燃氣輪機葉片氣膜冷卻及換熱特性研究

王在華，戴惠慶，鄭 添，應(yīng)光耀，毛志偉

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江浙能電力工程技術(shù)有限公司，杭州 315103）

0 引言

提高燃氣輪機進口溫度可以有效提高燃氣輪機效率。但是燃氣溫度的升高受許多因素限制，如葉片材料等。氣膜冷卻方法是葉片和通流部分冷卻的常用手段，其冷卻效率主要受孔型、吹風(fēng)比等因素影響。

國內(nèi)外許多學(xué)者采用有限元方法對氣膜冷卻展開了大量的仿真研究[1-5]。楊星等[6]將葉片前端換熱區(qū)域進行劃分，研究了不同區(qū)域葉片氣膜冷卻及對流換熱的規(guī)律。蔣文程[7]搭建相關(guān)低速風(fēng)洞實驗臺，利用紅外熱成像技術(shù)研究不同吹風(fēng)比和雷諾數(shù)下的葉片氣膜孔周邊溫度分布，結(jié)果表明葉片前端氣膜冷卻效率隨著吹風(fēng)比增大而增大。梁俊龍[8]采用仿真分析方法，通過數(shù)值仿真研究不同頻率、振幅及吹風(fēng)比下的縫槽平板振動氣膜冷卻傳熱規(guī)律。梁勝瑩[9]采用數(shù)值仿真軟件對燃氣輪機進行變工況分析，研究不同運行方案對機組整體熱力性能的影響。

現(xiàn)有的研究多集中在燃氣輪機的出力和熱效率上，且多數(shù)采用數(shù)值仿真的方法分析氣膜冷卻效率，缺乏實驗驗證，存在一定的不足[10-17]。本文采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，研究在不同吹風(fēng)比下的葉片表面冷卻效率、對流換熱系數(shù)，為燃氣輪機氣膜冷卻研究提供理論參考。

1 實驗原理

1.1 實驗裝置

氣膜冷卻實驗裝置如圖1 所示，包括實驗燃氣、冷卻空氣、電加熱器、穩(wěn)壓箱、外部電源等。實驗過程中利用電加熱器將燃氣加熱到指定溫度，燃氣經(jīng)過穩(wěn)壓箱調(diào)節(jié)壓力后進入實驗段；通過流量閥門、流量控制器調(diào)節(jié)冷卻空氣流量、風(fēng)速；實驗時外部電源將實驗段內(nèi)的葉片加熱到特定溫度；此外，分別采用紅外熱像儀、溫度巡檢儀對葉片表面溫度、主流燃氣溫度進行測量。

圖1 氣膜冷卻實驗裝置

1.2 實驗葉片參數(shù)

葉片參數(shù)見表1。葉片流體通道由7 個葉片組成，實驗葉片選用尼龍材料，安裝在葉槽中間。圖2 為葉片氣膜孔示意，O-A 為燃氣流動沖擊方向，冷卻空氣從葉片上部位置進入葉片，AB 為吸力面，A-C 為壓力面。氣膜孔位于葉片前部位置與軸線45°處，氣膜孔孔型選用交叉孔。在實驗時主、次氣流的流動方向如圖3 所示。

1.3 實驗工況

根據(jù)實驗規(guī)程調(diào)整好實驗裝置，進行相關(guān)的實驗，本實驗的目的是研究葉片冷卻效率和換熱系數(shù)在葉片上的變化規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場實驗條件及設(shè)備的參數(shù)，調(diào)節(jié)實驗燃氣流量為0.184 m3/s，燃氣、冷卻空氣進口溫度調(diào)整為58 ℃和30 ℃。在實驗時葉片受到燃氣沖擊，葉片前緣溫度為58 ℃。為了實驗時更好地進行葉片溫度測量和參數(shù)計算，根據(jù)儀器性能要求將葉片從58 ℃加熱至80 ℃。

表1 葉片參數(shù)

圖2 葉片氣膜孔

圖3 氣流流動方向

待主流燃氣和葉片溫度穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)冷卻空氣流量。根據(jù)實際燃氣輪機的吹風(fēng)比參數(shù)，進行不同吹風(fēng)比下的冷卻實驗，實驗工況見表2。隨著吹風(fēng)比從0.3 上升至1.8，氣孔雷諾數(shù)也從487增加至2 922，冷卻空氣流量達到23.8 L/min。

1.4 相關(guān)計算參數(shù)

冷卻效率：

對流換熱系數(shù)：

式（1）—（2）中： ηi，hi分別為沿著葉高方向不同點i 的冷卻效率、換熱系數(shù)，i=1，2，3，…；T∞為燃氣溫度；Tc為冷卻空氣溫度；Tawi為冷卻實驗時葉片位置i 溫度；Tw為葉片被外部電源加熱后壁面溫度；q 為葉片加熱后的熱流量。

由于數(shù)據(jù)龐大，采用計算軟件對葉高方向若干個點的冷卻效率和對流換熱系數(shù)進行平均值計算，然后求出平均冷卻效率ηav和平均對流換熱系數(shù)hav。

表2 實驗工況表

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗葉片表面溫度

圖4 為吹風(fēng)比M=1.8 時，葉片2 個表面的溫度分布圖。從圖4 可以看到葉片不同位置的溫度分布情況及氣膜覆蓋情況。

2.2 葉片冷卻效率和對流換熱系數(shù)計算分析

圖5 為冷卻效率和換熱系數(shù)計算結(jié)果，其中： Re=52 500 為主氣流雷諾數(shù)，與第1.3 節(jié)的氣孔雷諾數(shù)不同；橫坐標(biāo)中0 為起始位置，-1 為壓力面末端，1 為吸力面末端。

