通氣孔對動葉冷卻結構流動和換熱特性的影響

董愛華， 顏培剛， 錢瀟如， 韓萬金，王慶超

(1.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，哈爾濱 150001；2.哈爾濱電氣集團公司中央研究院，哈爾濱 150028)

在燃氣渦輪的研制中，首要的關鍵技術是能夠設計滿足較高性能要求的冷卻結構[1]。工程實際要求冷卻結構既要具有強而均勻的冷卻能力，又要有低的流動阻力，保證冷卻結構進口對冷氣壓力的需求在壓氣機所能提供的范圍內[2]。燃氣渦輪中冷卻設計的范圍很廣，從簡單的內部通道到復雜的帶有成型氣膜孔的雙層壁冷卻[3]。James等[4]提出“反向渦”氣膜冷卻設計概念(DJFC)，在氣膜孔兩側，構建兩個相鄰的分支，使氣膜孔出流兩側各附著一個小旋渦；與單一圓孔出流相比，DJFC具有高冷卻效應，而且制作方便。Ravelli等[5]采用SBES湍流模型研究了第一級渦輪葉片上的壓力側氣膜冷卻旋渦的發展，并分析了冷卻劑與主流質量流量比對氣膜冷卻旋渦的影響。Aillaud等[6]采用大渦數值模擬(LES)與實驗相結合的方法研究了尾緣劈縫處擾流肋的存在對跨音速葉片尾緣的氣膜冷卻效率的影響；結果表明，康達效應的出現使射流合并是造成翼展方向絕熱效率不均勻的主要原因。Kunze等[7]將高精度湍流模型與PIV實驗結合，研究了葉片主體部分的蛇形通道高性能擾流冷卻，清晰再現了肋片附近以及轉彎處的不穩定渦系結構，研究結果表明，在轉彎通道應用后傾三角形肋片，能同時獲得良好的氣動和傳熱特性。

近年來，涌現了許多高性能的冷卻結構，包括對稱與非對稱扇形孔[8]、橫向凹槽式抗渦孔[9]、貓耳和月牙型組合孔[10]、樹形氣膜孔[11]以及各種新型氣膜出流與沖擊射流組合的新型冷卻結構[12]；具有三維結構的擾流柱列、立方體和菱形肋片多種組合式的葉片蛇形通道高性能擾流強化換熱冷卻[8,13-14]；尾緣叉排通流、編織式擾流、槽縫引射，凹坑和凸起等組合構成的高性能集成化擾流冷卻[15-17]；葉頂間隙部分采用凹槽葉頂、針鰭擾流、柱擾流以及葉尖小翼的組合結構[18-20]，有效地控制葉頂泄漏和冷氣噴射流動；在冷卻內腔設置具有傾斜角度的多孔擋板，顯著提升傳熱能力[19]。這些研究大多側重于研究冷卻結構的換熱性能，較少涉及降低冷氣流動阻力。

本文采用氣熱耦合數值模擬方法，研究了某型中低熱值燃料燃氣渦輪的高溫動葉復合冷卻結構內的冷氣流動和換熱特性。對計算結果進行了理論分析，詳細討論了通氣孔對冷結構換熱特性的影響，深入闡述了通氣孔降低冷氣流動阻力的機理，為燃氣渦輪冷卻結構的設計提供技術參考。

1 計算模型和計算方法

1.1 計算模型和網格化分

圖1為高溫動葉有、無通氣的內部冷卻結構和內冷通道的編號。如圖1(a)所示，高溫動葉復合冷卻結構主要由兩組蛇形通道構成，分別位于葉片的前部(圖1中1、2、3)和后部(5、6、7)，各由兩個外流通道和一個內流通道以及兩個彎頭組成。位于前部的第一組附有前緣冷卻腔(4)，進入通道(3)的冷氣從水平孔噴出，進入前緣冷卻腔，對前緣進行沖擊冷卻，然后冷氣通過前緣氣膜孔流入主流，形成覆蓋在葉表面的冷卻氣膜。位于葉片后部的第二組蛇形通道附有尾緣“井”字型冷卻結構(8)，為了合理布局(8)通道(7)為光滑流道，以便冷氣經過尾緣噴射孔對尾緣進行冷卻，最后噴入主流。其余蛇形通道內設肋片，以便達到強化冷卻的目的。為了使冷氣在葉片內冷通道流動順暢，分別在接近前緣冷卻腔體的下部及兩組蛇形通道的第二個彎頭的下部開設了通氣通道B、C。同時，在葉頂壓力面上設置出氣方向各不相同的冷卻孔，以對葉頂冷卻和除塵。

