燃?xì)廨啓C(jī)葉片前緣冷卻特性研究

鄭 添，王在華，應(yīng)光耀，毛志偉

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

燃?xì)鉁囟壬呖梢蕴岣呷細(xì)廨啓C(jī)效率，但是隨著燃?xì)鉁囟鹊奶嵘?，燃?xì)廨啓C(jī)葉片工作環(huán)境越來(lái)越惡化，導(dǎo)致葉片壽命縮短，穩(wěn)定性變差。

氣膜冷卻是燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的常用冷卻方式，其原理是在葉片壁面噴入冷氣，冷氣會(huì)粘附在葉片壁面上，在葉片壁面形成溫度較低的氣膜保護(hù)層。氣膜保護(hù)層將葉片與高溫燃?xì)飧綦x開，同時(shí)將熱量帶走，從而起到降低葉片溫度的效果。氣膜的冷卻效果主要受吹風(fēng)比、葉片溫度以及氣膜冷卻孔型等因素的影響。

國(guó)內(nèi)外在燃?xì)廨啓C(jī)氣膜冷卻方面開展了大量的研究[1-6]，如對(duì)多孔全覆蓋氣膜冷卻中的流動(dòng)和換熱特性研究，并且對(duì)不同孔、吹風(fēng)比、速度比下的換熱及冷卻進(jìn)行仿真。李少華等[7]對(duì)葉片氣膜冷卻進(jìn)行了數(shù)值研究，選擇湍流模型并采用SIMPLEC 算法，其模擬結(jié)果表明，氣膜孔位于葉片前緣時(shí)，葉片冷卻效果最好。唐學(xué)智等[8]主要在不同吹風(fēng)比和主流湍流度條件下，分析了某重型燃?xì)廨啓C(jī)孔間距對(duì)動(dòng)葉氣膜冷卻效率的影響。李錄平等[9]對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的冷卻進(jìn)行研究，分析旋轉(zhuǎn)對(duì)葉片氣膜冷卻效果的影響。

綜上所述，大多數(shù)研究對(duì)象為葉片表面的換熱及冷卻系數(shù)，孔間距對(duì)葉片氣膜冷卻的影響[9-13]。目前對(duì)圓孔、交叉孔葉片氣膜冷卻的研究較少。本文根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際參數(shù)建立模型，設(shè)置邊界條件，選擇計(jì)算模型對(duì)葉片進(jìn)行仿真，研究葉片在真實(shí)工作狀況下，氣膜對(duì)葉片冷卻效率、換熱系數(shù)的影響。對(duì)比分析圓孔、交叉孔在不同吹風(fēng)比下的換熱系數(shù)及冷卻效率，同時(shí)對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行分析，為實(shí)際工作中的葉片冷卻提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型與計(jì)算方法

采用CATIA 建立葉片模型（見圖1），葉片高度28 mm，葉片間距18.9 mm，氣膜孔直徑1.5 mm，孔間距2.5 mm，如圖1 所示。交叉孔與圓孔進(jìn)口形狀一致，區(qū)別在于交叉孔距離出口中心有12°夾角。圓孔和交叉孔開孔位置位于葉片前緣，與前緣中心線成45°夾角，如圖2 所示。

圖1 葉片幾何模型

圖2 圓孔和交叉孔孔型模型

在數(shù)值計(jì)算模型中，主流通道的高溫高壓燃?xì)鈦?lái)自燃燒室出口，其流動(dòng)方向如圖3 所示。模擬中葉片表面的冷卻氣流是從葉片空腔的上部引入的，氣膜出流角度已根據(jù)次流進(jìn)氣方向進(jìn)行調(diào)整，與實(shí)際葉片的葉根進(jìn)氣方式夾角一致，不影響主次流流場(chǎng)和氣膜冷卻效果。

圖3 主次流入口方向

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量影響計(jì)算結(jié)果，網(wǎng)格數(shù)量太少影響計(jì)算結(jié)果，數(shù)量太多影響計(jì)算速度。通過(guò)ICEM軟件對(duì)葉片模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，采用尺寸函數(shù)，粗細(xì)網(wǎng)格結(jié)合，同時(shí)對(duì)葉片氣膜孔壁面位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格數(shù)量選取200 萬(wàn)，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性試驗(yàn)，如圖4 所示，驗(yàn)證網(wǎng)格質(zhì)量。