吹風(fēng)比M 為0.3 時，吸力面、壓力面前端的冷卻效率分別為0.06，0.06；當(dāng)吹風(fēng)比M 上升至1.8 時，吸力面和壓力面前端冷卻效率上升為0.16，0.2。此外，葉片各個位置的冷卻效率均隨著吹風(fēng)比增大而逐漸增大，換熱系數(shù)的變化規(guī)律與冷卻效率一致。

將葉片各個位置進行對比，發(fā)現(xiàn)同一吹風(fēng)比下葉片前端氣膜位置處冷卻效率和換熱系數(shù)最大，葉片中部和尾部位置較低。通過理論分析得知，由于葉片的前端位置氣膜覆蓋最好，使得前端位置冷卻效率相比其他位置高。

同一吹風(fēng)比下，吸力面比壓力面氣膜覆蓋效果好，其換熱和冷卻效果較好。由于壓力面是凹平面，直接面向主流沖擊，葉片受到的熱傳遞熱量更多，因此冷卻效率較差。

圖4 葉片表面溫度分布

圖5 冷卻效率和換熱系數(shù)計算結(jié)果

3 數(shù)值仿真模擬

為便于對比分析，根據(jù)實驗情況進行仿真參數(shù)設(shè)置。在計算時設(shè)置燃氣入口流量0.184 m3/s，出口壓力0.1 MPa，入口燃氣溫度331 K，冷卻空氣溫度293 K；然后進行相關(guān)的模型選擇，其中湍流模型選用Realizable k-ε 方程；采用基于壓力求解器求解，近壁面采用非平衡壁面函數(shù)法；此外采用SIMPLEC 算法對壓力-速度進行耦合計算；在求解時收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差精度小于1×10-6，計算步長0.01 ms。

3.1 葉片冷卻效率仿真

圖6 所示為不同吹風(fēng)比M 下的葉片冷卻效率云圖。

圖6 葉片冷卻效率云圖

由圖6 可以看出，隨著冷卻空氣吹風(fēng)比增大，雷諾數(shù)隨之變化，葉片冷卻區(qū)域呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，冷卻效率系數(shù)也逐漸增大。當(dāng)吹風(fēng)比為0.3 時，冷卻效率僅為0.05；隨著吹風(fēng)比增大到3.0，冷卻效率達到0.7。

中心孔冷卻效率最低。經(jīng)理論分析得知，冷卻空氣從交叉孔流出后，會受到實驗燃氣的沖擊。交叉孔中心位置處受到的實驗燃氣氣流擠壓、沖擊強度最大，造成中心處冷卻效率低。當(dāng)冷卻空氣吹風(fēng)比較小時，氣流主要集中覆蓋在葉片表面，沿著葉片壁面流動，因此葉片表面溫度相差不大。但是冷卻空氣吹風(fēng)比增大到特定值后，冷卻空氣將穿透實驗燃氣，在葉片上形成明顯的流道。

3.2 葉片冷卻效率及換熱效率分析

不同吹風(fēng)比下冷卻效率對比如圖7 所示，可以看出實驗數(shù)值與計算值變化趨勢吻合。當(dāng)吹風(fēng)比為0.3 時，葉片壓力面前端冷卻效率實驗值、理論值分別為0.13，0.06，壓力面冷卻效率實驗值、理論值分別為0.10，0.06。

圖7 不同吹風(fēng)比下冷卻效率對比

當(dāng)冷卻空氣吹風(fēng)比較小時，葉片前端的冷卻效率實驗值要小于理論值。主要是由于在實驗過程中，葉片前端交叉孔存在漩渦流場，冷卻空氣在此擾流、泄漏，造成流量損失，因此冷卻效率偏低。隨著吹風(fēng)比逐漸增大，冷卻空氣流動速度也增大，冷卻空氣引起的氣流擾流隨之減小。

不同吹風(fēng)比下對流換熱系數(shù)對比如圖8 所示。隨著吹風(fēng)比從0.3 升至1.8，葉片同一位置處吸力面、壓力面對流換熱系數(shù)均增大。此外，在同一吹風(fēng)比下，在葉片同一位置的實驗值均大于理論值；這主要是因為實驗時葉片與外界存在換熱，而非理論計算時的純理想絕熱工況，因此熱流量偏大，換熱系數(shù)略大。對吸力面與壓力面進行研究比較后發(fā)現(xiàn)，吸力面的冷卻效率略大于壓力面；通過理論分析發(fā)現(xiàn)，這是由于吸力面的氣流流速大，氣流擾動效果強。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法，對不同吹風(fēng)比下燃氣輪機交叉孔葉片的的冷卻效率、換熱系數(shù)進行綜合研究。研究結(jié)果表明實驗數(shù)值與理論計算值基本吻合，變化趨勢一致。主要結(jié)論如下：

（1）通過理論計算和實驗分析可知，在同一吹風(fēng)比下葉片吸力面的換熱系數(shù)、冷卻效率均大于壓力面。

（2）冷卻效率和對流換熱系數(shù)最高的位置為葉片前端。隨著冷卻空氣流動，葉片冷卻效率和對流換熱系數(shù)不斷下降。

（3）在主氣流雷諾數(shù)相同時，不同吹風(fēng)比下的冷卻效果不同。

圖8 不同吹風(fēng)比下對流換熱系數(shù)對比