā)的管網(wǎng)計(jì)算程序[12-13]、1+3維溫度場設(shè)計(jì)程序[14]進(jìn)行管網(wǎng)計(jì)算以及三維導(dǎo)熱計(jì)算[15]，得到葉片表面溫度場分布結(jié)果，并進(jìn)行了相關(guān)評(píng)估與分析，最終完成了無氣膜動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)。

1 物理模型及數(shù)值模擬方法

在燃?xì)鉁u輪設(shè)計(jì)中，由于燃燒室出口存在周向以及徑向溫度不均勻的現(xiàn)象，通常采用總的溫度分布系數(shù)(OTDF)和徑向溫度分布系數(shù)(RTDF)來評(píng)價(jià)燃燒室出口燃?xì)鉁囟葓龅暮脡?。一般工程設(shè)計(jì)中，會(huì)將渦輪進(jìn)口溫度提高150～200 K，在地面燃機(jī)設(shè)計(jì)中，分析考慮OTDF以及不考慮OTDF設(shè)計(jì)是必要的，本文進(jìn)行不考慮OTDF的情況設(shè)計(jì)。

1.1 物理模型及邊界條件

計(jì)算模型為燃?xì)鉁u輪第一級(jí)動(dòng)葉，給出了兩種計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 兩種換熱系數(shù)求取結(jié)構(gòu)

給定的一維邊界條件如表1所示。

表1渦輪第一級(jí)動(dòng)葉一維邊界條件

參數(shù)/單位值進(jìn)口總溫/K1520．52進(jìn)口總壓/Pa2．49e+006出口靜壓/Pa926764主流流量/kg94冷氣流量/kg5．3冷氣總壓/MPa2．7358冷氣總溫/K789

對(duì)于動(dòng)葉來說，單個(gè)葉片冷氣量為

進(jìn)口冷氣采自壓氣機(jī)次末級(jí)，考慮沿程的流動(dòng)損失(2%～5%)，給定冷氣進(jìn)口絕對(duì)總壓為

pcool=pcam·(1-ξloss)=2.735 8×0.95=2.599 MPa

1.2 數(shù)值模擬方法

本文數(shù)值模擬方法采用了自編管網(wǎng)計(jì)算程序，管網(wǎng)計(jì)算是一種傳統(tǒng)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)的分析方法，其計(jì)算速度快并且可獲得流量、溫度及壓力等物理量。

管網(wǎng)計(jì)算需要獲取氣動(dòng)計(jì)算外邊界條件，包括：壓力、溫度、換熱系數(shù)。由于在CFX中，換熱系數(shù)求取較為不準(zhǔn)確，因此，在計(jì)算溫差時(shí)采用了臨近壁面的第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的溫度作為流體溫度與壁面溫度做差來求取換熱系數(shù)，而這一溫差往往小于實(shí)際溫差。一般做流體換熱計(jì)算時(shí)，給定葉片表面溫度，通過計(jì)算一次全三維氣動(dòng)計(jì)算，得出熱流密度以及壁面溫度，通過

獲取換熱系數(shù)，由于需要人工給定壁面溫度，溫度給定的不確定性將會(huì)給換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性帶來困難。這里，給出一種新的求取方式，即計(jì)算中，采用簡化方法考慮內(nèi)流，進(jìn)行一次簡單氣熱耦合計(jì)算，獲取較為準(zhǔn)確的換熱系數(shù)。圖2給出了上述換熱系數(shù)求取公式所獲得的換熱系數(shù)分布。

