李月茹，何 磊，趙連會

(上海電氣燃氣輪機有限公司，上海200240)

為了提升燃氣輪機的熱效率和輸出功率，透平進口溫度不斷增加。隨著來流溫度的提高，透平葉片承受的熱負荷越來越大。由于葉柵內(nèi)的流動換熱規(guī)律和葉片本身的結(jié)構(gòu)特點，動葉葉頂往往是葉片上溫度最高的區(qū)域。由于存在葉頂間隙和復(fù)雜的二次流，葉頂區(qū)域的流動和傳熱設(shè)計存在一定難度。如果動葉葉頂冷卻設(shè)計不佳，就可能造成葉頂區(qū)域的涂層過早剝落，嚴重時可能造成金屬基材燒蝕，增加檢修服務(wù)的成本。因此隨著透平進口燃氣溫度的不斷提高，對動葉葉頂展開冷卻優(yōu)化設(shè)計研究尤為重要。

透平葉片葉頂區(qū)域的流動換熱相當復(fù)雜，近年來研究人員已獲得一些研究成果。Ameri等[1]通過實驗和計算相結(jié)合的方式研究了第1級透平葉片葉頂傳熱系數(shù)的分布規(guī)律。O’Dowd等[2]通過實驗手段研究跨聲速下直列葉柵中透平葉頂?shù)谋砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)和絕熱壁溫。劉亮亮等[3]在低速渦輪實驗臺上采用萘升華技術(shù)對平葉頂和凹槽葉頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)進行了實驗測量，發(fā)現(xiàn)采用凹槽結(jié)構(gòu)將影響葉頂泄漏流動，從而改變?nèi)~頂局部區(qū)域的換熱分布。Li等[4]研究了葉頂凹槽內(nèi)泄漏流的發(fā)展規(guī)律。張魏等[5]提出在凹槽葉頂離散排布小隔板迷宮，可顯著擴大葉頂冷卻范圍，提高其冷卻效率和均勻性。Mhetras等[6]的研究表明，尾緣劈縫能明顯提高尾緣附近的冷卻效率，凹槽底、凹槽的內(nèi)壁面和邊緣上的冷卻效率隨著凹槽深度的增加而增加。王維杰等[7]通過實驗研究尾切凹槽狀渦輪葉片葉頂?shù)谋砻鎿Q熱，通過瞬態(tài)風洞實驗得到無冷卻和帶冷卻孔2種情況下的葉頂傳熱系數(shù)。O’Dowd 等[8]提出一種動葉葉頂重構(gòu)并設(shè)置氣膜孔的結(jié)構(gòu)，使用紅外測試技術(shù)測量葉頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)及氣膜冷卻效率。Kwak等[9]通過瞬態(tài)液晶技術(shù)研究了帶氣膜冷卻的動葉葉頂，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)和氣膜冷卻效率隨著葉頂間隙的增加而增加。隨著吹風比的增加，傳熱系數(shù)降低，氣膜冷卻效率提高。Yang等[10]在平葉頂和凹槽葉頂上分別進行了氣膜孔的排布設(shè)計研究。

本文針對透平動葉葉頂結(jié)構(gòu)，基于葉頂區(qū)域的流動換熱特點，提出3種葉頂氣膜冷卻設(shè)計方案，展開流熱耦合分析計算，獲得各個氣膜設(shè)計方案下動葉葉頂區(qū)域的冷卻換熱特性。通過對比各葉頂氣膜冷卻方案帶來的冷卻效果，獲得最佳的葉頂氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，研究成果可為后續(xù)的葉頂?shù)睦鋮s設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值分析

1.1 幾何模型

無葉頂氣膜孔的原型葉片及葉頂結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 原型葉片及葉頂結(jié)構(gòu)

本文提出3種葉頂氣膜冷卻設(shè)計方案，期望通過葉頂區(qū)域的冷氣射流，達到有效降低葉頂溫度的效果，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a)方案1

方案1在葉頂凹槽平面的前部設(shè)置直徑較大的冷氣孔，在中弦直至尾緣靠近吸力面內(nèi)側(cè)的位置開設(shè)氣膜孔排，在葉頂壓力面外側(cè)的中弦至尾緣區(qū)設(shè)置氣膜孔排。

