趙俊明，姜東坡，鄒建偉

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

燃氣輪機隨著冷卻技術(shù)的發(fā)展，其渦輪進口溫度的不斷提高［1-3］早已超出葉片材料承受溫度，為了進一步提高效率必須采用更先進的冷卻方式。以往大部分渦輪設(shè)計者普遍采用的是分離迭代求解方法，但是這樣反復(fù)迭代［4］容易導(dǎo)致計算繁瑣和結(jié)果不準(zhǔn)確，同時設(shè)計和計算周期長。目前一種先進的計算方法氣熱耦合計算［5］在渦輪葉片設(shè)計中得到較好的應(yīng)用，尤其在復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)中更為有效。本文利用氣熱耦合計算方法獲得該矩陣?yán)呤饺紮C渦輪葉片的換熱效果，并對葉片及流場進行結(jié)果分析。

1 計算方法

1.1 物理模型

燃氣輪機渦輪葉片內(nèi)部為矩陣?yán)呤嚼鋮s結(jié)構(gòu)，采用了前后兩個腔室加沖擊套筒的整體結(jié)構(gòu)，冷卻方式包括沖擊冷卻、氣膜冷卻、肋板擾流和尾緣劈縫等多種冷卻。葉片前緣密布著多排氣膜孔，在壓力面和吸力面亦各有幾排氣膜孔。冷卻空氣一部分從前腔進入葉片內(nèi)部，經(jīng)沖擊冷卻后由葉片表面冷卻孔排出進行氣膜冷卻，另一部分從后腔進入葉片內(nèi)部，經(jīng)矩陣?yán)邤_流結(jié)構(gòu)和尾緣梳齒結(jié)構(gòu)從尾緣排出與燃氣混合。

1.2 控制方程

流體的控制方程是連續(xù)方程、動量方程和能量方程，采用三維非定常N-S方程，在三維笛卡爾坐標(biāo)系下，其守恒運動方程組如下：

式中：SM為動量的源項；SE為能量的源項；h*為比總焓，h*=h+U2/2，且 h=h（p，T）。

1.3 網(wǎng)格及邊界條件

本文采用CFX軟件進行氣熱耦合數(shù)值模擬，網(wǎng)格模型如圖1所示。對于燃氣進口給定總溫總壓，燃氣區(qū)域兩側(cè)設(shè)定為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件，燃氣出口邊界條件給定靜壓分布，冷氣入口給定流量（或壓力）和溫度。

圖1 高壓渦輪導(dǎo)葉網(wǎng)格劃分

2 計算結(jié)果分析

以某燃機高壓渦輪導(dǎo)葉作為研究對象，計算條件為該葉片工作狀態(tài)下參數(shù)條件，根據(jù)燃料成分對物性參數(shù)進行了擬合，使計算結(jié)果更加真實準(zhǔn)確。葉片表面溫度分布如圖2所示，葉片表面溫度比較均勻、溫差小，溫差引起的熱應(yīng)力較小，葉片表面溫度都在材料許用溫度范圍內(nèi)；葉片中截面流場流線分布如圖3所示，從圖中可以看出無附面層分離現(xiàn)象，流線分布較光滑。

圖2 葉片表面溫度分布云圖

圖3 燃氣流場中截面流線分布

數(shù)值模擬計算得到穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的換熱系數(shù)分布，圖4為內(nèi)背弧中截面的換熱系數(shù)分布。從圖中可以看出背弧的換熱效果大于內(nèi)弧，但背弧和內(nèi)弧的尾緣都比前緣換熱效果好，原因是尾緣布置了大量的矩陣?yán)吆褪猃X結(jié)構(gòu)增強了換熱效果。

圖4 內(nèi)背弧中截面的換熱系數(shù)分布

圖5 內(nèi)背弧中截面沿弧長的溫度變化

圖5為中截面內(nèi)背弧沿弧長的溫度分布，從圖中可以看出葉片前緣平均溫度在850K以下，中截面最高溫度小于920K，葉片表面整體溫度分布相對均勻，最大溫差為100K，熱應(yīng)力相對較小，葉片壽命長。整個計算結(jié)果表明冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計合理且冷卻效果好，工作狀態(tài)下的最大溫度在材料允許范圍之內(nèi)，整個葉片表面尾緣葉根處溫度略高，說明還有進一步優(yōu)化的空間。

3 結(jié)論

采用氣熱耦合計算可以準(zhǔn)確快速地得出高溫高壓下氣冷渦輪冷卻的流場分布情況和溫度分布云圖，可對葉片換熱效果和實際運行情況進行預(yù)測，對于該葉片改型優(yōu)化和其他氣冷葉片提供了基礎(chǔ)。

通過對模型燃機高壓渦輪導(dǎo)葉氣熱耦合計算分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉表面溫度分布比較均勻，溫差不大，熱應(yīng)力相對較小，流場流線光順，無分離發(fā)生。

［1］胡東.燃機葉片冷卻技術(shù)對透平初溫的影響［J］.科技創(chuàng)業(yè)月報，2007（1）：196－197.

［2］倪萌，朱惠人，裘云，等.航空發(fā)動機透平葉片冷卻技術(shù)綜述［J］.燃氣輪機技術(shù)，2005（4）：25－28.

［3］張效偉，朱惠人.大型燃氣透平葉片冷卻技術(shù)［J］.熱能動力工程，2008（1）：1－6.

［4］鄧化愚，劉玉芳，羅明俊，等.復(fù)合式氣冷渦輪葉片內(nèi)部流動和換熱計算［J］.航空動力學(xué)報，1989（4）：344-346.

［5］董威，黃維娜.某型發(fā)動機渦輪冷卻葉片的流動換熱耦合計算研究［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2006（2）：14-17，32.