燃氣渦輪導葉冷卻結構設計及數值模擬的研究

郭靖

（杭州大路實業有限公司，浙江 杭州 311200）

當前人們經常采用“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，需要設計燃氣渦輪導葉冷卻結構實現對葉片的有效溫控，以此確保其能夠長時間地實現安全穩定運行。而隨著我國科學技術水平的持續提升，數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構設計及數值模擬，力求能夠實現渦輪葉片冷卻效果的最優化。

1 燃氣渦輪導葉冷卻結構設計思路

在進行燃氣渦輪導葉冷卻結構設計的過程中，需要準確獲取原始渦輪導葉葉型和子午型線的參數，以及進出口的燃氣參數等初始參數，在此基礎上確定基本的燃氣渦輪導葉冷卻結構。通過利用單元設計法，結合具體的設計要求對部分參數進行合理調控，在完成冷氣氣路管網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整，而后通過采用氣熱耦合數值模擬的方式實現在短時間內完成冷卻結構的設計與生成目標。

2 計算說明

為更好地分析研究燃氣渦輪導葉冷卻結構的優化設計，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境，因此在與相關設計標準要求進行結合之后，其葉片壁面許可無量綱溫度需要嚴格控制在0.887以內，冷氣流量則不應超過127g/s。為此，通過采用管網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格布點數等眾多計算結果，為燃氣渦輪導葉冷卻結構設計提供幫助。其中，在管網計算中通過利用連續性方程式節電能量方程計算方程，并將相關參數數值依次代入其中，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，本文在設計燃氣渦輪導葉冷卻結構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格劃分，明確葉片的三維溫度分布，使得計算效率能夠在現有基礎上得到進一步提高。事實上，通過查閱大量相關研究人員的文獻資料之后，發現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，而在葉片的吸力側尾部和前緣等位置處則出現了明顯的高溫，熱應力集中的情況非常面明顯。

3 燃氣渦輪導葉冷卻結構設計與數值模擬

3.1 冷卻結構設計

本文在設計燃氣渦輪導葉冷卻結構的過程中，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 等在內的相關模型，將葉片表面和上下壁端的y+值分別控制在3和8以內，在給定進口總壓和背壓并將進口湍流度設置為5%之后，運用UG建模搭配編程的方式，設計出燃氣渦輪導葉冷卻結構。在設計過程中，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置一個隔板，并將其葉片、沖擊套筒相互連接，利用人為構造獨立區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，在其上設置兩列節流孔，進而有效起到分流冷氣的作用。經由尾部葉片進入到內腔的冷氣，將分別從設計的沖擊孔和節流孔中流出，前緣葉片的表面在經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 劃分結構網格

在運用專業的網格劃分軟件下，借助軟件自身的劃分功能，對燃氣渦輪導葉冷卻結構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構網格劃分的方式，而后者采用的是非結構網格劃分的方式。根據燃氣渦輪導葉冷卻結構的相關設計要求可知，總共需要生成大約450萬的網格，并且第一層網格的厚度不得超過5～10m。在設計的燃氣渦輪導葉冷卻結構當中的氣膜孔、節流孔等當中增加O型網格，流體域和固體域的邊界位置處需要進行加密處理。網格質量控制需要至少保持0.2，否則將對后續的數值計算精確性產生相應影響。

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%，基本能夠對葉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，在七列氣膜孔的設置和隔板的布置之下，氣膜基本上實現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。設置在腔內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當中，在同主流相互混合之下產生不必要的損失。

根據數值模擬的結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%，其他的計算結果也基本相同。特別是在設置了隔板之后，腔內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避了熱應力集中的情況出現。在本文設計的燃氣渦輪導葉冷卻結構當中雖然使用了不同的冷卻方法，并且在壓力側尾緣根部處確實出現了高溫區，但在管網以及三維導熱計算之下，高溫區的溫度值最低，而這可能與管網計算精度不足有關。在到網格劃分數目以及經驗公式等多重因素的影響下，管網計算的精度值相對較低，進而對三維導熱計算也產生了相應的影響。

4 結語

本文通過對燃氣渦輪導葉冷卻結構設計進行初步探究，綜合運用了包括沖擊和氣膜等在內的各種冷卻法，證明了三維導熱計算對于燃氣渦輪導葉冷卻結構設計具有極大的幫助作用。本文設計的綜合型燃氣渦輪導葉冷卻結構擁有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了冷氣的均勻分配，對于優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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