燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬的研究

郭靖

（杭州大路實業(yè)有限公司，浙江 杭州 311200）

當前人們經(jīng)常采用“升溫提效”的方式，即通過升高渦輪前燃氣溫度，使得渦輪效率能夠得到大幅提升并具有較高的推重比。但由于葉柵材料自身的耐熱性能較為有限，因此，需要設(shè)計燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對葉片的有效溫控，以此確保其能夠長時間地實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行。而隨著我國科學技術(shù)水平的持續(xù)提升，數(shù)值模擬的方式得到了廣泛普及使用。因此，本文著重圍繞燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬，力求能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪葉片冷卻效果的最優(yōu)化。

1 燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

在進行燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要準確獲取原始渦輪導葉葉型和子午型線的參數(shù)，以及進出口的燃氣參數(shù)等初始參數(shù)，在此基礎(chǔ)上確定基本的燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)。通過利用單元設(shè)計法，結(jié)合具體的設(shè)計要求對部分參數(shù)進行合理調(diào)控，在完成冷氣氣路管網(wǎng)以及三維溫度場的計算之后，立足實際情況對其進行相應調(diào)整，而后通過采用氣熱耦合數(shù)值模擬的方式實現(xiàn)在短時間內(nèi)完成冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計與生成目標。

2 計算說明

為更好地分析研究燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，本文將選擇某燃氣渦輪機，該渦輪機進口采用的是第一級導向葉片共計46片。而考慮到葉片長期需要面臨高溫燃燒的工作環(huán)境，因此在與相關(guān)設(shè)計標準要求進行結(jié)合之后，其葉片壁面許可無量綱溫度需要嚴格控制在0.887以內(nèi)，冷氣流量則不應超過127g/s。為此，通過采用管網(wǎng)計算和三維導熱計算的方式，能夠準確獲取溫度在葉片表面的具體分布情況和網(wǎng)格布點數(shù)等眾多計算結(jié)果，為燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供幫助。其中，在管網(wǎng)計算中通過利用連續(xù)性方程式節(jié)電能量方程計算方程，并將相關(guān)參數(shù)數(shù)值依次代入其中，從而可以得到葉片表面上具體的溫度分布情況。而為了有效提升溫度場的精確度和計算效率，本文在設(shè)計燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)的過程中還同樣采用了三維導熱計算的方式，利用專門的計算軟件，在排除影響控制方程的對流與擴散項進而準確完成網(wǎng)格劃分，明確葉片的三維溫度分布，使得計算效率能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上得到進一步提高。事實上，通過查閱大量相關(guān)研究人員的文獻資料之后，發(fā)現(xiàn)在使用三維導熱計算方法下，背弧和葉盆位置處將均勻分布低溫，而在葉片的吸力側(cè)尾部和前緣等位置處則出現(xiàn)了明顯的高溫，熱應力集中的情況非常面明顯。

3 燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值模擬

3.1 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文在設(shè)計燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)的過程中，選擇運用專門的軟件高效精準地計算出三維氣熱耦合，同時運用包括 k-ωS ST 等在內(nèi)的相關(guān)模型，將葉片表面和上下壁端的y+值分別控制在3和8以內(nèi)，在給定進口總壓和背壓并將進口湍流度設(shè)置為5%之后，運用UG建模搭配編程的方式，設(shè)計出燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)。在設(shè)計過程中，本文并非只局限于一種冷卻方式，而是分別采用了包括沖擊和氣膜冷卻等在內(nèi)的幾種不同的冷卻方式，以達到降低葉片表面溫度、均勻分配冷氣流量等目的。

在葉片的前緣位置處設(shè)計布置七列氣膜孔，將孔方向和法向量在徑向與弦向上的夾角分別設(shè)定為α與β，則第一列中的22個氣膜孔的直徑均為1.1mm，α為0°，β為15°；第二列中的22個氣膜孔的直徑均為0.7mm，α為0°，β為35°；第三列和第五列的氣膜孔直徑均為0.8mm，數(shù)量均為14個，α和β分別為60°和0°；第四列和第六列的氣膜孔雖然直徑相同，但第四列共有15個氣膜孔，α為60°，β為0°；而第六列則有22個氣膜孔，α和β分別為0°和10°；最后一列共有22個氣膜孔，孔直徑為1.1mm，α為0°，β為57°。將沖擊套筒安裝在葉片頭部位置的空腔當中，用于阻止燃氣出現(xiàn)倒灌的情況。除此之外，在接近前緣和葉片弦向的中間位置處分別設(shè)置一個隔板，并將其葉片、沖擊套筒相互連接，利用人為構(gòu)造獨立區(qū)域的方式對空腔當中的氣流流動進行有效控制。傾斜布置分割前后腔隔板之后，在其上設(shè)置兩列節(jié)流孔，進而有效起到分流冷氣的作用。經(jīng)由尾部葉片進入到內(nèi)腔的冷氣，將分別從設(shè)計的沖擊孔和節(jié)流孔中流出，前緣葉片的表面在經(jīng)由沖擊射流的沖刷之后，氣流通過氣膜孔后會在葉片表面位置處覆蓋一層氣膜。

