， ，

(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輪靜葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程及分析

王晉聲，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)

為了快速設(shè)計(jì)一套渦輪靜葉的冷卻結(jié)構(gòu)，采用單元設(shè)計(jì)法、管網(wǎng)計(jì)算、三維導(dǎo)熱計(jì)算方法對(duì)某型渦輪第一級(jí)靜葉進(jìn)行內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：管網(wǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)得到第一級(jí)靜葉冷卻結(jié)構(gòu)的實(shí)際冷氣量為7.28 g/s，略小于設(shè)計(jì)最大值7.8 g/s。最大無(wú)量綱壁溫為0.98，小于設(shè)計(jì)允許的最大無(wú)量綱壁溫1；三維溫度場(chǎng)計(jì)算表明，葉片表面平均無(wú)量綱溫度0.876，冷卻效率為0.530。

渦輪；冷卻；管網(wǎng)計(jì)算；三維溫度場(chǎng)計(jì)算；效率

0 引言

目前燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高主要是通過(guò)提高燃?xì)獾臏u輪入口溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而燃?xì)獾臏囟韧h(yuǎn)超過(guò)葉片材料的許用溫度[1]。因此必須采取冷卻措施對(duì)渦輪葉片加以保護(hù)，在眾多的冷卻方式中，氣膜冷卻已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，成為一種重要的冷卻方式，因而準(zhǔn)確預(yù)估氣膜冷卻效果對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的設(shè)計(jì)有至關(guān)重要的作用。

隨著CFD商業(yè)軟件的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員借助全三維氣熱耦合計(jì)算對(duì)渦輪傳熱進(jìn)行了大量的研究[2-3]。但商業(yè)軟件運(yùn)算時(shí)有計(jì)算周期長(zhǎng)，計(jì)算量大的缺點(diǎn)，因此在初步設(shè)計(jì)中效率較低。

本文以某型渦輪第一級(jí)靜葉為研究對(duì)象，對(duì)該靜葉的氣膜孔進(jìn)行了簡(jiǎn)單的冷氣與主流一體化設(shè)計(jì)，運(yùn)用自主開(kāi)發(fā)的單元設(shè)計(jì)法程序、管網(wǎng)計(jì)算程序[4-5]以及1+3維溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)程序[6]進(jìn)行導(dǎo)熱計(jì)算[7]，得到葉片表面溫度分布結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。

1 一維管網(wǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

在渦輪第一級(jí)靜葉的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用了哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力研究中心自主開(kāi)發(fā)的冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化程序即“單元設(shè)計(jì)法”和氣冷渦輪冷卻設(shè)計(jì)管網(wǎng)程序。通過(guò)一系列參數(shù)化方法將氣冷渦輪內(nèi)部冷卻通道和相應(yīng)組件如氣膜孔、沖擊孔等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)，并將其幾何數(shù)據(jù)無(wú)縫鏈接到管網(wǎng)程序中進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，或通過(guò)輸出程序輸出到UG中進(jìn)行實(shí)體造型，這樣保證了管網(wǎng)計(jì)算與實(shí)際模型的對(duì)應(yīng)性，并適當(dāng)降低了對(duì)設(shè)計(jì)者的UG造型能力的要求。

氣冷渦輪的氣動(dòng)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行葉片換熱計(jì)算會(huì)存在較大誤差。基于全湍流假設(shè)的湍流模型不能夠準(zhǔn)確地模擬邊界層的轉(zhuǎn)捩，如高雷諾數(shù)k-ε湍流模型和低雷諾數(shù)k-ω湍流模型。因此，為了準(zhǔn)確模擬邊界層轉(zhuǎn)捩問(wèn)題，必須選用合適的轉(zhuǎn)捩模型。大量研究表明，采用k-ωSST模型、并采用-Re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、計(jì)算穩(wěn)定性也不如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，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)分布分別進(jìn)行單列葉柵的外換熱計(jì)算。進(jìn)行單列葉柵外換熱計(jì)算時(shí)葉片與端壁不添加冷氣噴出邊界，并且第一層網(wǎng)格厚度要足夠小，以保證SST模型的計(jì)算要求。

每列葉柵的換熱計(jì)算需要進(jìn)行兩次，第一次計(jì)算葉片表面設(shè)定為絕熱，可以計(jì)算得到葉片表面壓力與絕熱燃?xì)鉁囟确植迹坏诙斡?jì)算葉片表面設(shè)定為第一類邊界條件，計(jì)算得到熱流密度分布；根據(jù)絕熱燃?xì)鉁囟确植寂c熱流密度分布可以折算出葉片表面的換熱系數(shù)分布。

