燃氣輪機渦輪導向葉片渦流交錯肋冷卻技術研究

李俊山

(沈陽發動機設計研究所,沈陽110015)

符號表

Bp肋頂部寬度，m

Bk槽道法向高度，m

de流體力學和熱力學上槽道當量直徑，m

Dp肋間槽道平直段長度值，m

Dk計算段導流管和葉片肋頂之間平均間隙值，m

FkΣ排列的肋與槽道總面積，m2

Fnpk槽道總流通面積，m2

G2決定是進口壓力還是出口壓力控制符

Hk槽道平均高度，m

Hrk槽道沿葉高高度，m

IN整型變量所計算的節流單元號碼

K1槽道孔型

Kop葉片殼體在空氣槽道中加肋系數

Lk槽道長度（即空氣流通的長度），m

np槽道中肋數，個

PIN槽道進口空氣壓力，N/cm2

POUT槽道出口空氣壓力，N/cm2

R肋底邊倒圓半徑，m

tp肋間距，m

TBcp1空氣平均溫度，K

β肋交叉半角，（°）

γ肋側表面傾斜角，（°）

λmp摩擦阻力系數

ξmp阻力系數

ξIN槽道進口阻力系數

ξOUT槽道出口阻力系數

ξΣ槽道總阻力系數

ξmp槽道換算阻力

ΔPL槽道進、出口空氣壓差，N/cm

1 引言

隨著設計技術的飛速發展和市場競爭的日益激烈，現代燃氣輪機正向著效率更高、可靠性更好、壽命更長的方向發展。燃氣輪機的效率、可靠性、壽命主要取決于熱端部件能否安全可靠地工作，這就對燃氣輪機工作環境設計提出了更高要求。如何對熱端部件進行有效冷卻，已經成為燃氣輪機設計的關鍵性問題之一。帶肋通道是最普遍使用的1種強化換熱結構，國內外學者已經進行過大量的數值模擬和試驗研究，針對不同的肋排布形式對換熱的影響進行了研究，得到了大量有價值的結論。

本文對某燃氣渦輪導向葉片渦流交錯肋通道的幾何特性參數、流體阻力特性、渦輪導向葉片冷卻系統的流體動力和換熱、渦輪導向葉片的溫度場等進行了計算研究。

2 流路系統和換熱特點

渦輪導向器由24組雙聯鑄造冷卻葉片組成，成組以懸臂式固定在渦輪機匣上。冷卻葉片內腔沿弦向分為前后2個區域：前區有短導管，為漩流強化強迫對流冷卻方式；后區為渦流交錯肋強化強迫對流冷卻方式。渦輪導向葉片示意圖如圖1所示。

渦輪導向葉片帶渦流交錯肋通道共有5排，從前緣到尾緣的5排渦流交錯肋與截面分別成0°、450°、300°、300°、200°（如圖2所示）。交錯肋通道結構如圖3所示。

渦輪導向葉片冷卻通道截面結構如圖4所示；渦輪導向葉片冷卻系統流路結構如圖5所示；模型簡化處理后，形成的冷卻系統流體動力網絡結構如圖6所示，其節流單元共46個：圓通道4個，導流管上的孔排3個，扁平通道19個，渦流矩陣通道20個。

導向葉片的冷卻空氣來源于由空氣冷卻器預先冷卻的2股氣流，全部空氣經過導管開口的上端面流入導管（單元號1）腔，從那里射流增壓經過導管前緣上孔（單元號2、45、46）冷卻帶肋的前緣（如單元號1等，圖5）。冷卻前緣后的空氣分成2股氣流，流入冷卻葉背和葉盆。冷卻導管段葉背的空氣沿帶肋縫隙通道3～5、9～11,再經過通道16～18流到渦流交錯肋1進口。冷卻導管段葉盆的空氣流到沿帶肋縫隙通道6～8,進而經過通道19～21流到第1排渦流交錯肋進口。葉片導管段冷卻之后，空氣依次流經第1排渦流交錯肋22～25，第2排渦流交錯肋26～29，第3排渦流交錯肋3～33，第4排渦流交錯肋34～41的通道，冷卻葉片尾緣進而流到尾緣縫隙通道進口。冷卻空氣冷卻尾緣42～44帶肋縫隙通道后流入渦輪主通道，以保證葉片尾縫的氣膜冷卻。

渦輪導向葉片渦流交錯肋大大增加了流動換熱的換熱面積，同時提高流動換熱系數，從而使換熱能力顯著提高，在保證相同冷卻效果的前提下，減少所用的冷卻空氣量，進而提高燃氣輪機的效率和功率。