圖2 兩種不同結(jié)構(gòu)換熱系數(shù)對(duì)比

從圖2可知，采用帶內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)求取較為穩(wěn)定，換熱系數(shù)分布較為合理，因此，在后續(xù)的換熱系數(shù)求取上采用這種方法進(jìn)行求解。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行葉片換熱計(jì)算存在較大誤差，高雷諾數(shù)k-ε湍流模型和低雷諾數(shù)k-ω湍流模型不能準(zhǔn)確模擬邊界層的轉(zhuǎn)捩流動(dòng)。研究表明，采用k-ωSST模型、并采用γ-Reθ轉(zhuǎn)捩模型會(huì)得到較準(zhǔn)確的葉片表面換熱計(jì)算結(jié)果。由于k-ωSST模型的計(jì)算資源消耗大、穩(wěn)定性較差，因此在外換熱計(jì)算中，根據(jù)氣動(dòng)計(jì)算得到的各列葉柵進(jìn)出口參數(shù)分布進(jìn)行單列葉柵的外換熱計(jì)算。

2 設(shè)計(jì)流程

從流程圖3中可以看出，完成將管網(wǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)榉桨冈O(shè)計(jì)計(jì)算最重要的步驟是冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，有了該設(shè)計(jì)方法，可以快速的自動(dòng)生成必要的冷卻結(jié)構(gòu)形式，完成整個(gè)設(shè)計(jì)。本文僅進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，因此未包含內(nèi)流計(jì)算及全三維氣熱耦合計(jì)算。

圖3 傳熱設(shè)計(jì)流程

3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 設(shè)計(jì)前溫度分布

從圖4中可以看出，高溫區(qū)聚集在前緣位置，若要設(shè)計(jì)出較高冷卻效率的冷卻結(jié)構(gòu)，前緣部分是冷卻設(shè)計(jì)中最需要考慮的。為了減弱前緣位置的高溫區(qū)，設(shè)定為雙進(jìn)口冷卻結(jié)構(gòu)，第一股冷氣由根部冷氣進(jìn)口進(jìn)入，沖刷前緣后，由頂部橫向通道排入主流當(dāng)中，在頂部位置開設(shè)有除塵孔；第二股冷氣由根部冷氣進(jìn)口進(jìn)入，依次經(jīng)過第二三四腔后由尾部橫向通道排入主流當(dāng)中。通過該冷卻結(jié)構(gòu)能夠較好沖刷前緣，實(shí)現(xiàn)了前緣的較好冷卻。

上述冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)周期短，因此采用一套合理的參數(shù)化方法對(duì)于進(jìn)行冷卻結(jié)構(gòu)管網(wǎng)設(shè)計(jì)是有必要的。圖5給出了冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖。

圖5 內(nèi)冷結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 冷卻結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c內(nèi)冷結(jié)構(gòu)

4 管網(wǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)

管網(wǎng)計(jì)算方法屬于一種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，但其具有速度快、資源消耗少、工作量小等優(yōu)點(diǎn)。“單元設(shè)計(jì)法”為管網(wǎng)計(jì)算模型的自動(dòng)生成提供了條件。通過在CFD計(jì)算結(jié)果的輸出文件上插值可以得到流管的外部參數(shù)。

管網(wǎng)計(jì)算模型的求解過程分為壓力平衡計(jì)算以及溫度平衡計(jì)算，兩種計(jì)算交替進(jìn)行，直至收斂。如果葉片采用了氣膜冷卻，管網(wǎng)計(jì)算還需要在每次迭代的溫度平衡計(jì)算完成后進(jìn)行氣膜修正計(jì)算。圖6給出了冷卻結(jié)構(gòu)的拓?fù)渑c實(shí)體。

下面對(duì)比通過管網(wǎng)計(jì)算所得的兩套方案。

4.1 原始方案

表2給出了原始方案一維數(shù)據(jù)。從表中可以看出，第一腔流量較小，第二腔流量過多，最大溫度為1 304.2 K，溫度較高，無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖7給出了各個(gè)參數(shù)云圖分布。

表2原始方案一維數(shù)據(jù)表

參數(shù)/單位值第一腔流量/g·s-113．9第二腔流量/g·s-144．9最大溫度/K1304．2平均溫度/K1124．3最低溫度/K880．6228

圖7 原始方案中管網(wǎng)計(jì)算參數(shù)分布

圖8 改進(jìn)方案中管網(wǎng)計(jì)算參數(shù)分布

從圖中參數(shù)可以看出，冷氣量分配不合理是設(shè)計(jì)中存在較高溫度的主要原因，因此進(jìn)行改進(jìn)方案時(shí)，進(jìn)行了多次調(diào)整后，得出以下改進(jìn)方案。