1.1 一維管網(wǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)冷卻結(jié)構(gòu)的快速評(píng)估，并對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，提出了一維管網(wǎng)計(jì)算方法。該計(jì)算方法通過(guò)添加不同冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)與換熱的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算這些公式得到結(jié)果，因此，從計(jì)算方法來(lái)說(shuō)，這是一種一維的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。由于其依靠經(jīng)驗(yàn)公式，因此其計(jì)算所需要的資源消耗量相對(duì)較少，且計(jì)算速度快。管網(wǎng)計(jì)算的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。

通過(guò)簡(jiǎn)化管網(wǎng)的計(jì)算求解過(guò)程，將控制方程離散為線性方程求解，該過(guò)程分為兩部分完成。將連續(xù)性方程與動(dòng)量方程一起求解，構(gòu)成壓力平衡計(jì)算；節(jié)點(diǎn)與節(jié)流單元能量方程的求解稱為溫度平衡計(jì)算，每計(jì)算一次溫度平衡計(jì)算，求解一次壓力平衡計(jì)算。

氣膜孔中冷氣直接噴入到燃?xì)庵髁髦校藭r(shí)燃?xì)鈱?duì)葉片表面溫度的影響主要體現(xiàn)在燃?xì)饣謴?fù)溫度和外壁面換熱系數(shù)上。因此在進(jìn)行有氣膜孔的管網(wǎng)計(jì)算中，必須添加氣膜修正，氣膜修正主要是在每次溫度平衡計(jì)算后對(duì)燃?xì)鉁囟扰c外壁面換熱系數(shù)分布進(jìn)行修正。

1.2 一維管網(wǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果分析

1.2.1 一維管網(wǎng)設(shè)計(jì)

采用了兩腔設(shè)計(jì)，這樣能夠有效利用冷氣并能夠?yàn)闅饽た缀侠矸峙淅錃?；在壁厚方面，為了使靜葉冷卻結(jié)構(gòu)加工方便，徑向采用等壁厚設(shè)計(jì)，弦向采用變壁厚設(shè)計(jì)。葉片前緣直接面臨主流高溫燃?xì)?，因此前緣同時(shí)采用高效沖擊冷卻和氣膜冷卻。葉片前緣部分前腔布置沖擊襯套，為了減小沖擊孔流阻，沖擊孔直徑選為0.5 mm，使冷氣從沖擊冷卻孔射流而出時(shí)具有較大的動(dòng)量沖擊內(nèi)壁面；前腔沖擊孔的橫縱間距為2.4 mm，襯套厚度為0.5 mm，其到葉片內(nèi)表面距離0.6 mm；在后腔尾部布置了5排圓柱擾流肋以增大擾流，強(qiáng)化換熱，擾流柱肋的直徑為1.2 mm，流向間距2 mm，徑向間距2 mm。在葉片表面布置了6列氣膜冷卻孔，為了避免堵塞問(wèn)題，氣膜孔直徑相對(duì)較大，取0.5 mm或0.6 mm，同時(shí)采用了復(fù)合角度設(shè)計(jì)并在前期進(jìn)行了孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)。冷卻時(shí)，進(jìn)氣邊的冷氣從葉根進(jìn)入沖擊襯套，沖擊葉片內(nèi)表面后經(jīng)由5列氣膜冷卻孔和前后腔間的節(jié)流孔流出；出氣邊的冷氣前腔進(jìn)入沖擊葉片內(nèi)表面后，一部分經(jīng)由1列壓力側(cè)氣膜冷卻孔流出，另一部分流經(jīng)尾緣圓柱擾流柱以冷卻尾緣內(nèi)部，尾縫寬度0.45 mm。

設(shè)計(jì)得到第一級(jí)靜葉冷卻結(jié)構(gòu)的實(shí)際冷氣量為7.28 g/s，略小于設(shè)計(jì)值7.8 g/s。同時(shí)，第一級(jí)靜葉的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾方面特點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)中采用了小冷氣量設(shè)計(jì)，通過(guò)反復(fù)調(diào)整，確定了最佳冷氣分配，且在設(shè)計(jì)前進(jìn)行了簡(jiǎn)單的冷氣與主流一體化設(shè)計(jì)，這樣能夠使葉片表面多數(shù)區(qū)域可以被氣膜覆蓋，使葉片有較高的冷卻效率，氣膜冷卻對(duì)葉片降溫的貢獻(xiàn)明顯大于內(nèi)部冷卻；

