渦輪葉片微小通道氣膜新型復合冷卻結構設計

孫紀寧 鄧 晶 鄧宏武

(北京航空航天大學 航空發動機氣動熱力重點實驗室，北京100191)

冷卻問題一直是航空發動機葉片設計中的難點和關鍵［1］.我國發動機發展的多年實踐證明，要實現發動機設計制造方面的諸多問題的徹底解決，探索我國獨有的冷卻結構和冷卻方案將是新一代冷卻技術的主要研究內容.

微通道換熱器是一種新興的換熱技術，已經在生物、航天、化學等領域得到廣泛的應用，認識到微小通道的流動與換熱的優勢［2－4］，北航旋轉換熱課題組首次提出了將微小通道應用在整體葉片冷卻系統中.聞潔、趙桂林［5］在綜合流向微槽表面流動及傳熱特性的基礎上，結合渦輪葉片冷卻通道內的流動和換熱特性，提出了將流向微槽表面應用于渦輪葉片的冷卻通道中;劉慶東［6］等人的研究發現，在相同傳送功率的條件下，微小矩形通道的綜合換熱效果要大于光通道以及交錯肋的綜合換熱效果;馬世巖等人［7］通過計算發現，微小通道開槽后的平均換熱努塞爾數Nu和阻力系數與開槽前的原型相比只有略微下降，并沒有明顯的改變.渦輪葉片系統熱防護技術發展了幾十年，期間最為成功和重要的技術之一就是氣膜冷卻，其在提高渦輪前溫度、節省冷卻氣體用量方面具有重要的作用，一種新型式的冷卻系統不能摒棄此類關鍵技術.

因此，本文首次提出了將微小通道新型冷卻結構和傳統的氣膜冷卻形式結合起來，形成渦輪葉片新型復合冷卻結構.提出微小通道氣膜新型復合冷卻結構，并將微小通道和氣膜孔進行結構組織，如何高效組織冷卻氣體從而形成渦輪葉片內空氣系統是本文的主要研究內容，本文通過設計幾種微小通道和氣膜的復合導向葉片冷卻結構，并在初始設計模型的基礎上不斷進行優化，提出了將微小通道的直通道改為分枝通道的特色結構，通過與葉片的鑄冷結構［8］進行對比，進一步確定微小通道冷卻整體方案的可行性和其優缺點.

1 數值計算

1.1 研究對象

本文主要工作是研究將微小通道和氣膜冷卻的復合結構應用于渦輪葉片中部.鑄冷結構是近年來一種高效的冷卻結構形式，但是其流動的布置結構往往會損壞葉片的強度，本文通過與該冷卻結構進行對比，研究了新型復合冷卻結構的優點.

本文研究對象為典型渦輪一級導向葉片，前緣采用傳統的氣膜冷卻方式，為了消除葉片尾部的傳熱對葉片溫度的影響，忽略葉片尾部的固體傳熱，在葉片的葉盆和葉背中部區域，采用了微小通道和外部氣膜結合的復合冷卻結構，通過微通道內部的強化換熱冷卻以及外表面的氣膜冷卻來滿足葉片冷卻的要求(如圖1所示).對比該導向葉片的鑄冷結構，其在葉盆和葉背處各采用的七組“沖擊-氣膜”微型冷卻結構(如圖2所示)，本文冷卻結構也采用7組“微小通道-氣膜”冷卻方式，在微小通道處采用的是微小通道和隔斷肋相結合的冷卻結構.

圖1 新型冷卻結構圖

圖2 傳統鑄冷葉片模型

對于微小通道，流動和傳熱的邊緣效應和端部效應特別明顯，從而影響其流動和傳熱，它的三維效應不能簡化為二維或一維問題來處理［9］.因此本文采用全葉片計算，為了節省計算資源，本文截取了葉盆靠近前緣處的一組內部冷卻典型單元(圖3)，其他組的冷卻結構與截取的一組冷卻結構完全相同，近似的認為沿著葉盆的弦向其具有周期性結構.

