高 慶，屈 杰，王 汀，馬汀山，居文平，李 軍

(1．西安熱工研究院有限公司，西安 710054； 2．西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049)

在航空發(fā)動機和重型燃氣輪機的主流通道與渦輪盤腔交接區(qū)域會發(fā)生高溫燃氣入侵的現(xiàn)象，高溫燃氣入侵進入渦輪盤腔，會造成渦輪盤過熱，導致其壽命縮短。目前，主要通過從壓氣機中引入冷空氣來冷卻渦輪盤，空氣在封嚴渦輪盤的同時會通過輪緣密封間隙匯入主流通道，對下游動葉端壁面起到一定的氣膜保護作用。

Blair[1]研究了靜葉上游槽縫出流對靜葉端壁的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)在二次流的影響下靜葉尾緣下游處端壁的傳熱系數(shù)沿周向劇烈變化。對此，Graziani等[2]進一步指出，在葉柵通道二次流的影響下，葉片吸力面?zhèn)鹊膫鳠嵯禂?shù)較壓力面?zhèn)茸兓鼊×?。Harasgama等[3]實驗研究了在典型燃氣工況下單級透平的氣動性能和換熱性能，發(fā)現(xiàn)由于冷卻氣流被快速卷入通道渦中，端壁處的努塞爾數(shù)Nu最大降幅為50%。Friedrichs等[4]詳細論述了氨氮測試法在端壁氣膜冷卻效率測量過程中的應用。Zhang等[5]通過實驗對比了采用離散孔和離散槽供氣方式時端壁的溫度分布。Lynch等[6]以靜葉端壁結(jié)構(gòu)為研究對象，并在靜葉端壁中設置了非軸對稱端壁結(jié)構(gòu)。Oke等[7-9]采用平面葉柵實驗臺研究了槽縫間隙結(jié)構(gòu)對端壁換熱性能的影響，并對比了單縫與雙縫結(jié)構(gòu)的氣膜冷卻效率。Chyu[10]指出端壁幾何形狀和間隙射流結(jié)構(gòu)等對端壁氣膜冷卻效率有重要影響。

隨著流動動態(tài)測試技術(shù)和數(shù)值計算能力的發(fā)展，關(guān)于間隙冷卻氣流對下游端壁冷卻特性的影響研究逐步拓展到動葉端壁面。Dring等[11]采用低轉(zhuǎn)速實驗臺研究了輪緣密封間隙射流對動葉端壁的冷卻影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與平板實驗類似，氣膜冷卻效率在靜葉吸力面提升幅度較小，但在葉片壓力面處有較大幅度的提升。Takeishi等[12]通過氣相色譜法測量了旋轉(zhuǎn)動葉對流傳熱系數(shù)沿葉高的分布。Abhari等[13]采用薄膜熱通量計量法對動葉的換熱性能進行了研究。Blair[14]針對動葉端壁的換熱性能和壓力分布進行了測量。Ahn等[15]采用壓敏涂層測試技術(shù)對動葉前緣處的氣膜冷卻特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速會顯著影響動葉前緣氣膜冷卻效率的分布。Pau等[16]發(fā)現(xiàn)輪緣間隙出流會顯著影響動葉端壁面處的壓力分布和傳熱系數(shù)。

目前，關(guān)于輪緣間隙出流對動葉端壁氣膜冷卻特性影響的研究較少[17-18]。因此，筆者研究了輪緣間隙出流與主流相互作用下動葉端壁的冷卻特性，分析了冷卻氣流質(zhì)量流量比和進氣預旋度等氣動參數(shù)對動葉端壁冷卻特性的影響規(guī)律，旨在為燃氣輪機裝置二次空氣冷卻供應系統(tǒng)的設計提供數(shù)據(jù)支撐。

1 計算模型和計算方法

計算模型為燃氣輪機裝置的二次空氣冷卻供應系統(tǒng)的輪緣間隙部分。計算域包括透平主流通道和渦輪盤。圖1為輪緣間隙二維結(jié)構(gòu)示意圖，其中輪緣密封端面半徑b為345 mm，輪緣密封軸向間隙Sc為4 mm，輪緣密封齒厚Sca,rad為5 mm，盤腔動靜間距S為30 mm。輪緣間隙結(jié)構(gòu)選用優(yōu)化后的圓形密封間隙結(jié)構(gòu)[19]。主流通道中渦輪級葉型選用高負荷、低展弦比透平葉型，靜葉為30只，動葉為45只，詳細參數(shù)見文獻[20]。其中，輪緣密封軸向間隙比Gc,ax為0.023，盤腔間隙比G為0.087。