4.2 改進(jìn)方案

通過對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，最大溫度有所下降，流量保持不變。表3給出調(diào)整后冷卻結(jié)構(gòu)一維數(shù)據(jù)。

表3調(diào)整冷卻結(jié)構(gòu)后一維數(shù)據(jù)表

參數(shù)/單位值第一腔流量/g·s-116．85第二腔流量/g·s-140．78最大溫度/K1169．7平均溫度/K1060．59最低溫度/K898．0615

從圖8給出的各參數(shù)的云圖分布中可以看出，通過調(diào)整后，最大溫度得到下降，前緣最大溫度為1 169 K，低于設(shè)計(jì)要求溫度1 193 K，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 三維導(dǎo)熱計(jì)算

管網(wǎng)計(jì)算能得到葉片內(nèi)部冷氣通道表面的冷氣溫度與換熱系數(shù)分布，而在有氣膜冷卻時(shí)，氣膜修正計(jì)算程序能夠得到考慮冷氣摻混后的燃?xì)鉁囟扰c換熱系數(shù)分布。由于采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，葉片冷氣通道計(jì)算網(wǎng)格能夠快速生成。以葉片內(nèi)外第三類邊界(溫度與換熱系數(shù))換熱數(shù)據(jù)和光滑通道計(jì)算網(wǎng)格為基礎(chǔ)，即可進(jìn)行氣冷葉片的三維溫度場計(jì)算,得到葉片的三維溫度分布。

圖9給出了進(jìn)行三維導(dǎo)熱計(jì)算所用的網(wǎng)格圖。

圖9 三維導(dǎo)熱計(jì)算網(wǎng)格圖

計(jì)算采用cfx固體溫度計(jì)算的Thermal Energy換熱模型，內(nèi)外壁面給定第三類邊界條件，即溫度與換熱系數(shù)。

圖10給出了三維導(dǎo)熱計(jì)算得出的溫度場分布。

圖10 三維導(dǎo)熱計(jì)算溫度分布

從上圖可以看出，最大溫度與管網(wǎng)計(jì)算得出的溫度有所上升，這主要是因?yàn)椋诠芫W(wǎng)計(jì)算中，將每一個(gè)區(qū)域溫度進(jìn)行平均，無法考慮極值溫度，因此，三維導(dǎo)熱計(jì)算是需要的。同時(shí)從給出的三個(gè)截面溫度場可以看出，溫度場符合設(shè)計(jì)要求，前緣位置存在一定高溫區(qū)，但是最大溫度低于設(shè)計(jì)要求，溫度較為均勻。

6 結(jié)論

通過對(duì)燃?xì)鉁u輪第一級(jí)動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，對(duì)該設(shè)計(jì)得到的動(dòng)葉溫度場及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)為了減弱前緣位置高溫區(qū)，設(shè)定為雙進(jìn)口冷卻結(jié)構(gòu)。通過該冷卻結(jié)構(gòu)能夠較好沖刷前緣，實(shí)現(xiàn)了前緣較好冷卻。

(2)管網(wǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)得到冷卻結(jié)構(gòu)的第一腔流量為16.85 g/s，第二腔流量為40.78 g/s。通過調(diào)整后，前緣最大溫度為1 169 K，低于設(shè)計(jì)要求溫度1 193 K，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)三維導(dǎo)熱計(jì)算表明：最大溫度與管網(wǎng)計(jì)算得出的溫度有所上升，這主要是因?yàn)?，在管網(wǎng)計(jì)算中，將每一個(gè)區(qū)域溫度進(jìn)行平均，這樣不能考慮極值溫度，因此，三維導(dǎo)熱計(jì)算是需要的。同時(shí)從給出的三個(gè)截面溫度場可以看出，溫度場符合設(shè)計(jì)要求，前緣位置存在一定高溫區(qū)，但是最大溫度低于設(shè)計(jì)要求，溫度較為均勻。