圖3 一組典型單元模型

1.2 計算工況和邊界條件

為了對比鑄冷葉片，新型復合冷卻結構和鑄冷結構采取相同的計算工況.參照渦輪導向器葉片的典型工作環境，給定主燃氣通道的入口溫度，燃氣入口總壓，微小通道入口的冷氣流量，冷氣入口的總流量，主燃氣通道出口給定靜壓.

計算模型中，葉柵的主流道為周期性結構，因此流道的兩個面為周期性邊界條件.

1.3 評價標準

評價一個冷卻結構的好壞，通常引入冷卻效率作為評價標準.在相同的冷氣流量下，冷卻效率越高，說明其冷卻結構越好.

本文中冷卻效率:

其中，ηP為冷卻效率;Tg為主燃氣流的進口溫度;Tc為冷卻氣流的進口溫度;Tp為葉盆計算區域的平均溫度.

在強化換熱的同時，往往會增加系統中流體的流動壓降，所以探討換熱技術在提高換熱效果的同時，也要兼顧為增加壓降付出的代價，引入ΔP來評價，ΔP表示從微小通道進口到氣膜孔出口的壓力損失.

1.4 計算域和計算網格

計算域包括主燃氣和內部冷卻氣體，前緣和葉盆計算處的固體區域，運用流固耦合的傳熱計算.本文的計算網格采用六面體網格(如圖4～圖6所示).對比不同網格密度的計算結果，進行了網格無關解的分析.綜合考慮，最終計算選取了節點數約為300萬.

圖4 全局網格示意圖

圖5 氣膜孔局部網格

圖6 微小通道局部網格

2 復合冷卻結構設計

2.1 結構設計

微小通道冷卻結構在渦輪葉片中部的應用，采用的是微小通道和隔斷肋相結合的冷卻結構，而微小通道和氣膜孔的復合結構，涉及到如何安排氣膜孔和微小通道的相對位置，從而有效地組織冷卻氣體.對于葉片中部氣膜孔的位置布置，采用了兩種結構方案.

圖7模型一結構中，對渦輪葉片葉盆進行冷卻的氣體首先進入葉片中部的微小通道，在微小通道內進行對流換熱，之后再轉折進入葉片中部的空腔，隨后冷卻空氣從葉盆處的氣膜孔流出.

圖8模型二結構中，冷卻葉盆的部分冷卻空氣直接從氣膜孔流出，另一部分冷卻空氣進入葉片中部的微小通道，在微小通道內進行換熱的同時，冷氣就從氣膜孔流出，在葉片表面進行氣膜冷卻.這種結構可以將氣膜孔布置在需要的位置.

圖7 模型一

圖8 模型二

針對這兩種模型，設計了以下幾種結構(表1，圖9)并對各種結構進行了數值計算.

表1 結構設計

2.2 結果分析

2.2.1 模型一各結構分析結果

圖9 3種進氣結構示意圖

圖10 模型一結構A葉盆熱表面冷卻效率云圖

圖11 模型一結構B葉盆熱表面冷卻效率云圖

圖10和圖11顯示，直通道進氣方式的冷卻效率最高，但是由于微小通道的強化換熱作用，當冷氣流至葉片頂端時，使得在靠近葉頂部位的葉片溫度比較高，冷卻效率比較低，葉根與葉頂的溫度相差較大，熱應力分布不均勻.分枝結構，通過弱化葉根部位的強化換熱，適當地降低了冷氣流至葉片頂端的溫度，從而使得葉片溫度分布較均勻.兩端進氣的方式，使得沿著整個葉片的溫度都較均勻，但此結構是在葉片內壁的中部將葉片進行隔斷，對葉片的強度要求較高.當冷氣經微小通道流至葉頂時，由于直通道比分枝通道的換熱效果強烈，所以從葉頂翻入冷氣腔時，直通道的冷氣溫度比分枝通道的冷氣溫度高，導致直通道氣膜孔出口的溫度高于分枝形式，這樣又降低了氣膜冷卻效率.所以新型冷卻結構的冷卻效率，是氣膜冷卻和微小通道綜合影響的結果.