方案2在葉頂壓力面外側(cè)全弧長范圍設(shè)置氣膜孔排，考慮冷氣疊加效應(yīng)，從前至后孔間距逐漸增大?？紤]分離影響，在葉頂吸力側(cè)前緣至喉口的區(qū)域加開氣膜孔排，在葉頂凹槽平臺內(nèi)沿中弧線設(shè)置帶傾斜角度的冷氣出流孔。

方案3在葉頂壓力面全弧長范圍及吸力面前緣至喉口區(qū)域布置氣膜孔排，在葉頂凹槽平面的前部設(shè)置直徑較大的冷氣孔，在中弦直至尾緣靠近吸力面內(nèi)側(cè)的區(qū)域設(shè)置氣膜孔排。

1.2 數(shù)值計算方法及邊界條件

本文采用流熱耦合方法進行計算，注重熱量交換的動態(tài)過程。本文通過流體固體交界面上的熱流密度和溫度的耦合展開計算，計算結(jié)果能準確反映流體域和固體域之間的相互影響。依托交界面、網(wǎng)格面與單元換熱面間的插值，傳遞溫度及熱流信息。根據(jù)工程計算精度要求，選擇SSTk-ω湍流模型，開啟自動壁面條件，保證壁面與近壁自由流剪切層之間的求解精度。葉片轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min。主流和冷卻氣體設(shè)為具有恒定比熱的理想氣體?；谌細廨啓C運行設(shè)計工況下的參數(shù)，在CFX軟件中給定主流進口總溫、總壓、氣流角、出口靜壓及冷氣進口總溫、總壓，通過求解質(zhì)量、動量、能量方程以及雷諾輸運方程，計算各冷卻設(shè)計方案中的溫度場，獲得葉頂間隙內(nèi)的流動換熱特性。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文的研究對象包含葉頂凹槽、氣膜孔等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小尺寸幾何模型?？紤]網(wǎng)格精度及工作量，在ICEM15.0中完成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分工作，計算域包括冷氣域、燃氣域和固體域。通過局部加密網(wǎng)格以及設(shè)置近壁區(qū)域的邊界層網(wǎng)格，完成網(wǎng)格劃分工作。計算網(wǎng)格如圖3所示。對生成的網(wǎng)格進行質(zhì)量檢查，網(wǎng)格正交性滿足計算要求。生成網(wǎng)格總單元數(shù)6 300萬，壁面第1層網(wǎng)格的y+值控制在1以內(nèi)。

圖3 計算域網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 無葉頂氣膜冷卻葉片的換熱特性

對葉頂進行氣膜冷卻優(yōu)化設(shè)計前，為獲得葉頂區(qū)域的流動換熱特性，首先對原型葉片展開數(shù)值計算，作為冷卻優(yōu)化的基準。無氣膜冷卻的葉頂表面相對溫度如圖4所示。由于該結(jié)構(gòu)無局部冷卻，因此葉頂附近的溫度水平明顯高于葉身其他區(qū)域的溫度水平。其中，由于葉片吸力面燃氣流速高，換熱強烈，葉頂吸力面中弦區(qū)熱載荷大，溫度更高。此外，由于冷氣由葉根進入內(nèi)冷通道后與壁面存在熱交換，且沿程存在氣膜出流，使流至尾緣的冷氣量降低，溫度升高，導(dǎo)致葉頂尾緣也是相對高溫的位置。