(4)采用單元設(shè)計(jì)法、管網(wǎng)計(jì)算及三維溫度場計(jì)算可以快速得到包括流量、壁面溫度、換熱系數(shù)等主要設(shè)計(jì)參數(shù)，具有計(jì)算資源消耗少、速度快、人工工作量小等優(yōu)點(diǎn)。便于初步設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)的盲目性。

[1]董威，黃維娜．某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻葉片的流動(dòng)換熱耦合計(jì)算研究[J]．燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2006，5(2)：14-15．

[2]江和甫，胡正義，鄧化愚．中國在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和冷卻技術(shù)方面的部分進(jìn)展[J]．燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2000，13(1)：1-4．

[3]蘇云亮.雙層殼型渦輪導(dǎo)向葉片冷卻設(shè)計(jì)與研究[D].成都:電子科技大學(xué).2009.

[4]S. C. Kacker，U. Okapuu. A Mean Line Prediction Method for Axial Flow Turbine Efficiency[J].ASME 81-GT-58.

[5]周洪儒，顧忠華，韓萬金,等.某項(xiàng)高壓動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2010，52(6)：406-408.

[6]呼艷麗.高效渦輪鑄冷工作葉片冷卻技術(shù)[D].成都:電子科技大學(xué).2010.

[7]郭文，吉洪湖，蔡毅.高壓渦輪動(dòng)葉內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(4)：408-412.

[8]戴春來.參數(shù)化設(shè)計(jì)理論的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué).2002.

[9]虞跨海，李立州，岳珠峰.基于解析及特征造型的渦輪冷卻葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].推進(jìn)技術(shù)，2007，28(6)：637-656.

[10]劉燕.燃?xì)夤芫W(wǎng)計(jì)算理論分析與應(yīng)用的研究[D].天津:天津大學(xué).2004.

[11]王彤，吳志榮，劉霖陽.建筑熱水循環(huán)管網(wǎng)計(jì)算方法的探討[J].中國給水排水，2014，20(5):65-67.

[12]王松濤，遲重然，溫風(fēng)波，等.渦輪動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法I:參數(shù)化方法[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32(4):581-584.

[13]遲重然，溫風(fēng)波，王松濤，等.渦輪動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法II:管網(wǎng)計(jì)算[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32(6):933-936.

[14]遲重然.氣冷渦輪葉片的傳熱設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué).2010.

[15]Jen H F，Sobanik J B．Cooling Air Flow Characteristics in Gas Turbine Components[R]．American Society of Mechanical Engineers Paper，No．81-GT-76，1980．

TheProcessandAnalysisofCoolingStructureDesignforGasTurbineRotorBladeswithnoFilmCooling

CHENShuo,LUOLei,WANGSong-tao

(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

In order to design a cooling structure for gas turbine rotor blades, a set of design procedure has been used to complete the scheme of the rotor blades with no film cooling for the first stage rotor. The results show that through pipe-net calculations, the actual cool air flow rate of the cooling structure obtained after adjustment is 16.85 g/s in the first chamber and is 40.78 g/s in the second chamber, while the maximum temperature of the leading edge is 1169 K, which is lower than allowable temperature, meeting the design requirements. The maximum temperature of the three-dimensional heat conduction is higher, comparing to the calculated temperature of the pipe-net calculations. The reason is that the pipe-net calculations failed to consider the extreme temperature, and therefore, the three-dimensional calculations for heat transfer are necessary. Meanwhile, it can be seen from three cross-sections of the temperature field that though high temperature zones exist at the leading edge, the maximum temperature is lower than the designed temperature, meeting the design requirements.

turbine;rotor;cooling;pipe-net calculations;temperature field

2014-04-14修訂稿日期2014-05-29

國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體(51121004)

陳朔(1990～)，女，碩士研究生，現(xiàn)從事渦輪層板冷卻方面的研究。

V235.1

A

1002-6339 (2014) 06-0506-06