圖1 輪緣密封間隙結(jié)構(gòu)二維示意圖

圖2為計算域的網(wǎng)格示意圖。多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由NUMECA-AUTOGRID模塊生成，主流渦輪級流道拓撲結(jié)構(gòu)采用H-O-H結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉片表面采用O型拓撲網(wǎng)格，葉片進出口延伸處以及盤腔結(jié)構(gòu)處為H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。生成網(wǎng)格時保證渦輪級主流通道與渦輪轉(zhuǎn)-靜盤腔內(nèi)在密封間隙處的網(wǎng)格節(jié)點完全匹配，以保證求解精度。

圖2 計算域的網(wǎng)格示意圖

為驗證網(wǎng)格無關(guān)性，研究4種網(wǎng)格密度對端壁冷卻特性的影響，對應的計算域總網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)分別為450萬、412萬、383萬和256萬。驗證工況如下：采用空氣作為工質(zhì)，給定主流進口總壓p0為123 000 Pa，總溫為500 K，主流出口平均靜壓pout為101 325 Pa，冷卻氣流進口質(zhì)量流量qm,seal為0.17 kg/s。給定冷卻氣流進口總溫為300 K，旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。固壁面設置為無滑移絕熱壁面，動靜計算域交界面位置設在渦輪盤上游，連接方式為混合平面。對流項空間差分采用高精度混合格式，湍流模型采用SST模型。當連續(xù)方程、動量方程、能量方程和湍流方程的均方根殘差均達到10-5數(shù)量級，且各計算域進出口質(zhì)量流量不平衡率小于0.1%時，認為計算收斂。圖3給出了冷卻效率隨x/Cax的變化趨勢，其中x為軸向位置，Cax為動葉軸向弦長。從圖3可以看出，當網(wǎng)格數(shù)超過412萬后，氣膜冷卻效率的計算結(jié)果不再隨網(wǎng)格數(shù)的變化而發(fā)生改變，可以認為達到網(wǎng)格無關(guān)的條件，因此采用網(wǎng)格數(shù)為412萬。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2 計算結(jié)果與分析

2.1 冷卻氣流質(zhì)量流量比的影響

冷卻氣流質(zhì)量流量比MR為：

(1)

式中：qm,seal為冷卻氣流質(zhì)量流量；qm,main為主流質(zhì)量流量。

圖4給出了不同冷卻氣流質(zhì)量流量比下動葉端壁氣膜冷卻效率的分布情況。當MR較小時，渦輪盤內(nèi)充壓不足，輪緣間隙大部分區(qū)域處于入侵狀態(tài)，冷卻氣流只能從輪緣密封間隙的低壓流動區(qū)域進入主流通道，冷卻氣流從靠近葉片吸力面的動葉低壓勢位區(qū)進入葉柵通道，且由于冷卻氣流質(zhì)量流量較小，主流入侵渦輪盤時會在渦輪盤內(nèi)對冷卻氣流進行加熱，使得冷卻氣流溫度升高。同時，出流的少量冷卻氣流也極易被主流摻混進而被再次加熱，喪失冷卻能力，具體表現(xiàn)為在動葉前緣處氣膜覆蓋面積較小，冷卻效率較低。

由圖4還可以看出，MR較小時動葉通道內(nèi)無明顯的橫向流動現(xiàn)象。隨著MR增大至1%，冷卻氣流在動葉前緣處的冷卻能力增強，在動葉前緣端壁處冷卻效率和覆蓋面積相比MR較小時均明顯提高，但由于氣流攻角發(fā)生變化，從冷卻氣流痕跡可以清楚觀察到通道內(nèi)的橫向流動現(xiàn)象，冷卻氣流跨過動葉前緣撞擊在下游葉片的吸力面處，隨后被卷入吸力面的馬蹄渦中。當MR繼續(xù)增大至2%，動葉前緣處的冷卻效率進一步提高。由于冷卻氣流過早地被卷入通道渦中，在動葉通道中后弦長區(qū)域無法獲得良好的氣膜保護，此時冷卻效率遠遠低于前緣區(qū)域，即使MR增大至2.5%，這一現(xiàn)象仍存在。為使所有動葉通道均能獲得良好的氣膜保護，需要在動葉通道中后弦長區(qū)域加設氣膜孔結(jié)構(gòu)，或采用冷卻氣流預旋進氣方法進行改善。

(a) MR=0.25%

(b) MR=0.5%

(c) MR=1%

(d) MR=1.5%

(e) MR=2%

(f) MR=2.5%

圖5給出了不同MR下周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布。當MR為0.25%和0.5%時，動葉前緣附近和動葉通道中的冷卻效率均極低，最大不超過0.4。當MR增大至1%時，動葉前緣處的冷卻效率提高，增幅可達0.5，在動葉前緣區(qū)域冷卻效率達到0.8，在葉柵通道中后部(0.4≤x/Cax≤1)冷卻效率仍較低，維持在0.2左右。當MR繼續(xù)增大，雖然動葉前緣處的冷卻效率仍提高，但增幅逐漸減小，且葉柵通道中后部的冷卻效率無明顯改善。當MR達到2.5%時，葉柵通道中后部的冷卻效率僅維持在0.22左右。