注：T為壁面溫度；Tg為燃氣溫度；Tc為冷氣溫度

圖5為葉頂區(qū)域(葉頂凹槽平面、葉頂壓力面、葉頂吸力面)的相對傳熱系數(shù)分布。可以看出，在葉頂凹槽內(nèi)，高傳熱系數(shù)區(qū)域位于凹槽前緣、吸力面內(nèi)表面30%弧長位置，以及凹槽內(nèi)近吸力面40%弧長至尾緣區(qū)域。在葉頂壓力面外側(cè)，傳熱系數(shù)較高，從前緣至尾緣呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在葉頂尾緣劈縫處的傳熱系數(shù)達到最大。在葉頂吸力面外側(cè)，傳熱系數(shù)整體水平較低，僅在前緣附近傳熱系數(shù)較高。高傳熱系數(shù)往往對應(yīng)局部的高溫，所以強換熱區(qū)域是進行氣膜冷卻設(shè)計的理想位置。圖6為葉頂凹槽內(nèi)三維流線圖。氣流在凹槽內(nèi)部卷吸、發(fā)展并與主流摻混，由葉頂越過，形成泄漏流。該流動特性印證了圖5傳熱系數(shù)的規(guī)律，劇烈的摻混、卷吸作用使局部區(qū)域產(chǎn)生高溫和強換熱的現(xiàn)象。

圖5 原型的葉頂傳熱系數(shù)分布

圖6 三維流線

2.2 方案1的葉頂冷卻換熱特性

基于圖4、圖5所示的葉頂相對溫度和傳熱系數(shù)分布特點，針對高熱載荷區(qū)，提出葉頂氣膜冷卻設(shè)計方案1，結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖7為方案1的葉頂溫度分布云圖。對比原型，方案1在葉頂中弦區(qū)的冷卻效果突出，除前緣及尾緣外，葉頂大部分區(qū)域溫度降低明顯。圖8為葉頂傳熱系數(shù)分布云圖。可見，隨著冷氣由凹槽前緣3個冷氣孔流出，葉頂凹槽內(nèi)中弦區(qū)被低溫氣體大面積覆蓋，高換熱區(qū)的面積減少，主要集中在葉頂前緣與尾緣位置。但是，葉頂凹槽前緣孔的冷氣出流誘發(fā)葉頂泄漏流提前越過，導(dǎo)致葉頂吸力面前緣換熱反而提高，使該設(shè)計方案下的葉頂溫度梯度較大。

圖7 方案1的葉頂溫度分布

圖8 方案1的葉頂傳熱系數(shù)分布

表1為原型及方案1的冷氣消耗量，發(fā)現(xiàn)方案1帶來葉頂冷卻效果顯著提高的同時，冷氣量有所上升。為降低冷氣增量，進一步改善葉頂溫度分布的均勻性，提出葉頂氣膜冷卻方案2。

表1 原型及方案1冷氣消耗量

2.3 方案2的葉頂冷卻換熱特性

基于無葉頂冷卻結(jié)構(gòu)及方案1的葉頂流動換熱特點，方案2首先在葉頂吸力面前緣附近增加氣膜孔?？紤]葉頂凹槽內(nèi)冷氣分布的均勻性，在凹槽內(nèi)沿中弧線從前向后設(shè)置4個冷氣孔，并在葉頂壓力面外側(cè)全弧長設(shè)置氣膜孔。圖9為方案2結(jié)構(gòu)中的葉頂三維相對溫度分布，該氣膜設(shè)計下的葉頂前緣及壓力面表面溫度降低，溫度分布更加均勻。但方案2對葉頂吸力面中弦及尾緣這2個區(qū)域的冷卻保護作用相對較小，壁面溫度水平較高。圖10為方案2設(shè)計下的葉頂相對傳熱系數(shù)分布。對比原型及方案1，可見方案2葉頂凹槽內(nèi)的傳熱系數(shù)分布更均勻。凹槽內(nèi)冷氣孔的排布設(shè)計改善了葉頂出流狀態(tài)，使方案1中泄漏流提前越過的現(xiàn)象消失了，降低了葉頂吸力面前緣附近的高溫。