(a) 總壓 (b) 總溫

在有通氣孔的蛇形通道的基礎上，將兩個通氣孔B和C去掉，并將前緣通氣孔與腔體的交界面設成wall，使之沒有冷氣通過，只起到支撐作用，這樣就形成了無通氣孔結構，參見圖1(b)。內腔流道的網格結構如圖2所示。內腔計算域的網格數是13 921 647，節點數2 875 150。模型內、外流域的總網格數是33 733 328，總節點數是7 528 827。

圖1 計算模型及冷卻通道編號

(a)有通氣孔 (b)無通氣孔

1.2 計算方法

采用商用軟件ANSYS CFX進行數值模擬。通常認為，采用SSTk-ω湍流模型計算高溫冷卻葉片能夠揭示近壁區剪切應力的輸運特性，在RANS湍流模型中具有一定優勢。因為本文針對的是實際機組的復雜冷卻體系，不易滿足SSTk-ω模型對壁面Y+及其分布較高的要求，且所需網格節點數目會過于龐大，所以本文采用折中的帶壁面函數的標準k-ε湍流模型，用國際通用C3X冷卻算例進行數值方法的驗證，結果表明，本文計算方法所得結果與實驗吻合較好，特別是能夠準確預測冷卻氣流阻力[21]。同時，本文對有、無通氣孔條件下的流阻與換熱系數進行了對比分析，在實現多場耦合計算的同時，對不同方案下溫度與阻力等的分析能夠具有較高的可信度。

主流計算邊界條件：動葉柵進口給定總溫和總壓沿葉高的分布情況如圖3所示；動葉柵出口給定靜壓0.607 7 MPa。冷氣邊界條件：冷氣的進口總溫657.61 K，前部和后部蛇形通道進口冷氣流量分別為0.097 kg/s和0.145 kg/s。各個氣膜孔以及尾緣劈縫的邊界條件由內部流場計算得到，氣膜孔出流的邊界條件由冷卻通道以及主流的流場計算共同決定。

2 計算結果及討論

2.1 通氣孔對內冷通道流動特性的影響

圖4為蛇形通道內部壓力等值云圖?？梢钥闯觯诶錃饬髁肯嗤臈l件下，無通氣孔通道的壓力比有通氣孔的大。蛇形通道開設通氣孔后，一部分冷氣直接通過通氣孔進入，從葉片的前緣氣膜孔流出，減小了冷氣在蛇形通道內的流動阻力。由圖4可知，兩種冷卻結構蛇行通道內的冷氣流量分配發生顯著變化。表1為有、無通氣孔冷卻通道cool1、cool2入口的流量和總壓的變化情況。由表1可看出，在有、無通氣孔前后腔冷氣流量對應相等條件下，無通氣孔的冷氣在cool1處壓力明顯變大，入口總壓是2.21 MPa，而有通氣孔的冷氣入口總壓是1.47 MPa，比無通氣孔時降低約50%。由圖4 (a)可以看到，無通氣孔時， cool1的壓力升高了，并且超過了壓氣機所能提供的空氣壓力。因此，壓氣機實際能提供的冷氣壓力必然較低，導致冷氣流量不足，葉片表面溫度會大幅度升高。另一個冷氣入口cool2的壓力沒有明顯變化。如圖4所示，有通氣孔時，cool2的冷氣入口壓力是1.37 MPa；無通氣孔時，此處冷氣入口壓力是1.44 MPa，顯然，有通氣孔cool2的冷氣壓力略低。

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

表1 通道cool1和cool2入口總壓與流量

冷氣流動阻力是影響內腔流動及換熱的重要因素之一。動葉內腔蛇形通道的冷氣與內腔壁面通過對流進行換熱，并通過葉片表面氣膜孔的出流形成冷卻氣膜，達到降低葉片表面溫度的目的。對于冷氣流動，改變蛇形通道內的流阻分布就會影響冷氣的流量分布以及冷氣通過氣膜孔的出流情況，進而影響對葉片的冷卻效果。此外，在保證冷卻流量的前提下，流阻增加還會需要更高、甚至不合理的冷氣進口壓力，因此必須要求蛇形通道內冷氣的流阻分布合理。下面分析通氣孔對蛇形通道冷氣流動阻力的影響。流阻系數

