柳邦家

摘 要：通過對某F級重型燃氣輪機二級動葉的全三維坐標外形掃描和內部結構的工業(yè)CT掃描，獲得了二級動葉完整的外形結構、尺寸和內部截面圖像，并提取了內型面的型線，基于數值模擬進行了動葉片的溫度場分布分析。

關鍵詞：燃氣輪機；3D掃描；數值模擬；溫度場

燃氣輪機二級動葉作為重要的透平部件，工作在極端高溫、高速旋轉的條件下，對動葉的材料和冷卻提出了很高的要求。F級燃氣輪機透平的動葉都應用具有航空使用經驗、高溫強度好的γ相析出硬化型Ni基超合金GTD-111，其中第二級動葉為精密鑄造，應用CoCrAly涂層，外面再復以氧化物表層。第2級動葉片為傳統(tǒng)對流冷卻方式，采用從葉根到葉頂直通孔的強制對流冷卻。冷卻介質為壓氣機第13級抽氣。所采用的透平冷卻技術包括沖擊冷卻、強制對流冷卻與氣膜冷卻方式。

本文以某F級重型燃氣輪機二級動葉為對象，采用計算流體力學的方法進行了溫度場分布的模擬分析。

1 外型掃描

選取外形完好的一片二級動葉，進行全三維坐標掃描。掃描設備為關節(jié)臂式三坐標測量機，關節(jié)臂測量機攜帶激光測頭，單點精度0.04mm，整體點云質量高，數據完整性好。

測繪結果文件打包為全三維小平面體格式（.STL格式）。掃描數據點非常密集，整體數據完整性非常好。

2 工業(yè)CT掃描

工業(yè)CT（Industial Computed Tomography）即工業(yè)計算機X線斷層攝影技術，本文采用6MWe加速器CT設備對動葉內部結構進行掃描[1]。為了準確的獲悉葉片內部孔的大小和位置，選取了典型截面進行CT掃描。通過進一步圖像處理獲得清晰的內部截面圖像，同時提取內型面的型線。

3 基于有限元的幾何建模

3.1 動葉冷卻技術

冷卻氣體從壓氣機13級抽出，沿途經過預旋，從葉根位置分兩部分流入動葉葉片內部。前緣分支冷卻氣體一部分流入葉片中弦?guī)в袃A斜擾流肋結構的蛇形冷卻通道，沿程不斷與內壁面進行對流換熱；其后從前緣隔板的孔結構中噴出，對前緣內壁面形成沖擊換熱；最后與另一部分從補氣孔結構流入的冷卻氣體摻混，在位于前緣的三排氣膜孔處噴出并覆蓋在葉片表面。尾緣分支的冷卻氣體流動過程與上述過程近似，只是將前緣氣膜孔結構改為帶有矩形擾流柱結構的出流通道。此外，出于強化冷卻效果及提供局部保護等不同目的，還在相應位置額外添加了補氣孔、側向氣膜孔以及除塵孔等結構[2]。

3.2 形體建模

基于三坐標掃描和內型工業(yè)CT掃描的結果，獲得了較為完整的二級動葉幾何數據?；谶@些數據的二級動葉的三維實體模型進行重建。

3.3 數值網格劃分

在ANSYS ICEM CFD15.0中生成二級動葉的計算網格。

網格特點如下：

（1）周期流道計算域。對整排動葉92片取其中一片流域開展計算，流域兩側設置為周期邊界。

（2）計算域包含流體域和固體域兩部分。流體域指葉片外部燃氣的流動和葉片內部冷氣的流動；固體域參與導熱。

（3）計算域主體采用四面體網格，流固交界面的流體邊界層區(qū)采用五面體棱柱網格。

（4）網格難點在于葉冠處周期流面的布置。周期流域面因為葉冠而呈現Z形皺褶。

4 二級動葉流動、冷卻與導熱數值模擬計算

4.1 邊界條件設置

根據燃氣輪機總體熱力性能計算結果給定二級動葉邊界條件?；谌~型幾何進口角的展向變化范圍在15°～35°范圍內給定了旋轉系下進口的相對氣流角。

4.2 計算方法

流體域基于旋轉坐標系下的定常三維粘性NS方程，固體域基于定常導熱方程。流體域與固體域通過界面進行傳熱。流體域湍流模型采用CFX內嵌的自動底層處理的K-ε湍流模型。固壁面均為無滑移壁面邊界。

對流項采用二階迎風格式，湍流項采用一階差分。迭代收斂準則設為殘差10-6，同時監(jiān)控氣動效率、功率、壓比等總體參數的收斂。

4.3 計算結果分析

下圖為二級動葉氣（燃氣）熱（固體導熱）冷（冷氣）耦合計算獲得的葉片表面溫度分布。最高溫度出現在葉冠壓力側前沿附近，次高溫出現在葉片尾緣近葉尖的地方。

5 結束語

本文采用外形3D掃描和工業(yè)CT，獲得了某F級重型燃氣輪機第二級動葉的詳細幾何結構，并根據有限元進行了網格劃分，開展了單排動葉的流熱耦合數值模擬，獲得了二級動葉溫度場分布，為分析二級動葉故障和改進設計提供了一定的理論依據。

參考文獻

[1]程云勇.基于工業(yè)CT測量數據的空心渦輪葉片三維壁厚分析[D].西北工業(yè)大學，2009.

[2]李孝堂.現代燃氣輪機技術[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

（作者單位：中國華電集團公司浙江公司）