韓懷遠(yuǎn), 沈邱農(nóng)

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

燃?xì)馔钙饺~片的冷卻技術(shù)是燃?xì)廨啓C(jī)(簡(jiǎn)稱燃機(jī))的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了提高燃機(jī)的性能，燃?xì)馔钙降倪M(jìn)氣壓力和溫度一直在不斷地提高。目前F級(jí)燃機(jī)透平進(jìn)口溫度已達(dá)到1 400 ℃，已經(jīng)遠(yuǎn)超過透平葉片材料所能承受的極限，必然要采用一定的冷卻措施來降低葉片的溫度。燃機(jī)透平葉片的冷卻方法包括葉片內(nèi)部的強(qiáng)化對(duì)流冷卻、射流沖擊冷卻[1-3]及葉片外部的氣膜冷卻[4]。

1　計(jì)算模型

圖1是一張典型的現(xiàn)代燃?xì)馔钙揭患?jí)動(dòng)葉片的冷卻結(jié)構(gòu)方案圖[4]。葉片前部采用沖擊冷卻；中部較寬，采用帶肋U形通道強(qiáng)化對(duì)流傳熱；尾部采用帶擾流柱的強(qiáng)化對(duì)流傳熱。

圖1　一級(jí)動(dòng)葉片的冷卻結(jié)構(gòu)方案圖

圖1中帶肋直通道部分，位置在葉片中弦靠后的區(qū)域，以實(shí)際燃機(jī)動(dòng)葉內(nèi)部通道尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，建立帶45°斜肋的矩形截面直通道模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其傳熱效果，探究冷卻傳熱的機(jī)理。研究不同流量入口條件下帶肋冷卻通道的傳熱系數(shù)和固體溫度場(chǎng)，確定滿足葉片冷卻任務(wù)要求(葉片最高溫度不超過900 ℃)的最小冷卻空氣量。

建立了通道流動(dòng)模型和固體熱計(jì)算模型。圖2為通道流動(dòng)模型，通道上下兩側(cè)帶有傾斜45°的方形肋，肋尺寸為1 mm×1 mm，肋間距與肋寬比為10∶1，單側(cè)有17片肋，通道尺寸為16 mm×8 mm，長(zhǎng)度為190 mm；左下角圓點(diǎn)處設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)。圖3為固體計(jì)算模型，以流動(dòng)模型為內(nèi)部通道，以實(shí)際燃機(jī)動(dòng)葉為準(zhǔn)，上壁面厚度為3 mm，下壁面厚度為2 mm。考慮到燃?xì)馔钙饺~片表面會(huì)有一層隔熱層，故在固體模型上下表面各加了一層0.5 mm厚度的隔熱層，以模擬實(shí)際葉片。

圖2　流動(dòng)模型

圖3　固體模型

運(yùn)用ICEM軟件劃分模型網(wǎng)格，流體計(jì)算采取對(duì)邊界層加密的方法，以滿足計(jì)算模型所需要的Y+值，最后網(wǎng)格劃分見圖4，在靠近壁面的部分均予以加密，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 234 400，網(wǎng)格數(shù)為2 336 778，可以滿足計(jì)算的精度和速度要求?，F(xiàn)行商業(yè)計(jì)算軟件對(duì)固體溫度場(chǎng)的計(jì)算已經(jīng)十分成熟，固體傳熱計(jì)算模型采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終網(wǎng)格總數(shù)為163 879。

圖4　流動(dòng)網(wǎng)格劃分

2　計(jì)算條件設(shè)置

2.1 湍流模型的選擇

流動(dòng)特性的計(jì)算模型是三維的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，采用商業(yè)軟件計(jì)算。由于燃?xì)馔钙饺~片內(nèi)部冷卻通道中是三維湍流流動(dòng)，傳統(tǒng)的湍流模式多采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行計(jì)算，該模型將湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε引入到控制方程中來封閉方程組，但k-ε模型適應(yīng)于充分發(fā)展的湍流運(yùn)動(dòng)，對(duì)于近壁面區(qū)域不適用，故需要采取近壁面函數(shù)的方式來進(jìn)行計(jì)算。k-ω模型從k-ε模型演化而來(ω是比耗散率)，能對(duì)近壁面區(qū)域直接求解，計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際流動(dòng)，但其對(duì)網(wǎng)格要求比較高，需要近壁面區(qū)域Y+值小于2，計(jì)算量會(huì)大大增加。剪切壓力傳輸(SST)模型介于上述兩種模型之間，其在近壁面區(qū)域采取k-ω方程組，在充分發(fā)展的湍流用k-ε方程，該模型不需要壁面函數(shù)，在近壁面區(qū)域直接對(duì)流動(dòng)傳熱進(jìn)行求解，還可以節(jié)約網(wǎng)格數(shù)量，減少計(jì)算量，故流動(dòng)計(jì)算選用SST模型。計(jì)算采取Simple算法、迎風(fēng)差分格式、壓力修正方程，收斂誤差小于10-4。固體熱計(jì)算采用Ansys軟件，采取Thermal Mass Solid 90單元格式，該格式由20個(gè)節(jié)點(diǎn)組成單元，是3D熱計(jì)算中常用的模型。

