韓 俊，溫風(fēng)波，王松濤，洪博文

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力研究中心，150001哈爾濱)

隨著燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)鉁囟鹊牟粩嗵嵘?，渦輪進(jìn)口溫度逐漸超過(guò)渦輪葉片材料所能夠承受的工作溫度.渦輪葉片冷卻技術(shù)［1－7］是提高渦輪前溫度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要手段之一.渦輪轉(zhuǎn)子葉片在高溫燃?xì)獍鼑?，承受高速旋轉(zhuǎn)時(shí)自身的離心力、氣體力、熱應(yīng)力以及振動(dòng)負(fù)荷，設(shè)計(jì)過(guò)程涉及氣動(dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)等多個(gè)學(xué)科，是典型的多學(xué)科設(shè)計(jì)問(wèn)題［8－9］.如何在復(fù)雜條件下，對(duì)渦輪葉片的傳熱性能進(jìn)行設(shè)計(jì)［10-15］，是當(dāng)前的重要研究課題.渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般思路為:1)初步設(shè)計(jì);2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);3)熱分析設(shè)計(jì);4)結(jié)構(gòu)調(diào)整［16］.文獻(xiàn)［17-19］闡述了渦輪動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的參數(shù)化設(shè)計(jì)、管網(wǎng)計(jì)算和氣熱耦合計(jì)算，認(rèn)為設(shè)計(jì)葉片的冷卻結(jié)構(gòu)要從方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩方面考慮，參數(shù)化研究設(shè)計(jì)理論能夠快速設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)，基于相關(guān)熱分析模型提供計(jì)算條件.文獻(xiàn)［17］還通過(guò)自編程序完成了冷卻工質(zhì)通道結(jié)構(gòu)、氣膜噴射孔結(jié)構(gòu)、擾流肋片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).提出“單元設(shè)計(jì)法”以快速生成管網(wǎng)計(jì)算模型，并向三維建模軟件傳遞幾何特征數(shù)據(jù)和流場(chǎng)信息，為三維建模及三維氣熱耦合計(jì)算提供條件.文獻(xiàn)［18］介紹了管網(wǎng)模型建立方法，討論了近似、假設(shè)、邊界條件的給定方式，建立了控制方程，說(shuō)明了管網(wǎng)求解程序的思路和數(shù)值方法，介紹了基于管網(wǎng)計(jì)算的冷卻結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)流程，對(duì)4個(gè)冷卻結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案的管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)［19－21］借助參數(shù)化方法建立三維氣熱耦合數(shù)值模擬的計(jì)算域?qū)嶓w模型，流體域網(wǎng)格采用自編結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成程序生成，并在換熱壁面上根據(jù)湍流模型的要求進(jìn)行加密;將管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果與三維數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，氣熱耦合計(jì)算方法能夠捕捉更多流動(dòng)換熱現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)果相對(duì)可信，且開(kāi)發(fā)的氣熱耦合平臺(tái)能大量縮短三維氣熱耦合計(jì)算周期.本文基于文獻(xiàn)［16-18］提出的設(shè)計(jì)思路對(duì)某高壓渦輪第一級(jí)導(dǎo)葉進(jìn)行傳熱分析和重新設(shè)計(jì).

1 葉片傳熱設(shè)計(jì)流程

葉片傳熱設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1，自編的Matlab傳熱設(shè)計(jì)程序從氣動(dòng)計(jì)算獲取氣動(dòng)場(chǎng)和初步溫度場(chǎng)，以便進(jìn)行葉片外換熱計(jì)算.將自編程序和CFX葉片三維溫度場(chǎng)導(dǎo)熱計(jì)算結(jié)合起來(lái)形成氣冷渦輪冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)以及管網(wǎng)、三維溫度計(jì)算的設(shè)計(jì)循環(huán)，可快速完成葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和修正設(shè)計(jì).

圖1 葉片傳熱設(shè)計(jì)流程

1.1 葉片外換熱計(jì)算湍流模型的選取

氣冷渦輪氣動(dòng)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行葉片換熱計(jì)算會(huì)存在較大誤差.高雷諾數(shù)k-ε湍流模型和低雷諾數(shù)k-ω湍流模型都是基于全湍流的假設(shè)，不能準(zhǔn)確模擬邊界層的轉(zhuǎn)捩流動(dòng).要準(zhǔn)確模擬邊界層轉(zhuǎn)捩的流動(dòng)必須選用合適的轉(zhuǎn)捩模型，大量研究表明，采用k-ω SST模型，并采用γ-Reθ轉(zhuǎn)捩模型會(huì)得到較準(zhǔn)確的葉片表面換熱計(jì)算結(jié)果.由于k-ω SST模型的計(jì)算資源消耗大，計(jì)算穩(wěn)定性也不如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，因此在外換熱計(jì)算中，根據(jù)氣動(dòng)計(jì)算得到的各列葉柵進(jìn)出口參數(shù)分布分別進(jìn)行單列葉柵的外換熱計(jì)算.進(jìn)行單列葉柵外換熱計(jì)算時(shí)葉片與端壁不添加冷氣噴出邊界，并且第一層網(wǎng)格厚度要足夠小，以保證SST模型的計(jì)算要求.