3.2 劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

在運用專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件下，借助軟件自身的劃分功能，對燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)中的域明確劃分成流體域和固體域，其中前者采用的是六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的方式，而后者采用的是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的方式。根據(jù)燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計要求可知，總共需要生成大約450萬的網(wǎng)格，并且第一層網(wǎng)格的厚度不得超過5～10m。在設(shè)計的燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)當中的氣膜孔、節(jié)流孔等當中增加O型網(wǎng)格，流體域和固體域的邊界位置處需要進行加密處理。網(wǎng)格質(zhì)量控制需要至少保持0.2，否則將對后續(xù)的數(shù)值計算精確性產(chǎn)生相應影響。

3.3 冷卻效果分析

在三維導熱計算下，吸力面的最值分別為0.822和0.569，平均值則為0.705；而壓力面的最值則分別為0.809和0.579，平均值為0.642。葉片表面無量綱的平均溫度值為0.68，主流燃氣無量綱進口溫度為0.997，冷卻氣流無量綱進口溫度為0.501。按照主流燃氣無量綱進口溫度與葉片表面無量綱平均溫度的差值和主流燃氣無量綱進口溫度與冷卻氣流無量綱進口溫度的差值作比的方式計算冷卻效率，可知在三維導熱計算中得到的冷卻效率為0.639。而在氣熱耦合計算當中，吸力面的最值分別為0.849和0.582，平均值則為0.677；而壓力面的最值則分別為0.832和0.602，平均值為0.67.葉片表面無量綱的平均溫度值為0.674，主流燃氣無量綱進口溫度以及冷卻氣流無量綱進口溫度則與之前相同，分別為0.997和0.501；氣熱耦合計算下的冷卻效率則為0.651。通過對獲取的模擬數(shù)值進行進一步的分析比對即可得知，兩者計算溫度差和冷卻效率差分別為0.9%和1.8%，基本能夠?qū)θ~片表面溫度進行準確估計。而在葉片表面溫度分布上，前緣葉片擁有良好的冷卻效果，在七列氣膜孔的設(shè)置和隔板的布置之下，氣膜基本上實現(xiàn)了葉片表面的全覆蓋，進而使得前緣葉片的表面溫度相比之前明顯下降。設(shè)置在腔內(nèi)的隔板使得冷卻氣流能夠逐漸向尾部進行分流，因此每一列的氣膜孔當中幾乎擁有完全相等的冷氣流量。綜合來看，位于首尾兩端的首列和第七列氣膜孔冷氣流量明顯減少，而其余氣膜孔的冷氣流量增相應增加，因此不僅有效實現(xiàn)了冷氣流量的均分，同時也可以防止過大的冷氣流量進入到主流區(qū)當中，在同主流相互混合之下產(chǎn)生不必要的損失。

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可以得知氣熱耦合和三維導熱下的葉片表面無量綱平均溫度差只有不到1%，其他的計算結(jié)果也基本相同。特別是在設(shè)置了隔板之后，腔內(nèi)中的冷氣橫向串流得到有效控制，沖擊冷卻效果得到進一步強化，冷卻效率提升幅度明顯。而葉片表面上均勻分布的溫度也顯示出葉片表面溫度不僅得到有效降低，且平緩的變化趨勢也有效規(guī)避了熱應力集中的情況出現(xiàn)。在本文設(shè)計的燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)當中雖然使用了不同的冷卻方法，并且在壓力側(cè)尾緣根部處確實出現(xiàn)了高溫區(qū)，但在管網(wǎng)以及三維導熱計算之下，高溫區(qū)的溫度值最低，而這可能與管網(wǎng)計算精度不足有關(guān)。在到網(wǎng)格劃分數(shù)目以及經(jīng)驗公式等多重因素的影響下，管網(wǎng)計算的精度值相對較低，進而對三維導熱計算也產(chǎn)生了相應的影響。

4 結(jié)語

本文通過對燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計進行初步探究，綜合運用了包括沖擊和氣膜等在內(nèi)的各種冷卻法，證明了三維導熱計算對于燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計具有極大的幫助作用。本文設(shè)計的綜合型燃氣渦輪導葉冷卻結(jié)構(gòu)擁有0.651的高冷卻效率，特別是在將前緣處的三列氣膜孔的冷卻流量進行適當增加，同時將與之距離較遠的冷氣流量適當減小之后實現(xiàn)了冷氣的均勻分配，對于優(yōu)化燃氣渦輪導葉冷卻效果起到了良好的輔助效果。

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