圖4 葉柵通道網(wǎng)格

1.3 邊界條件及控制方程

利用Fluent 流體計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值分析，選用Realizable k-ε 雙方程湍流模型，采用基于壓力的分離求解器進(jìn)行求解，近壁面采用非平衡壁面函數(shù)法。壓力－速度耦合采用SIMPLEC 算法。采用二階迎風(fēng)格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差精度小于1×10-5，計(jì)算步長(zhǎng)0.000 01 s。

葉柵道主流燃?xì)馊肟诳倝涸O(shè)置為1.4 MPa，溫度設(shè)置為1 600 K，冷空氣進(jìn)氣溫度設(shè)置為700 K。冷空氣的出口壓力無(wú)需設(shè)置，因?yàn)楦鶕?jù)吹風(fēng)比設(shè)定了冷空氣的進(jìn)出口流量。通過(guò)設(shè)定冷氣的進(jìn)氣溫度即可，可以計(jì)算出冷空氣的出口壓力。

Realizablek-ε 模型是一種帶旋流修正k-ε模型，在所有雙方程模型中，Realizable 模型最能精確模擬流動(dòng)分離、復(fù)雜二次流以及強(qiáng)逆壓梯度邊界層流動(dòng)。其中輸運(yùn)方程為：

式中：；C1ε=1.44；C2=1.9；ρ 為空氣密度；κ 為湍流脈動(dòng)動(dòng)能；ε 為脈動(dòng)耗散率；ρε 為耗散項(xiàng)的時(shí)間密度；t為時(shí)間常數(shù)；xi和xj為空間某一方向（i，j=1，2，3）；uj為時(shí)均速度（j=1，2，3）；μ 為粘性系數(shù)；μt為湍動(dòng)粘度；Gk產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM可壓縮湍流中過(guò)渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；αk為湍流動(dòng)能普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)，此處取1.0；αε湍流耗散率的倒 數(shù)，此處取1.2；C1ε和C3ε為 模型默認(rèn)常數(shù)；Sk為用戶自定義項(xiàng)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 葉片冷卻溫度的研究

為了研究不同吹風(fēng)比下葉片吸力面溫度分布情況，分別選取吹風(fēng)比M 為0.3，0.9，1.5，3 的風(fēng)速條件下，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片開圓孔進(jìn)行數(shù)值模擬，研究葉片溫度、冷卻效率變化圖譜。對(duì)比各個(gè)吹風(fēng)比下云圖后發(fā)現(xiàn)（見圖5），當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，葉片前緣溫度從1 500 K 下降至950 K，尾緣位置溫度從1 500 K 下降到1 250 K。葉片中緣隨著吹風(fēng)比增大，溫度變化緩慢。仿真結(jié)果表明：前緣位置處氣膜效果和冷卻效果較明顯，隨流向至葉片中弦位置氣膜冷卻效果基本消失；葉片尾緣處無(wú)明顯氣膜效果，但其表面溫度卻有明顯下降。

圖5 葉片溫度云圖

增大吹風(fēng)比的實(shí)質(zhì)是在一定的主流質(zhì)量流量下，增大次流的質(zhì)量流量。由于燃?xì)廨啓C(jī)葉片在高溫、高壓工況下，葉片壓力面前緣氣膜孔位置氣膜覆蓋較好，隨著吹風(fēng)比增大，冷卻氣量亦增大，氣膜覆蓋效果增強(qiáng)，前緣位置葉片表面溫度下降。而在葉片中弦，氣膜覆蓋效果較差，隨著吹風(fēng)比增大，壁面溫度受冷氣量增大有所影響。在葉片尾緣，無(wú)明顯氣膜覆蓋效果，但是葉片表面溫度反而較低，主要受2 個(gè)因素引起：由于主流在葉柵通道進(jìn)行膨脹加速，在葉片尾緣處速度較大，根據(jù)熱力學(xué)守恒定律，主氣流溫度降低，致使尾緣處的葉片溫度降低；并且吹風(fēng)比增大，冷氣量增大，由于吸力面為凸形結(jié)構(gòu)，冷氣在葉片中弦位置不易附著，而在尾緣位置，由于主流的作用又重新附著在葉片上，從而降低壁面溫度。

2.2 葉片冷卻效率的研究

對(duì)比各個(gè)吹風(fēng)比下云圖后發(fā)現(xiàn)（見圖6），當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，葉片前緣、尾緣位置冷卻效率一直增加。其中葉片尾緣冷卻效率從0.05 上升到0.25，葉片前緣圓孔邊緣從0.05 上升到0.7，冷卻效率上升很大。而在葉片中弦位置，冷卻效率略有增大，但沒(méi)前緣和尾緣位置明顯，這是由于冷氣量增大，次流出流速度增大，冷氣較難在凸壁面進(jìn)行貼附，對(duì)壁面的冷卻效果較差。

