淺談渦輪轉子葉片冷卻技術

王旭偉

摘 要 ：隨著生產力的發展，燃氣輪機被廣泛應用于航空、地面動力以及工業生產的各個領域。為了提高發動機輸出功和熱循環效率，渦輪前燃氣溫度仍在逐年提升，目前已遠高于耐高溫材料的極限承受溫度，先進的冷卻技術成為保障渦輪安全可靠工作的關鍵措施。燃氣輪機高溫部件有很多不同的冷卻方式，總的來說，可以分為內部冷卻和外部冷卻。本文對渦輪葉片冷卻方法以及影響其冷卻效果的因素進行闡述，對渦輪葉片冷卻技術進行了總結。

關鍵詞：燃氣輪機;渦輪;冷卻方式;冷卻效果

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.011

1 冷卻方式概述

用于冷卻葉片的氣體來自于壓氣機會導致發動機熱效率和輸出功損失，因此，對于給定的渦輪葉片和工作狀態，我們需要理解冷卻方式并使其優化。毫無疑問，燃氣渦輪冷卻技術仍有復雜、多因素的難點。目前大部分冷卻方案包括前緣冷卻、壓力面和吸力面冷卻和尾部冷卻三個主要冷卻區域。前緣冷卻由沖擊和氣膜冷卻組成;中間區域由含加強肋條曲折內部通道的對流冷卻以及氣膜冷卻;而尾部區域一般通過針狀肋條和狹縫射流冷卻組成。另外轉動對渦輪轉子葉片內部通道熱傳遞有很顯著的影響，而不穩定高湍流因素對氣膜冷卻的影響也很大，這些在后文中有所提及。

總的來說，渦輪葉片的冷卻方式可以分為內部冷卻和外部冷卻。內部冷卻是指在高溫部件內部通入冷卻工質，強化內部換熱，從而吸收高溫部件熱量降低溫度。內部冷卻主要包括肋片擾流冷卻、射流沖擊冷卻、柱肋冷卻以及復合式冷卻。外部冷卻即為氣膜冷卻，由內部通道噴射溫度較低的冷卻工質，從而在高溫部件表面和主流之間形成一層保護膜，隔離高溫燃氣達到冷卻目的。

肋片擾流冷卻通常是在渦輪葉片中部采用的冷卻方式，即將擾流肋片安裝在葉片內部冷卻通道兩側表面，增大冷卻工質與葉片之間對流換熱系數，可以不改變冷卻工質溫度的情況下帶走更多的熱量。這種冷卻方式影響因素主要是通道及肋片的幾何特性（如橫截面形狀、肋片大小、安裝角分布等）和來流馬赫數。

射流沖擊冷卻是將一股高動量冷卻工質通過小孔或狹縫噴射到高溫部件表面，強化局部換熱，主要應用于葉片前緣、吸力面和壓力面局部冷卻，但沖擊冷卻需要在葉片內部鉆孔會削弱其結構強度。影響沖擊冷卻的因素有很多，如射流孔的大小和分布、與目標面之間的距離、冷卻通道橫截面形狀等，另外轉動對沖擊冷卻也有很大的影響。

柱肋冷卻大多用在狹窄的后緣區域。由于加工工藝限制與葉片性能要求，肋片和沖擊冷卻難以在這一區域應用。而柱肋冷卻通過分布垂直于流動方向的擾流柱，增強對冷卻工質的擾動，從而增大對流換熱系數。根據柱肋冷卻中工質流動方向不同，可以分為有狹縫冷卻和無狹縫冷卻。狹縫對葉片尾跡、整體動力性能和冷卻效果都有一定影響，也是設計冷卻系統所需要考慮的環節。