圖5 不同MR下周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布情況

MR較小時，冷卻氣流易被摻混加熱，使得動葉前緣處氣膜覆蓋面積較小，冷卻效率較低。存在某一冷卻氣流質(zhì)量流量比限值，當超過該限值時渦輪盤內(nèi)完全充壓封嚴,冷卻氣流沿整個輪緣密封間隙呈出流狀態(tài)，此時氣膜可以較好地覆蓋動葉下端壁前緣區(qū)域。當MR繼續(xù)增大時，動葉前緣區(qū)域的冷卻效率小幅提高，但即使在冷卻氣流質(zhì)量流量比很大的工況下由于受到通道中較強橫向流動的影響，冷卻氣流仍無法使動葉通道中后部端壁區(qū)域獲得良好的氣膜保護。

2.2 冷卻氣流進氣預旋度的影響

取MR為2.5%，冷卻氣流進口溫度為300 K，6個工況的進氣預旋度分別為0、1、2、3、4和5。冷卻氣流進氣預旋度Kβ的定義如下：

(2)

式中：Vt,seal為冷卻氣流進口切向速度；Ω為渦輪盤轉(zhuǎn)速。

圖6給出了不同進氣預旋度下動葉端壁氣膜冷卻效率的分布。隨著進氣預旋度的增大，動葉端壁通道中的氣膜覆蓋面積逐漸增加，當進氣預旋度分別為0、1和2時，冷卻氣流沒有完全覆蓋動葉通道端壁后部，但前緣處的覆蓋面積增加；當進氣預旋度達到3時，由于冷卻氣流以設計氣流攻角進入動葉通道中，冷卻氣流會均勻地流過葉柵通道，因此所有動葉通道均得到良好的氣膜保護，冷卻效率達0.9；當進氣預旋度繼續(xù)增大至4和5時，由于氣流直接沖擊在葉片壓力面處，壓力面附近區(qū)域的冷卻效率進一步提高，但由于正氣流攻角流動的特征，導致氣流在葉片表面出現(xiàn)輕微的流動分離現(xiàn)象，因此在吸力面附近區(qū)域冷卻效率有所降低。

圖7給出了不同進氣預旋度下周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布。隨著進氣預旋度的增大，周向平均氣膜冷卻效率呈先增大后減小的趨勢。當進氣預旋度為3時，周向平均氣膜冷卻效率達到最大，此時冷卻氣流以近設計氣流攻角進入動葉通道。結(jié)果表明，通過增大進氣預旋度，使動葉進口出現(xiàn)正氣流攻角流動，可以有效抑制通道中橫向流將冷卻氣流卷吸進入馬蹄渦進而使渦核抬升的現(xiàn)象，因此可以有效提高動葉通道后部的冷卻效率。此外，通過調(diào)整進氣預旋度使冷卻氣流以設計氣流攻角進入動葉通道，可以獲得最佳的氣膜冷卻特性。

3 結(jié) 論

(1) 冷卻氣流質(zhì)量流量比較小時，渦輪盤內(nèi)充壓不足，輪緣間隙大部分區(qū)域處于入侵狀態(tài)，入侵主流會在渦輪盤內(nèi)對冷卻氣流進行加熱，使冷卻氣流溫度升高，同時出流的少量冷卻氣流也極易被主流摻混而再次被加熱，進而喪失冷卻能力，使得動葉前緣處氣膜覆蓋面積較小，冷卻效率較低。

圖7 不同進氣預旋度下周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布

(2) 存在冷卻氣流質(zhì)量流量比限值，當超過該限值時渦輪盤內(nèi)處于完全充壓封嚴狀態(tài)，此時冷卻氣流將沿整個輪緣間隙呈出流狀態(tài)，氣膜可以較好地覆蓋動葉下端壁前緣區(qū)域。當MR繼續(xù)增大，動葉前緣區(qū)域的冷卻效率進一步小幅提高，但即使在MR很大的工況下，冷卻氣流仍無法使動葉通道中后部端壁區(qū)域獲得良好的氣膜保護。

(3) 采用預旋進氣可以明顯改善動葉中后部端壁區(qū)域的氣膜冷卻特性。隨著進氣預旋度的增大，動葉端壁通道中的氣膜覆蓋面積逐漸增大，當調(diào)整進氣預旋度使冷卻氣流以設計氣流攻角進入動葉通道時，動葉端壁將獲得最佳的氣膜冷卻特性。