圖1 第一級(jí)靜葉冷卻結(jié)構(gòu)氣膜計(jì)算

圖2 外壁溫

(2)兩腔設(shè)計(jì)以及沖擊冷卻設(shè)計(jì)能夠控制冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)壓力與流量分配，既保證了氣膜冷氣能夠流出，又避免了氣膜冷氣量過(guò)大，尤其是保證了在小冷氣量情況下，氣膜孔冷氣與尾緣劈縫冷氣的合理分配；

(3)大沖擊孔直徑設(shè)計(jì)使得氣膜冷卻孔壓降分配較大，保證了足夠的排氣裕度，沖擊冷卻孔直徑與間距進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整，既保證了較好的沖擊冷卻效果，又控制了冷氣流量與壓力。

1.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析

圖1給出了第一級(jí)靜葉氣膜修正計(jì)算得到的無(wú)量綱燃?xì)鉁囟扰c換熱系數(shù)分布，管網(wǎng)計(jì)算中，氣膜修正計(jì)算僅僅是將葉片表面燃?xì)饣謴?fù)溫度以及換熱系數(shù)進(jìn)行修正，從圖中可以看出，當(dāng)冷氣從氣膜冷卻孔噴出以后，在葉片表面分布較為均勻，設(shè)計(jì)合理。葉片前緣表面形成氣膜覆蓋后，燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)大幅度降低，這說(shuō)明，氣膜覆蓋效果較好。

無(wú)量綱方式以耐受溫度為參考，無(wú)量綱定義式為

(1)

式中T——絕對(duì)溫度;

TM——耐受溫度;

葉片表面外壁溫如圖2所示。在葉片前緣高溫區(qū)域，壁面溫度在葉片的正常工作范圍內(nèi)，葉片平均無(wú)量綱壁溫為0.869，最大無(wú)量綱壁溫為0.98。在葉片尾緣吸力側(cè)區(qū)域存在一個(gè)高溫區(qū)，但在壓力側(cè)尾緣區(qū)域卻存在一個(gè)低溫區(qū)，這主要是因?yàn)樵诠芫W(wǎng)計(jì)算中，忽略了吸力面與壓力面之間的傳熱。

在圖3中，由葉片內(nèi)部流體域換熱系數(shù)分布和熱流密度分布可以看出，在尾緣由擾流柱的劈縫區(qū)域，換熱系數(shù)以及熱流密度較低，一方面是由于尾緣區(qū)域冷氣流量較小，無(wú)法產(chǎn)生較強(qiáng)的擾流，另外一方面是由于經(jīng)驗(yàn)公式的不精確性，因此在后續(xù)工作中管網(wǎng)計(jì)算模型的修正以及經(jīng)驗(yàn)公式的校核是十分需要的。

圖3 第一級(jí)靜葉冷卻結(jié)構(gòu)氣膜修正換熱系數(shù)(W/m2K)

2 三維溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

一維管網(wǎng)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)是由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的，同時(shí)溫度分布與節(jié)流單元的分割有關(guān)，即每個(gè)節(jié)流單元的吸力面或壓力面的溫度設(shè)為定值，因此管網(wǎng)計(jì)算中并不能準(zhǔn)確模擬實(shí)際溫度場(chǎng)分布，尤其是對(duì)于溫度梯度很大的區(qū)域。三維溫度場(chǎng)計(jì)算解決了這個(gè)問(wèn)題。三維溫度場(chǎng)計(jì)算的邊界條件取自管網(wǎng)計(jì)算中的相關(guān)邊界參數(shù)，并從管網(wǎng)計(jì)算所用的“單元設(shè)計(jì)法”設(shè)計(jì)模型中提取建立網(wǎng)格所用的相關(guān)模型數(shù)據(jù)，這樣保證了三維溫度場(chǎng)計(jì)算與實(shí)際模型的一致性；同時(shí)網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)生成技術(shù)，所有的建模以及網(wǎng)格生成均采用自編程序，因此可以快速評(píng)估溫度場(chǎng)。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(chǎng)計(jì)算，進(jìn)而得到葉片的三維溫度分布。

2.1 網(wǎng)格生成

圖4 葉片固體域的網(wǎng)格自動(dòng)生成

本章介紹的網(wǎng)格自動(dòng)生成程序思路為：提取自單元設(shè)計(jì)法中所獲得的光滑內(nèi)部冷氣通道數(shù)據(jù)，然后補(bǔ)充網(wǎng)格在各個(gè)方向的布點(diǎn)數(shù)量，完成網(wǎng)格分塊，最后通過(guò)網(wǎng)格輸出程序cfxexport3網(wǎng)格輸出程序生成*.cfx5網(wǎng)格文件。