圖9 方案2的葉頂溫度分布

圖10 方案2的葉頂傳熱系數(shù)分布

表2為原型與方案2設(shè)計中的冷氣消耗量，可以發(fā)現(xiàn)，對比方案1，方案2的冷氣增量百分比降低一半。

表2 原型及方案2冷氣消耗量

2.4 方案3的葉頂冷卻換熱特性

綜合上述2種設(shè)計思路，對葉頂氣膜冷卻方案進一步優(yōu)化，提出葉頂氣膜冷卻方案3。圖11為方案3的葉頂氣膜設(shè)計下的相對葉頂溫度分布，可見在葉頂前緣、壓力面、吸力面設(shè)置的氣膜孔所產(chǎn)生的熱沉效應(yīng)及氣膜覆蓋效果很好地保護了葉頂前緣，降低了該區(qū)域的換熱強度。由葉頂凹槽前部的冷氣孔噴出的低溫射流直接沖擊葉頂吸力面內(nèi)側(cè)高熱載荷區(qū)，改善了局部高溫。而在凹槽內(nèi)的中弦區(qū)域，由于存在氣膜孔排設(shè)計，加之前部的冷卻氣流流經(jīng)此處，形成冷氣覆蓋，因此葉頂中后部受到了較好的冷卻保護作用。圖12為方案3設(shè)計中的葉頂區(qū)域相對傳熱系數(shù)，可見方案3中的葉頂傳熱系數(shù)分布均勻，葉頂承受的熱載荷降低。表3為方案3設(shè)計所帶來的冷氣消耗量，可以發(fā)現(xiàn)，方案3與方案2的冷氣消耗量相同，均比方案1的冷氣增量百分比降低一半。

圖11 方案3的葉頂溫度分布

圖12 方案3的葉頂傳熱系數(shù)分布

表3 原型及方案3冷氣消耗量

2.5 葉頂氣膜冷卻方案比較

表4以原型的葉頂平均溫度作為基準，將方案1、方案2、方案3的葉頂平均溫度與之比較，發(fā)現(xiàn)增加葉頂氣膜孔設(shè)計可大大降低葉頂?shù)臏囟人?，降溫幅度可超過70 K。葉頂溫度分布比較情況如圖13所示。由圖13可發(fā)現(xiàn)，對比原模型，方案1葉頂溫度在前緣并未下降，吸力面前緣溫度略微升高，從20%弧長開始至尾緣溫度低于原型，特別是25%至90%弧長，降溫幅度超過50 K。將方案2與原型對比可見，前緣區(qū)域的降溫幅度約100 K，中弦至90%弧長區(qū)域的表面降溫幅度超過50 K，且冷氣增量百分比為方案1冷氣增量百分比的一半。方案3結(jié)合了方案1、2的設(shè)計特點，在冷氣消耗量等同于方案2的條件下，前緣、中弦直至90%弧長的區(qū)域均有75 K左右的降溫程度，降溫幅度大，且溫度分布均勻。表5列出原型、方案1、方案2、方案3的冷氣消耗量，對比原型，各方案的冷氣增量百分比均不超過2%?；谌~頂冷卻效果、溫度分布均勻性、冷氣量等綜合考慮，方案3為最佳葉頂冷卻設(shè)計方案。

表4 葉頂平均溫度降低值

表5 冷氣消耗量比較

圖13 葉頂溫度分布比較

3 結(jié) 論

針對葉頂高溫問題，本文首先通過流熱耦合方法獲得葉頂區(qū)域的流動換熱特性，針對高熱載荷區(qū)，提出3種葉頂氣膜冷卻設(shè)計方案，并分析各氣膜冷卻方案設(shè)計下的葉頂冷卻效果以及相應(yīng)的冷氣消耗量，得到以下結(jié)論：

1)由葉頂相對溫度和傳熱系數(shù)分布可見，高熱載荷區(qū)集中在葉頂凹槽前緣、凹槽中弦靠近吸力面內(nèi)側(cè)以及葉頂尾緣；

2)在冷氣增量百分比不超過1%的情況下，葉頂氣膜冷卻方案3是最佳設(shè)計，葉頂平均降溫幅度可達83 K，既保證了葉頂前緣及中弦區(qū)的冷卻效果，同時其葉頂區(qū)域的溫度分布也是3種方案中最為均勻的；

3)通過葉頂氣膜冷卻設(shè)計方案的研究，發(fā)現(xiàn)僅增加葉頂氣膜孔對葉頂尾緣的冷卻效果影響較小，后續(xù)可結(jié)合內(nèi)部流道的優(yōu)化設(shè)計，進一步改善葉頂?shù)母邷厍闆r，使溫度分布更加均勻。