圖12和圖13顯示，直通道的冷卻效率沿著葉高方向是逐漸降低的，對于分枝結構，在分叉處隨著小通道數目的增多，冷卻效率明顯增強，這是由于隨著小通道數目的增多，隔斷肋的數目也隨之增多，小通道的強化換熱作用以及隔斷肋的導熱作用使得換熱明顯增強.圖中z表示葉片高度，ηP表示葉盆冷卻效率.

圖12 結構A熱表面冷卻效率圖

圖13 結構B熱表面冷卻效率圖

圖14顯示，微小通道的冷卻效率明顯高于鑄冷葉片.對比結構A和結構B，可以看出結構B的冷卻效率明顯優于結構A.一方面隨著小通道長寬比的增加，隨即增加了隔斷肋的長寬比，增強了肋片的導熱效果，另一方面，隨著微小通道數目的增多，冷氣的換熱面積也增加，從而提高了冷氣的冷卻效率.但是隨著小通道長寬比增加的同時，葉片的重量會相應的增大.

圖14 模型一冷卻效率對比圖

圖15顯示出分枝結構的壓力損失小于直通道.對于結構A和結構B，其兩種結構的分枝結構都比直通道的冷氣進口流通面積大，從而引起進口速度和進出口壓降的降低.從圖中還可知，兩端進氣結構的壓差最小.結構B是將結構A中的5個小通道改為6個小通道，在保證總的冷氣流量不變的前提下，降低了每個小通道中流入的冷氣流量，同時也加大了冷氣的流通面積，降低進口速度，從而使得壓降減小.

圖15 模型一壓力損失對比圖

分析結構A和結構B，對于將氣膜孔開在肋片上的微小通道來說，冷卻效率都要高于鑄冷葉片，但是壓損都大于鑄冷葉片，對于模型一，壓力損失主要包括3部分，分別是微小通道內部的沿程損失、從微小通道翻轉冷氣腔的局部損失、從冷氣腔入氣膜孔的局部損失.分析這兩種模型，主要的壓力損失集中在從微小通道進入冷氣腔的局部壓力損失過程，因此提出了模型二.

2.2.2 模型二各結構分析結果

對比模型一，模型二將微小通道翻轉入冷氣腔的過程去掉，將少量的氣膜孔直接加工在微小通道處，當冷氣從微小通道流至葉頂時，冷氣已從氣膜孔排出.為了保證在微小通道處葉盆溫度的均勻性，在葉盆前端布置一排氣膜孔(見圖16).

圖16 模型二結構設計圖

圖17顯示，模型二各結構比模型一各結構的冷卻效率低，模型二中，冷氣分為兩部分，一部分通過前排的氣膜孔對葉盆進行氣膜冷卻，另一部分冷卻空氣通過微小通道來進行強化換熱，冷氣的冷卻效率是由氣膜冷卻和微小通道共同作用的結果.模型二中，從氣膜孔只通入一半冷氣流量，此外通過微小通道的冷氣流量也比模型一少，減弱了微小通道內部的強化換熱作用.改變氣膜冷卻和微小通道通入的冷氣流量分配比，會得到不同的冷卻效率.圖18顯示，模型二的壓力損失小于模型一，這是由于模型二沒有冷氣轉入冷氣腔的過程，壓力損失主要集中在微小通道內部的沿程損失中.

圖17 各結構直通道冷卻效率對比圖

圖18 各結構直通道壓力損失對比圖

3 結論

本文構建了一種微小通道和氣膜新型復合冷卻結構，從數值模擬的結果得到以下結論:

1)新型復合冷卻結構可以對葉片進行有效地冷卻，冷卻效率遠高于鑄冷葉片，但新型冷卻結構增加了氣流的流動損失，經過結構設計發現，通過改變微小通道的結構尺寸、進氣方式、關聯結構形式可以降低壓力損失;

2)分枝結構在平衡葉片熱均勻性和降低壓力損失方面都具有一定的優勢;

3)從新型微小通道結構可以看出，各個微小通道內的冷氣流量可以單獨控制，也可通過在通道間打孔進行聯動控制，因此為葉片精確冷卻技術提供了重要的冷卻控制能力.

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