2.2 計(jì)算模型

計(jì)算采用ANSYS公司下的CFX軟件包，在CFX中，控制方程在固體域中沒(méi)有流動(dòng)，可以將控制方程中的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)刪除，而在固體區(qū)域中傳熱方式只有熱傳導(dǎo)，所以固體區(qū)域能量守恒方程可以化為

(2)

計(jì)算采用固體溫度計(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)。計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為245 440，葉片厚度方向網(wǎng)格層數(shù)為8。

2.3 計(jì)算分析

表1給出了第一級(jí)靜葉三維導(dǎo)熱計(jì)算得到的無(wú)量綱溫度與冷卻效率。

表1 第一級(jí)靜葉溫度與冷卻效率

圖5給出了內(nèi)外壁面溫度分布圖，在葉片尾部出現(xiàn)高溫區(qū)，而葉片前緣區(qū)域溫度分布較為合理，這與冷氣流量分布密切相關(guān)。在前緣區(qū)域有較大的氣膜冷卻冷氣流量，冷卻效率較高，尾緣區(qū)域冷氣流量雖然不小于氣膜冷卻冷氣流量，但是冷卻效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如氣膜冷卻。

葉片絕大部分區(qū)域的溫度能夠滿足要求，但是吸力側(cè)尾緣存在較大的高溫區(qū)，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有SST模型可能會(huì)略高估計(jì)這一區(qū)域的局部換熱，且在三維導(dǎo)熱計(jì)算中沒(méi)有考慮到內(nèi)部圓柱擾流柱的增大換熱面積效應(yīng)，導(dǎo)致葉片溫度計(jì)算值偏高。

圖5 內(nèi)外壁面溫度分布圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃?xì)鉁u輪第一級(jí)靜葉冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。運(yùn)用哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的單元設(shè)計(jì)法程序、管網(wǎng)計(jì)算程序以及1+3維溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)程序?qū)υ撛O(shè)計(jì)得到的靜葉溫度場(chǎng)及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)管網(wǎng)計(jì)算表明第一級(jí)靜葉冷卻結(jié)構(gòu)的實(shí)際冷氣量為7.28 g/s，略小于設(shè)計(jì)值7.8 g/s。葉片平均無(wú)量綱壁溫為0.869，最大無(wú)量綱壁溫為0.98，小于設(shè)計(jì)允許的最大無(wú)量綱壁溫1。

(2)三維溫度場(chǎng)計(jì)算表明，葉片表面平均無(wú)量綱溫度0.876，冷卻效率為0.530，葉片絕大部分區(qū)域的溫度能夠滿足要求，吸力側(cè)尾緣高溫區(qū)是由于SST模型可能會(huì)略高估計(jì)這一區(qū)域的局部換熱以及導(dǎo)熱計(jì)算中沒(méi)有考慮內(nèi)部圓柱擾流柱的增大換熱面積而導(dǎo)致的。

(3)采用單元設(shè)計(jì)法、管網(wǎng)計(jì)算及三維溫度場(chǎng)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)，便于初步設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)的盲目性。

[1]倪萌，朱惠人，裘云，等．航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻技術(shù)綜述[J]．燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2005，18(4)：25-37．

[2]Mazur. Z., Hernandez-Rossette. A., Garcia-Illescas. R, et al. Analysis of conjugate heat transfer of a gas turbine first stage nozzle[R].ASME Paper,GT2005-68004.

[3]Takahashi. T, Watanabe. K, Sakai. T. Conjugate heat transfer analysis of a rotor blade with rib-roughened internal cooling passages[R].ASME Paper,GT2005-68227.

[4]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)，2011:581-584.

[5]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),2011:933-936.

[6]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.

[7]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．

TheProcessandAnalysisofCoolingStructureDesigninGasTurbineStatorBlade

WANG Jin-sheng,LUO Lei,WANG Song-tao

(School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To design a cooling structure for gas turbine stator blade quickly, cell design method, pipe network calculations and three demission heat transfer calculations were introduced to the cooling structure design of a certain type of turbine in the first stator stage. The results show that: by pipe network calculations, the actual cool air flow rate in first stage stator blades was 7.28 g/s, which was slightly less than the design maximum 7.8 g/s. The highest dimensionless temperature on blades was 0.98, less than the permissible maximum 1; three demission heat transfer calculations indicate the average dimensionless temperature was 0.876, cooling efficiency was 0.530.

turbine; cooling; pipe network calculations; three demission heat transfer calculations; efficiency

2013-05-13修訂稿日期2013-06-19

國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51121004)。

王晉聲(1989～)，男，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)闅饫錅u輪葉片氣動(dòng)與傳熱設(shè)計(jì)。

V235.1

A

1002-6339 (2014) 01-0055-05