2.3 不同孔型冷卻效率分析

針對(duì)圓孔、交叉孔2 種孔形的冷卻效率進(jìn)行分析，研究不同吹風(fēng)比下冷卻效率變化趨勢(shì)。

圖6 葉片冷卻效率云圖

圖7 了給出了吹風(fēng)比M 為0.3，1.2，2.5 和3的風(fēng)速條件下，圓孔、交叉孔2 種孔形的冷卻效率。圖中縱坐標(biāo)ηav代表葉片冷卻效率，X 代表吸（壓）力面上點(diǎn)到前緣駐點(diǎn)的弧長(zhǎng)，S 代表弧面長(zhǎng)度。X/S=0 代表前緣駐點(diǎn)處，X/S=1 代表尾緣末端，X/S 值越大，與前緣駐點(diǎn)距離越遠(yuǎn)?？芍?，隨著吹風(fēng)比增加，葉片冷卻效率普遍增加，葉片前緣處冷卻效率增加幅度較大，從0.2 上升到0.35，葉片中緣、尾緣變化趨勢(shì)較小，維持在0.25 左右。在葉片前緣處，交叉孔的冷卻系數(shù)比圓孔高。隨著吹風(fēng)比增大，2 種孔形的冷卻效率差距越來(lái)越大。這是由于在葉片前緣圓孔形成卡門渦街，造成雷諾數(shù)較大，氣膜厚度大，換熱效果較差，且交叉孔比圓孔氣膜孔出口面積大，氣流量增加，導(dǎo)致冷卻效率隨之增加。

圖7 不同吹風(fēng)比下葉片冷卻效率

在葉片中緣、尾緣，圓孔和交叉孔冷卻效率相差不大。空氣氣流在葉片中緣、尾緣雷諾數(shù)相差不大，空氣氣膜覆蓋程度大體一致，導(dǎo)致冷卻效率一致。經(jīng)過(guò)以上數(shù)值仿真，結(jié)果表明，孔型對(duì)葉片冷卻效率有影響，其中交叉孔相比圓孔冷卻效果更好。

2.4 不同孔型換熱系數(shù)分析

如圖8 所示，4 種吹風(fēng)比下，交叉孔與圓孔徑向平均對(duì)流換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致。不難發(fā)現(xiàn)，在葉片前緣位置，對(duì)流換熱系數(shù)最大，中弦和尾緣位置的對(duì)流換熱系數(shù)較小。由于在前緣氣膜孔位置，氣膜孔的覆蓋增大了葉片表面與氣流的擾動(dòng)作用，從而增大對(duì)流換熱系數(shù)，增強(qiáng)葉片表面的換熱，有更多的熱量被氣膜層帶走，起到降低葉片表面溫度的目的。相同吹風(fēng)比，交叉孔的徑向平均對(duì)流換熱系數(shù)比圓孔大，同樣是由于交叉孔的次流出流面積較大，其氣膜覆蓋區(qū)域較大，對(duì)葉片表面的氣流擾動(dòng)作用更強(qiáng)，其對(duì)流換熱系數(shù)也更大。

3 結(jié)論

用數(shù)值模擬研究了交叉孔和圓孔的冷卻系數(shù)、換熱系數(shù)、冷卻效率，在不同吹風(fēng)比下交叉孔、圓孔冷卻效率、換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)，分析冷卻效率及換熱系數(shù)的影響因素，得出結(jié)論如下：

圖8 不同吹風(fēng)比下葉片對(duì)流換熱系數(shù)

（1）葉片前緣冷卻效率和換熱系數(shù)較高，葉片中緣、尾緣相對(duì)較小，且交叉孔和圓孔沿著葉片冷卻效率、換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)一致。說(shuō)明葉片氣膜覆蓋效果較好，冷卻效率和對(duì)流換熱系數(shù)較高。

（2）交叉孔葉片的冷卻效率和對(duì)流換熱系數(shù)比圓孔高，由于交叉孔比圓孔氣流面積增大，強(qiáng)化了葉片表面的換熱及冷卻。

（3）隨著吹風(fēng)比增加，葉片表面各處氣流速度增加，氣流速度加快，對(duì)葉片的擾動(dòng)增大，冷卻、換熱系數(shù)增加，氣膜帶走大量熱量，葉片表面溫度降低。