2.2 邊界條件

圖5　不同Re下壁面Nu分布

試驗(yàn)葉片為反動(dòng)度為50%的動(dòng)葉、T-6葉型，沖角為0，與所研究的典型燃?xì)馔钙絼?dòng)葉較為接近。按照筆者分析的主流燃?xì)馊肟趨?shù)，選取條件較接近的曲線(Re=3.02×105)。帶肋直通道位于葉片中弦區(qū)域，靠近尾緣，吸力面與壓力面的相對(duì)弦長(zhǎng)均取為0.6。從圖5中可見：在該相對(duì)弦長(zhǎng)附近，吸力面與壓力面上的Nu/Re1/2曲線變化較為平穩(wěn),數(shù)值接近。故將兩面的數(shù)值選為定值,并為1.1,壓力面與吸力面的Nu相同,為600。

Nu定義為：

(1)

式中：h為對(duì)流傳熱系數(shù)；l為特征長(zhǎng)度(選取葉片弦長(zhǎng)0.072 m)；k為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。在動(dòng)葉進(jìn)口燃?xì)鉁囟? 300 ℃的條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.094 6 W/(m·K)，從而得到邊界傳熱系數(shù)為800 W/(m2·K)。

2.3 物性參數(shù)

設(shè)定冷卻空氣的入口壓力為1.6 MPa，溫度為450 ℃?？紤]整個(gè)流動(dòng)壓力損失不大，故認(rèn)為冷卻空氣物性參數(shù)僅隨著溫度的變化而變化，其參數(shù)見表1。

物質(zhì)的還原能力與抗氧化活性之間有明顯的相關(guān)性[12],還原能力的高低間接反映抗氧化能力的強(qiáng)弱。由圖5可知,香水蓮多糖溶液具有較強(qiáng)的還原能力,并且還原能力隨多糖濃度(0～6 mg/mL)的升高而增強(qiáng)。當(dāng)多糖濃度在0～1 mg/mL時(shí),香水蓮多糖溶液的還原能力(y)與多糖濃度(x)呈顯著正相關(guān),y=0.328x + 0.157,R2=0.993;當(dāng)香水蓮多糖濃度大于6 mg/mL時(shí),增加香水蓮多糖溶液濃度,還原力基本穩(wěn)定為0.732,維生素C濃度0.5 mg/mL,吸光度為1.5。

表1　空氣物性參數(shù)

現(xiàn)代燃機(jī)透平葉片的材料為鎳基合金、摻混其他金屬定向結(jié)晶甚至單向結(jié)晶而成，選取牌號(hào)為GH37的合金，金屬物性參數(shù)見表2[6]。涂層材料以ZrO2為基礎(chǔ)，參數(shù)也見表2。經(jīng)過測(cè)試，0.5 mm的涂層，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)選取為4 W/(m·K)時(shí)，能保持燃?xì)夂徒饘倩拈g有50 K的溫差，和目前燃?xì)馔钙饺~片涂層的隔熱性能相符。

表2　固體物性參數(shù)

3　結(jié)果與分析

圖6給出了冷卻空氣入口質(zhì)量流量為0.06 kg/s下，計(jì)算模型中各特征截面上的速度流線圖。

圖6　各特征截面的流線圖

ZY截面(X=4 mm)上，冷卻氣體流經(jīng)肋片時(shí)，邊界層分離后再附著，破壞了邊界層的穩(wěn)定性；隨著流程的增加，傳熱加強(qiáng)。XY截面(Z=0.1 mm)上，可以明顯地看出：肋片對(duì)冷卻流體有引導(dǎo)作用，產(chǎn)生橫向的二次流動(dòng)，擴(kuò)大了流程，同時(shí)還會(huì)對(duì)光滑的側(cè)壁產(chǎn)生一定的沖擊，增強(qiáng)了傳熱。各ZX截面分別位于第1片肋、第9片肋和第17片肋的中部，分別代表了流程的前、中和后期的流動(dòng)。圖6中可以看出：冷卻流體進(jìn)入通道后，在肋片的引導(dǎo)作用下，會(huì)在靠近上下帶肋壁面的區(qū)域形成兩個(gè)較為對(duì)稱的漩渦，下側(cè)的漩渦呈逆時(shí)針，而上側(cè)的漩渦呈順時(shí)針，在ZX截面的中間位置(Z=8 mm)發(fā)生了氣流交匯；隨著流動(dòng)的發(fā)展，到達(dá)中間區(qū)域，漩渦中心逐漸向通道中間靠近，同時(shí)在通道角落處均出現(xiàn)了明顯的反方向的漩渦中心，受到肋片的影響，X=0 mm處的上下兩個(gè)反方向漩渦較小，而X=8 mm處的反方向漩渦較大，這種小的漩渦會(huì)產(chǎn)生滯留氣體，會(huì)造成局部的傳熱惡化；到了流程的后半部分，隨著氣流溫度的升高，其漩渦進(jìn)一步擴(kuò)大，其在中部的氣流交匯也更加劇烈。