氣膜冷卻的原理最早是Goldstein在1971年提出的，隨著渦輪進口溫度提高，氣膜冷卻得到迅速地推廣，制備工藝上也逐漸完善成形。在典型燃氣輪機工作條件下，氣膜冷卻效果主要取決于兩個方面，一是氣動參數，如冷卻工質與主流的吹風比、密度比、動量比、主流馬赫數等，另一個為幾何形參，如氣膜孔的形狀和位置等。

2 影響因素

2.1 轉動因素對內部冷卻影響

轉動會產生科式力和離心力，進而在內部冷卻通道中出現二次流動，因此，轉子冷卻通道中熱傳遞系數與靜子的完全不同。從最近研究中可以看出，轉動引起的二次流動可以顯著增加一側換熱系數同時減小另一側，這取決于冷卻氣體在通道中的流動方向。如果不考慮轉動因素對冷卻的影響，可能會導致一側溫度很低而另一側溫度過高。另外，轉動效應在葉片的不同位置所影響的效果也存在差異，例如最近有研究關于轉動對前緣沖擊冷卻和尾部針狀狹縫冷卻影響情況，結果顯示轉動對沖擊冷卻有消極作用，原因是轉動使沖擊射流偏離應被沖擊冷卻的表面。

2.2 不穩定擾動對氣膜冷卻的影響

氣膜冷卻是由內部通道噴射溫度相對低的氣體至葉片外表面，從而在葉片和高溫的主流間形成一層保護膜。在典型發動機工作條件下（雷諾數、馬赫數、燃燒室引起的高湍流度及不穩定低能流），氣膜冷卻效果主要取決于冷卻氣體與主流壓力比（吹風比）、溫度比（密度比）、氣膜孔形狀（孔的大小、形狀、角度及排數）和位置（前緣、尾部、壓力面、吸力面、葉根及葉尖）。為了設計高效的冷卻系統，我們有必要理解好渦輪中高溫燃氣真實流動狀態，而渦輪葉片熱傳遞及氣膜冷卻也被研究很多年了。最近研究方向包括了由燃燒室引起的高湍流度燃氣對渦輪靜子熱傳遞影響以及上游不穩定擾動對轉子葉片熱傳遞影響;這些研究中有個重要結論：不穩定的高湍流度對換熱系數分布影響不大，但嚴重減小氣膜冷卻效率。這個結論表明在惡劣的工作環境中，渦輪葉片可能沒有被冷卻氣膜保護。為了更好地研究氣膜冷卻性能，我們要考慮氣膜孔大小、長度、位置、形狀及方向對換熱系數分布的影響，而特定形狀的氣膜孔性能比典型圓柱形的要好。

2.3 氣膜孔形狀對渦輪葉片氣膜冷卻的影響

為了提高冷卻的效果，一種解決途徑是改進冷卻氣膜孔的幾何形狀，冷卻氣膜孔在出口處呈擴展型能提高燃氣渦輪葉片氣膜冷卻的性能。在一定吹風比下，出口擴張型氣膜孔比圓柱形的射流出口速度低，因而動量交換和穿入主流的射流會減少，從而增加氣膜冷卻效率，另外氣膜孔側向面積擴大使得冷卻氣膜更好地覆蓋在葉片表面。國外部分文獻也證實擴張型氣膜孔性能比標準圓柱形的性能好。另外，在相同擾動下，兩種扇形出口氣膜孔對流換熱系數比圓柱型的要低很多，但在轉捩點之后扇形換熱系數要比圓柱型高。換句話說，扇形氣膜孔氣膜冷卻效率比改型扇形孔要高，而改型扇形孔又比圓柱孔效率高的多。兩種扇形氣膜孔使得沿翼展平均傳熱量減小，就是說更好地保護葉片表面，尤其是在有擾動的條件下。

3 總結

本文從工作方式、工作機理、影響因素三個方面對渦輪葉片先進冷卻技術進行了概述，對各異的冷卻結構進行了分類，并分析了影響其冷卻效果的各種因素，為燃氣輪機以及航空發動機渦輪葉片結構設計者在確定冷卻結構時提供了參考。

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