1.2 管網(wǎng)計(jì)算

基于一維流動(dòng)與換熱模型的管網(wǎng)計(jì)算方法依賴于不同冷卻結(jié)構(gòu)的流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，屬于一種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法.管網(wǎng)計(jì)算具有計(jì)算資源消耗少、速度快、人工工作量小等優(yōu)點(diǎn).管網(wǎng)計(jì)算所采用的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程與能量方程需要若干已知量才能求解，每個(gè)流管都需要給出十幾個(gè)乃至二十幾個(gè)參數(shù).單元設(shè)計(jì)法支持自動(dòng)生成管網(wǎng)計(jì)算模型.設(shè)計(jì)方法中葉單元與管網(wǎng)中流管節(jié)流單元一一對(duì)應(yīng)，形成管網(wǎng)的骨架結(jié)構(gòu)，還可以得到流管表面的坐標(biāo)點(diǎn)矩陣.管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表明流管之間的連接關(guān)系，從而確定流管基本幾何特征.在CFD計(jì)算結(jié)果的輸出文件上可以得到外部參數(shù).管網(wǎng)計(jì)算模型是含有多未知量、多階次、不連續(xù)的非線性方程組，可以分為兩部分求解:1)壓力平衡計(jì)算，將節(jié)流單元?jiǎng)恿糠匠探M和節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程組同時(shí)求解;2)溫度平衡計(jì)算，將節(jié)流單元能量方程和節(jié)點(diǎn)能量方程同時(shí)求解.這兩部分計(jì)算可以交替進(jìn)行至收斂.如果渦輪葉片采用氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，則在整個(gè)管網(wǎng)計(jì)算模型中就需要考慮氣膜冷卻的實(shí)際效果.每一次溫度平衡計(jì)算結(jié)束，都要針對(duì)氣膜冷卻的效果進(jìn)行修正，從而給出小孔出口流量和壓力，結(jié)合氣膜冷卻實(shí)驗(yàn)相關(guān)表達(dá)式，得到節(jié)流單元對(duì)應(yīng)的葉片表面進(jìn)行氣膜冷卻后的溫度場(chǎng)和換熱系數(shù)分布，完成管網(wǎng)計(jì)算.

1.3 葉片三維溫度場(chǎng)導(dǎo)熱計(jì)算

管網(wǎng)計(jì)算能得到葉片內(nèi)部冷氣通道表面的冷氣溫度與換熱系數(shù)分布.在有氣膜冷卻時(shí)，采用氣膜修正計(jì)算程序能夠得到考慮冷氣摻混后的燃?xì)鉁囟扰c換熱系數(shù)分布.由于采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，葉片冷氣通道計(jì)算網(wǎng)格能夠快速生成.以葉片內(nèi)外第三類邊界(溫度與換熱系數(shù))換熱數(shù)據(jù)和光滑通道計(jì)算網(wǎng)格為基礎(chǔ)，即可進(jìn)行氣冷葉片的三維溫度場(chǎng)計(jì)算，得到葉片的三維溫度分布.

2 渦輪第一級(jí)導(dǎo)葉冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一級(jí)導(dǎo)葉的冷氣來(lái)源于壓氣機(jī)出口，冷氣從壓氣機(jī)出口到渦輪冷氣腔入口的總壓降低約2%，冷氣馬赫數(shù)較低，冷氣通道入口壓力為3.2 MPa.

第一級(jí)導(dǎo)葉采用三腔設(shè)計(jì)，徑向等壁厚，弦向變壁厚.前腔與中腔布置了沖擊襯套，后腔布置了圓柱擾流柱，中腔與后腔之間隔板上布置了一定數(shù)量節(jié)流孔以控制腔室壓力，并形成沖擊射流強(qiáng)化換熱效果.葉片表面布置了多列氣膜冷卻孔，孔徑0.4 mm或0.5 mm不等，采用了復(fù)合角度設(shè)計(jì)，其中吸力側(cè)的兩列孔采用了擴(kuò)張變截面設(shè)計(jì).進(jìn)氣邊的冷氣從葉根進(jìn)入沖擊襯套，沖擊葉片內(nèi)表面后經(jīng)由大部分氣膜冷卻孔流出;出氣邊的冷氣從葉頂進(jìn)入沖擊襯套，沖擊葉片內(nèi)表面后，一部分經(jīng)由兩列壓力側(cè)氣膜冷卻孔流出，另一部分流經(jīng)隔板節(jié)流孔進(jìn)入后腔，其中一部分由吸力側(cè)尾緣附近的變截面氣膜孔對(duì)尾緣局部高溫區(qū)進(jìn)行冷卻，另一部分流經(jīng)尾緣圓柱擾流柱冷卻尾緣內(nèi)部，如圖2.