商業(yè)流體計(jì)算軟件里，通常用對(duì)流傳熱系數(shù)HTC來表示通道壁面的傳熱強(qiáng)度，HTC定義為：

(2)

式中：qw為壁面熱流密度；Tw為壁面溫度；Tin為冷卻空氣入口溫度。圖7給出了三個(gè)表面的傳熱系數(shù)云圖。

圖7　通道內(nèi)壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布

模型上下兩面所帶肋片對(duì)稱，傳熱系數(shù)對(duì)稱，故在此只列出一個(gè)面的數(shù)據(jù)。從圖7肋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)云圖可以看出傳熱系數(shù)周期性的增強(qiáng)，這是因?yàn)槔鋮s氣體在流經(jīng)肋片時(shí)，發(fā)生了邊界層的分離與再附著，造成了肋片處的傳熱強(qiáng)化，同時(shí)，受到肋片的引導(dǎo)作用，引起的橫向的二次流對(duì)壁面的傳熱也大大加強(qiáng)。在圖6的ZX截面速度流線圖中可以看到：氣流在中、后截面上(X=8 mm)靠近上下肋面處，均形成了一個(gè)小的漩渦，造成了氣流的滯留、局部的傳熱惡化。在圖7中，也可以明顯看出：在X=8 mm處有小部分區(qū)域出現(xiàn)了傳熱的惡化。從兩個(gè)光滑壁面的傳熱系數(shù)云圖可以發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)開始階段，肋片對(duì)冷卻氣體造成的二次流動(dòng)還不是很明顯，主要是引起邊界層的分離與再附著，因此兩光滑壁面在開始段的大部分區(qū)域，傳熱系數(shù)都較小。隨著流程的增加，肋片造成的二次流越來越明顯，使兩側(cè)光滑壁面的傳熱增強(qiáng)；如前所述，上下兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦在ZX截面中部區(qū)域(Z=8 mm)交匯，形成沿X負(fù)方向的流動(dòng)，對(duì)X=0 mm處的光滑壁面產(chǎn)生沖擊，這造成了該側(cè)壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)中間區(qū)域傳熱較強(qiáng)，而另一側(cè)壁面(X=8 mm)從底部到中部區(qū)域，傳熱系數(shù)越來越弱。

設(shè)壁面溫度為恒定900 ℃，采用壁面總熱流量來表示傳熱能力強(qiáng)弱。圖8為不同冷卻空氣質(zhì)量流量下的壁面?zhèn)鳠崃?。從圖8中可以看出通道傳熱量隨著質(zhì)量流量的增加而增加，基本上呈線性關(guān)系。

圖8不同冷卻空氣質(zhì)量流量下的壁面?zhèn)鳠崃?/p>

圖9　固體熱計(jì)算溫度云圖

從圖9中可以看出：溫度最高處在兩端面，最低處出現(xiàn)在通道中間位置。隔熱層的溫差為46 K，符合隔熱層大致有50 K溫差的標(biāo)準(zhǔn)，說明隔熱層材料特性的選取是合適的。涂層與葉片基材接觸緊密，接觸面間無溫差。葉片外表面與內(nèi)部之間的溫差約為150 K，說明葉片中的熱應(yīng)力還是較大的。最高溫度不超過900 ℃，說明對(duì)于此單通道，冷卻空氣入口質(zhì)量流量達(dá)到0.008 kg/s時(shí)，就可以滿足對(duì)固體的冷卻要求。

4　結(jié)語

根據(jù)實(shí)際燃機(jī)第一級(jí)透平動(dòng)葉的內(nèi)冷通道建立了帶肋矩形截面單通道流動(dòng)模型和固體模型，經(jīng)過計(jì)算和分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 肋片會(huì)引起氣流的分離與再附著，增強(qiáng)了局部區(qū)域的傳熱；帶45°傾斜角的肋片會(huì)引導(dǎo)氣流產(chǎn)生橫向流動(dòng)，增加氣流的流程，增強(qiáng)帶肋面區(qū)域的傳熱，也會(huì)對(duì)光滑側(cè)面產(chǎn)生沖擊，增強(qiáng)了光滑側(cè)面的傳熱；在X=8 mm靠近上下帶肋壁面處，出現(xiàn)小漩渦，造成了局部的傳熱惡化，帶對(duì)稱肋片會(huì)造成兩個(gè)對(duì)稱性的漩渦，造成X=8 mm處的光滑側(cè)面的中部傳熱惡化。隨著流量的增加，流道內(nèi)表面?zhèn)鳠崃砍示€性增加。

(2) 固體熱計(jì)算中，當(dāng)隔熱層的傳熱系數(shù)選取為4 W/(m·K)時(shí)，0.5 mm厚度的隔熱層溫差約為50 K；當(dāng)冷卻氣體入口質(zhì)量流量達(dá)到0.008 kg/s時(shí)，可以使固體溫度達(dá)到900 ℃以下，滿足冷卻要求。

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