式中：f為流動阻力系數，Vinlet為冷氣進口流量平均速度，p為當地靜壓，pinlet為冷氣進口的流量平均壓力。

圖5為不同葉高跨葉片截面與內腔表面阻力系數等值云圖。由圖5(a)和(b)可見，對于有、無通氣孔兩種情況下，由于蛇形通道中冷氣徑向靜壓分布主要受離心力的影響，葉根至葉頂壓力增高，沿葉高方向阻力系數增大。比較圖5(c)和(d)可以看到，在對應位置，有通氣孔的內腔表面冷氣流阻系數明顯小于無通氣孔內腔表面。例如，對于前腔蛇形通道，有通氣孔結構時B位置阻力系數明顯低于無通氣孔結構D位置的阻力系數。從表1中冷卻通道cool1的入口壓力也可以看出，有通氣孔的冷卻腔入口壓力(cool1)為1.47 MPa，無通氣孔的冷卻腔入口壓力(cool1)達到2.21 MPa。眾所周知，較大總壓對應較大阻力，顯然，前腔的兩個通氣孔顯著影響了蛇形通道內的冷氣流動的阻力系數。對于后腔蛇形通道，對比圖中有無通氣孔A和C兩處的阻力系數，參見表1 cool2的入口總壓數值可以看出，通氣孔對后腔冷氣流動阻力的影響相對前腔要小得多。

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

圖5 有、無通氣孔蛇形內腔流阻等值云圖

圖6為50%葉高跨葉片截面的流量等值云圖。由圖6可知，無通氣孔時，冷氣從單一的入口依次進入蛇形通道的4個流程，與葉片內腔表面進行對流換熱，然后分別通過葉片壓力面頂端、前緣和尾緣氣膜孔進入主流。而對于有通氣孔結構的蛇形通道，有一部分冷氣直接從通氣孔通過葉片前緣和尾緣的氣膜孔進入主流，在有無、通氣孔冷氣由cool1和cool2進入流量相同情況下，進入無通氣孔前后腔蛇形通道的冷氣流量自然下降。如圖6所示，相對無通氣孔情況，因為存在通氣孔，蛇形通道諸流程的流量匹配有了明顯不同。無通氣孔結構的A、B處的流量比G、H大， E、F的和流量也高于C、D的和流量。同時，隨著冷氣流量的重新分配，各通道冷氣和葉片的換熱會發生相應的改變，基本上是冷氣流量增大的位置對流換熱也增強。此外，冷氣流量的變化還顯著影響了冷氣在蛇形通道內的流動阻力。

圖7為前緣氣膜孔的冷氣流量等值云圖，有無、通氣孔導致的前緣氣膜孔流量的變化基本代表了前腔冷氣流量的改變。從圖7可以看出，與無通氣孔比較，通氣孔的存在引起前腔冷氣流量增加，這將強化前腔冷氣與壁面的對流換熱以及葉片表面的氣膜冷卻效應。

圖8給出不同葉高跨葉片截面冷氣流速等值云圖。有、無通氣孔時冷氣在內腔各通道內的流量分配差別明顯，導致冷氣在各通道內的流速也隨之變化，無通氣孔各截面的流速大于有通氣孔各截面的流速。由圖8可知，在50%葉高跨葉片截面內，無通氣孔冷氣的平均流速是128 m/s，而有通氣孔的冷氣平均流速是106 m/s。冷卻通道內流速增大會增強冷氣和葉片之間的換熱。顯而易見，有通氣孔時內腔壁面的換熱系數會減小。

2.2 通氣孔對內冷通道換熱特性的影響

圖9為蛇形冷卻通道內腔壁面溫度等值云圖。一般情況下，無通氣孔的內腔壁面溫度低于有通氣孔的內腔對應壁面溫度。由圖9可知，無通氣孔內腔壁面平均溫度為689 K，而有通氣孔內腔壁面平均溫度是697 K。對于內腔壁面溫度，有、無通氣孔引起的溫度變化也符合上述規律(例如對比圖9中A和B處的溫度)。但是，相反的現象出現在前緣局部區域M和N處。這是由于在有通氣孔的情況下，冷氣量過多地從通氣孔直接進入前緣內腔，強化了冷氣與葉片前緣內腔的對流換熱，造成局部(N區)溫度顯著降低，特別是比無通氣孔的對應區域(M區)低了很多。對于后腔壁面，有、無通氣孔時溫度分布相差不大。