圖2 第一級(jí)導(dǎo)葉冷卻結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉用于新一代民航發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪前溫度較高，設(shè)計(jì)要求比較嚴(yán)格，總體來(lái)說(shuō)其冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1)采用了大冷氣量設(shè)計(jì)，葉片表面多數(shù)區(qū)域能夠被氣膜覆蓋，葉片冷卻效率較高，氣膜冷卻對(duì)葉片降溫的貢獻(xiàn)明顯大于內(nèi)部冷卻;

2)三腔設(shè)計(jì)與中后腔節(jié)流孔設(shè)計(jì)能夠控制冷卻結(jié)構(gòu)壓力與流量分配，在保證氣膜冷氣順利流出的前提下，避免了局部氣膜冷氣量過(guò)大;

3)大沖擊孔直徑、小氣膜孔直徑的設(shè)計(jì)使得氣膜冷卻孔壓降分配較大，保證了足夠的排氣裕度，沖擊冷卻孔直徑與間距進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整，既保證了較好的沖擊冷卻效果，又控制了冷氣流量與壓力;

4)葉片尾緣吸力側(cè)存在高換熱區(qū)域，熱負(fù)荷較大，雖然可能導(dǎo)致氣動(dòng)效率下降，在這里采用局部氣膜冷卻是必要的，為了改善冷卻效果，這里采用了小入射角度的簸箕型擴(kuò)張氣膜冷卻孔.

3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

通過(guò)管網(wǎng)計(jì)算給出了該導(dǎo)葉如圖3所示的管網(wǎng)冷氣流量與冷氣壓力分配.該管網(wǎng)計(jì)算考慮了氣膜冷卻孔影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了氣膜冷卻修正，從圖可以看出冷氣流量的詳細(xì)分配，以及冷氣壓力在管網(wǎng)流動(dòng)中的變化情況，以便對(duì)管網(wǎng)流動(dòng)是否順暢及氣膜冷氣能否順利流出進(jìn)行初步評(píng)估.

圖3 第一級(jí)導(dǎo)葉冷卻結(jié)構(gòu)管網(wǎng)計(jì)算

圖4給出了該導(dǎo)葉氣膜修正計(jì)算得到的燃?xì)鉁囟扰c換熱系數(shù)分布.從圖中可以看出，葉片吸力面和壓力面近前緣部分冷卻效率較高，且氣膜覆蓋率較好，吸力面后側(cè)可能出現(xiàn)局部高溫約1 700 K，接近尾緣區(qū)域時(shí)，由于尾緣擾流冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使得換熱系數(shù)得到很大加強(qiáng)，溫度較低且分布均勻約1 300 K.

圖4 第一級(jí)導(dǎo)葉冷卻結(jié)構(gòu)氣膜修正計(jì)算

圖5給出了該導(dǎo)葉三維導(dǎo)熱計(jì)算得到的根、中、頂3個(gè)截面溫度分布云圖，圖6給出了該導(dǎo)葉外表面壓力側(cè)與吸力側(cè)溫度分布云圖.由溫度分析可見(jiàn)，除了吸力側(cè)尾緣存在較大的高溫區(qū)，葉片絕大部分區(qū)域的溫度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，這與方案設(shè)計(jì)中管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果吻合.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因較為復(fù)雜，一方面由于SST模型可能會(huì)略高估計(jì)這一區(qū)域的局部換熱，另外在三維導(dǎo)熱計(jì)算中沒(méi)要考慮到內(nèi)部圓柱擾流柱的增大換熱面積效應(yīng)，也不能衡量擴(kuò)張型氣膜孔的冷卻效果改善，導(dǎo)致葉片溫度計(jì)算值偏高;從保證氣動(dòng)效率的角度來(lái)看，葉片吸力側(cè)近尾緣不宜安排過(guò)量冷氣，但是這一區(qū)域確實(shí)是容易燒蝕的區(qū)域，在后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)分析與設(shè)計(jì)此處冷卻結(jié)構(gòu)，深入研究擴(kuò)張型冷氣孔的冷卻效果.此外需從冷氣與主流一體化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，進(jìn)行冷卻孔布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，期望可以在保證氣動(dòng)效率的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加冷氣量.

圖5 導(dǎo)葉沿葉高截面溫度分布

圖6 導(dǎo)葉溫度分布云圖

4 結(jié)論

1)葉片吸力面和壓力面近前緣部分冷卻效率較高，且氣膜覆蓋率較好，吸力面后側(cè)可能出現(xiàn)局部高溫約1 700 K，接近尾緣區(qū)域時(shí)由于尾緣擾流冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使得換熱系數(shù)得到很大加強(qiáng)，溫度較低且分布均勻約1 300 K.

2)葉片絕大部分區(qū)域的溫度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，與管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果吻合.本文所使用的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)可高效完成冷卻結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及三維溫度分布驗(yàn)證計(jì)算.

3)葉片三維導(dǎo)熱計(jì)算中沒(méi)有考慮擾流冷卻結(jié)構(gòu)與沖擊冷卻結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱效應(yīng)、葉片表面熱障涂層的隔熱效應(yīng)(熱障涂層能使葉片降溫50～100 K，且外換熱越強(qiáng)烈降溫幅度越大)和熱輻射，這些因素會(huì)導(dǎo)致葉片溫度場(chǎng)計(jì)算值大于實(shí)際值.

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