3 渦輪導向葉片冷卻系統計算

3.1 幾何特性參數和流體阻力特性參數計算

3.1.1 計算方法

為計算渦流交錯肋通道的幾何特性參數，將渦流交錯肋通道進行簡化，保證交錯肋高度一致，如圖7所示。

根據如圖1所示的計算段導流管和葉片的肋頂之間平均間隙值、槽道平均高度、肋間距、肋交叉半角、槽道沿葉高高度、槽道法向高度、肋底邊倒圓半徑、肋側表面傾斜角、肋間槽道平直段長度值、肋頂部寬度、槽道中肋數、槽道長度等（即空氣流通長度）共12個幾何參數及相應幾何關系，可以計算出渦輪導向葉片渦流交錯肋通道的計算排列的肋與槽道的總面積、葉片殼體在空氣槽道中的加肋系數、槽道當量直徑、槽道的總流通面積4個幾何特性參數。

接著計算渦流交錯肋通道的槽道進、出口阻力系數和摩擦阻力系數、槽道總阻力系數4個流體阻力特性參數

如果G2＜0，則根據已知的進口壓力求出口壓力如果G2＜0，則根據已知的出口壓力求進口壓力

3.1.2 計算結果

根據不同的角度，將渦輪導向葉片的5排渦流交錯肋分成7種計算類型。計算的單元號分成7類：（1）3～8號單元；（2）22～25號單元；（3）26～29號單元；（4）30、31號單元；（5）32、33號單元；（6）35、37、39、41號單元；（7）34、36、38、40號單元。計算結果見表1、2。

3.2 冷卻系統的流體動力和換熱計算

3.2.1 計算方法

冷卻系統的流體動力和換熱計算采用工程專用程序進行，該程序基于冷卻系統網絡、各通道的幾何尺寸和網絡邊界空氣參數，聯立求解連續方程、動量方和能量方程，獲得冷卻系統各通道的流量、壓力、溫度等流體動力特性參數。程序中考慮了氣流沿流程各項物理特性的變化以及旋轉對流體阻力及換熱強度的影響。

表1 槽道的幾何特性參數

表2 槽道的流體動力特性參數

3.2.2 計算結果

渦輪導向葉片冷卻系統計算是在額定狀態、ISO條件下，以渦輪進口溫度1483 K，壓氣機出口溫度和壓力分別為672.1 K、1.4864 MPa，大氣溫度和壓力分別為288 K和0.1013 MPa等為前提進行的。計算獲得了各節流單元的冷氣流量、各腔室的冷氣壓力與冷氣溫度、葉片各內腔的換熱系數等參數。詳細計算結果見表3。

3.3 渦輪氣冷導向葉片的溫度場計算

渦輪導向葉片的溫度場計算采用通用的有限元計算方法進行，計算了沿葉高3個截面的葉片金屬表面溫度和平均溫度。

因為渦輪導向器的結構是成組的，每組由2個葉片組成，按葉片組的平均值選取燃氣溫度的徑向和周向不均勻度（圖8分布曲線2）。此外，考慮運行過程中燃氣輪機參數的惡化，根據經驗把燃氣溫度提高了30℃作為儲備。

表3 渦輪導向葉片冷卻系統流體動力計算結果

導向葉片進口燃氣溫度為：葉尖截面-1068℃；中徑截面-1091℃；葉根截面-1041℃。

取葉片進口空氣溫度等于空氣冷卻器出口的空氣溫度，并考慮到機匣零組件對空氣的加溫后，葉片進口溫度為170℃。葉片表面平均溫度在各截面分別為：葉尖截面-721℃；在中徑截面-738℃；在葉根截面-720℃。

最高溫度出現在葉片尾緣葉尖截面，為812℃。

3.4 渦輪氣冷導向葉片的冷卻效果計算

平均冷卻效果的計算公式為

考慮最大徑向、周向不均勻度和+30℃裕度的氣冷葉片中有代表性的中截面的平均冷卻效果為

即平均冷卻效果為0.383。

4 結論

（1）本文介紹的渦輪導向葉片渦流交錯肋通道幾何、流體阻力特性參數的計算方法是可行的；

（2）在冷卻空氣相對流量為1.245%的條件下，渦流交錯肋渦輪導向葉片中間截面平均降溫可達350℃；

（3）在考慮了最大徑向、周向不均勻度和+30℃裕度的前提下，渦流交錯肋渦輪導向葉片中截面的平均冷卻效果為0.383。從平均冷卻效果看，該葉片的冷卻設計是合理的；

（4）渦流交錯肋冷卻技術具有一定的先進性，應用于氣冷葉片，可以增強葉片換熱能力，提高冷卻效果，從而減少冷卻空氣量，進而達到提高整機性能的目的，或在相同冷氣量條件下，提高葉片的使用壽命。

[1] 劉慶東.交錯肋結構對換熱和流阻特性影響的實驗研究[J].航空發動機，2008,3(3).