圖10為葉片前緣氣膜孔表面溫度分布云圖。由圖10可見，有通氣孔時，氣膜孔表面溫度根部低，頂部高。而對于無通氣孔情況，氣膜孔表面溫度由根部至頂部變化不大。當冷卻結構有通氣孔時，冷氣從通氣孔進入蛇形通道，然后從前緣氣膜孔噴出，冷氣在根部受到的阻力較小，流量較大，冷氣與內腔壁面換熱劇烈，造成前緣氣膜孔根部出現局部低溫區。大量的冷氣從前緣氣膜孔根部流出，通道頂部冷氣靜壓減小，流速降低，冷氣和壁面換熱減弱，造成前緣頂部內腔室壁面溫度反而比無通氣孔的要高。

圖10 前緣氣膜孔表面溫度等值云圖

圖11為蛇形內腔壁面換熱系數等值云圖。從整體上看，無通氣孔的內腔壁面換熱系數比有通氣孔的要略高，而且這種現象主要發生在受通氣孔影響最直接的前腔局部壁面。計算數據表明，無通氣孔的內腔壁面平均換熱系數為2 536.8 W· m-2·K-1，而有通氣孔內腔壁面平均換熱系數仍達到2 335.47 W·m-2·K-1。除了兩種情況內腔前緣根部的局部對應區F、N以及兩區以下前腔通氣孔進氣對應流道之外，在冷氣進氣流量相等的情況下，無通氣孔的內腔因為沒有通氣孔流道分流，通過其蛇形通道的冷氣流量較高；冷氣與壁面的換熱系數必然較高。僅在內腔前緣根部的局部對應區F、N以及兩區以下前腔通氣孔進氣對應流道，由于冷氣從通氣孔直接流入，強化了那里冷氣與內腔壁面的局部換熱，使有通氣孔的換熱系數高于無通氣孔情況。

雖然無通氣孔的冷卻結構內腔壁面的換熱系數較高，但是在相同冷氣進氣流量下，由于全部冷氣在主要冷卻通道，即蛇行通道中的流動沿程阻力與局部阻力較大，為使冷氣從全部氣膜孔順暢出流，需要較大的冷氣進口壓力，以至于此壓力超出了壓氣機所能提供冷氣的最高壓力，這樣的冷卻結構在工程上是行不通的。因此，設計冷卻結構時，應該綜合考慮流阻與換熱對冷卻結構的影響。

2.3 通氣孔對葉片表面換熱的影響

圖12為葉片表面溫度等值云圖。有、無通氣孔結構的葉片表面平均溫度分別為1 249、1 251 K，最高溫度分別為1 292 、1 296 K。從平均和最高溫度上來看，有、無通氣孔兩者基本一致。但是更重要的是需要考察在兩種情況下，葉片表面是否存在溫度及其梯度過大的區域。仔細對比分析有、無通氣孔葉片壓力面和吸力面的溫度等值云圖，能夠清楚地看到，總體上兩者的葉片表面溫度分布區別不大，較為明顯的差別僅出現在葉表前緣根部稍偏壓力面以及葉頂區域。與無通氣孔情況比較，有通氣孔時葉表前緣根部稍偏壓力面形成低溫區，相反，在葉頂形成高溫區。低溫區對應圖11中高換熱系數F區，高溫區則對應圖11葉頂低換熱系數區。在向高低溫度區過渡的界面處分別產生較高的溫度梯度。但是，對于有通氣孔情況，除去葉頂，溫度和溫度梯度沒有超標。本文在吸收與消化冷卻結構設計原型階段，在葉頂沒有設置冷卻系統。本文認為，如果在葉頂設置了冷卻系統，溫度可滿足設計要求。這有待于繼續研究。可以在葉頂吸力面增加氣膜孔，增加熱障涂層以降低葉頂的溫度。

圖12 葉片表面溫度等值云圖

3 結 論

本文采用三維氣熱耦合數值模擬方法，探討了重燃渦輪葉片冷卻結構設計中冷氣通孔對復合冷卻結構流動與換熱特性的影響，得到以下主要結論：

1) 高溫動葉內部采用氣膜/沖擊/擾流復合冷卻方式的蛇形折轉通道結構，具有較好的換熱效果；但在設計過程中容易導致整個內冷通道流動阻力升高，從而帶來對冷氣進口壓力要求過大的弊端；通過在前腔折轉通道局部轉彎位置設計冷氣通孔，能夠在保證整體換熱效果的前提下，有效降低整個內冷通道的流動阻力，所需冷氣供應壓力和冷氣量都顯著下降。

2)針對采用前后冷卻腔結構形式的高壓動葉內部復合冷卻結構，采用在前腔折轉通道局部設計冷卻通氣孔的設計方法，能夠在更合理的冷氣量范圍內對前、后腔室的冷氣源供應參數進行匹配和優化，從而提高不同腔室內部復合冷卻結構的改型設計效率。