基于流熱耦合數(shù)值模擬的F級(jí)燃機(jī)二級(jí)動(dòng)葉溫度場(chǎng)分析

柳邦家

摘 要：通過(guò)對(duì)某F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)二級(jí)動(dòng)葉的全三維坐標(biāo)外形掃描和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工業(yè)CT掃描，獲得了二級(jí)動(dòng)葉完整的外形結(jié)構(gòu)、尺寸和內(nèi)部截面圖像，并提取了內(nèi)型面的型線，基于數(shù)值模擬進(jìn)行了動(dòng)葉片的溫度場(chǎng)分布分析。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；3D掃描；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)

燃?xì)廨啓C(jī)二級(jí)動(dòng)葉作為重要的透平部件，工作在極端高溫、高速旋轉(zhuǎn)的條件下，對(duì)動(dòng)葉的材料和冷卻提出了很高的要求。F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)透平的動(dòng)葉都應(yīng)用具有航空使用經(jīng)驗(yàn)、高溫強(qiáng)度好的γ相析出硬化型Ni基超合金GTD-111，其中第二級(jí)動(dòng)葉為精密鑄造，應(yīng)用CoCrAly涂層，外面再?gòu)?fù)以氧化物表層。第2級(jí)動(dòng)葉片為傳統(tǒng)對(duì)流冷卻方式，采用從葉根到葉頂直通孔的強(qiáng)制對(duì)流冷卻。冷卻介質(zhì)為壓氣機(jī)第13級(jí)抽氣。所采用的透平冷卻技術(shù)包括沖擊冷卻、強(qiáng)制對(duì)流冷卻與氣膜冷卻方式。

本文以某F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)二級(jí)動(dòng)葉為對(duì)象，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行了溫度場(chǎng)分布的模擬分析。

1 外型掃描

選取外形完好的一片二級(jí)動(dòng)葉，進(jìn)行全三維坐標(biāo)掃描。掃描設(shè)備為關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)攜帶激光測(cè)頭，單點(diǎn)精度0.04mm，整體點(diǎn)云質(zhì)量高，數(shù)據(jù)完整性好。

測(cè)繪結(jié)果文件打包為全三維小平面體格式（.STL格式）。掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)非常密集，整體數(shù)據(jù)完整性非常好。

2 工業(yè)CT掃描

工業(yè)CT（Industial Computed Tomography）即工業(yè)計(jì)算機(jī)X線斷層攝影技術(shù)，本文采用6MWe加速器CT設(shè)備對(duì)動(dòng)葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描[1]。為了準(zhǔn)確的獲悉葉片內(nèi)部孔的大小和位置，選取了典型截面進(jìn)行CT掃描。通過(guò)進(jìn)一步圖像處理獲得清晰的內(nèi)部截面圖像，同時(shí)提取內(nèi)型面的型線。

3 基于有限元的幾何建模

3.1 動(dòng)葉冷卻技術(shù)

冷卻氣體從壓氣機(jī)13級(jí)抽出，沿途經(jīng)過(guò)預(yù)旋，從葉根位置分兩部分流入動(dòng)葉葉片內(nèi)部。前緣分支冷卻氣體一部分流入葉片中弦?guī)в袃A斜擾流肋結(jié)構(gòu)的蛇形冷卻通道，沿程不斷與內(nèi)壁面進(jìn)行對(duì)流換熱；其后從前緣隔板的孔結(jié)構(gòu)中噴出，對(duì)前緣內(nèi)壁面形成沖擊換熱；最后與另一部分從補(bǔ)氣孔結(jié)構(gòu)流入的冷卻氣體摻混，在位于前緣的三排氣膜孔處噴出并覆蓋在葉片表面。尾緣分支的冷卻氣體流動(dòng)過(guò)程與上述過(guò)程近似，只是將前緣氣膜孔結(jié)構(gòu)改為帶有矩形擾流柱結(jié)構(gòu)的出流通道。此外，出于強(qiáng)化冷卻效果及提供局部保護(hù)等不同目的，還在相應(yīng)位置額外添加了補(bǔ)氣孔、側(cè)向氣膜孔以及除塵孔等結(jié)構(gòu)[2]。

3.2 形體建模

基于三坐標(biāo)掃描和內(nèi)型工業(yè)CT掃描的結(jié)果，獲得了較為完整的二級(jí)動(dòng)葉幾何數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)的二級(jí)動(dòng)葉的三維實(shí)體模型進(jìn)行重建。

3.3 數(shù)值網(wǎng)格劃分

在ANSYS ICEM CFD15.0中生成二級(jí)動(dòng)葉的計(jì)算網(wǎng)格。

網(wǎng)格特點(diǎn)如下：

（1）周期流道計(jì)算域。對(duì)整排動(dòng)葉92片取其中一片流域開(kāi)展計(jì)算，流域兩側(cè)設(shè)置為周期邊界。

（2）計(jì)算域包含流體域和固體域兩部分。流體域指葉片外部燃?xì)獾牧鲃?dòng)和葉片內(nèi)部冷氣的流動(dòng)；固體域參與導(dǎo)熱。

（3）計(jì)算域主體采用四面體網(wǎng)格，流固交界面的流體邊界層區(qū)采用五面體棱柱網(wǎng)格。

（4）網(wǎng)格難點(diǎn)在于葉冠處周期流面的布置。周期流域面因?yàn)槿~冠而呈現(xiàn)Z形皺褶。

4 二級(jí)動(dòng)葉流動(dòng)、冷卻與導(dǎo)熱數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 邊界條件設(shè)置

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)總體熱力性能計(jì)算結(jié)果給定二級(jí)動(dòng)葉邊界條件。基于葉型幾何進(jìn)口角的展向變化范圍在15°～35°范圍內(nèi)給定了旋轉(zhuǎn)系下進(jìn)口的相對(duì)氣流角。

4.2 計(jì)算方法

流體域基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定常三維粘性NS方程，固體域基于定常導(dǎo)熱方程。流體域與固體域通過(guò)界面進(jìn)行傳熱。流體域湍流模型采用CFX內(nèi)嵌的自動(dòng)底層處理的K-ε湍流模型。固壁面均為無(wú)滑移壁面邊界。

對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，湍流項(xiàng)采用一階差分。迭代收斂準(zhǔn)則設(shè)為殘差10-6，同時(shí)監(jiān)控氣動(dòng)效率、功率、壓比等總體參數(shù)的收斂。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

下圖為二級(jí)動(dòng)葉氣（燃?xì)猓幔ü腆w導(dǎo)熱）冷（冷氣）耦合計(jì)算獲得的葉片表面溫度分布。最高溫度出現(xiàn)在葉冠壓力側(cè)前沿附近，次高溫出現(xiàn)在葉片尾緣近葉尖的地方。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用外形3D掃描和工業(yè)CT，獲得了某F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)第二級(jí)動(dòng)葉的詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)，并根據(jù)有限元進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，開(kāi)展了單排動(dòng)葉的流熱耦合數(shù)值模擬，獲得了二級(jí)動(dòng)葉溫度場(chǎng)分布，為分析二級(jí)動(dòng)葉故障和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]程云勇.基于工業(yè)CT測(cè)量數(shù)據(jù)的空心渦輪葉片三維壁厚分析[D].西北工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]李孝堂.現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

（作者單位：中國(guó)華電集團(tuán)公司浙江公司）