渦輪葉片冷卻技術(shù)分析

■ 郭文 王鵬飛 / 中國(guó)航發(fā)渦輪院

提高渦輪前溫度是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要技術(shù)途徑之一，但是目前耐高溫材料的發(fā)展尚不能滿足渦輪前溫度快速提升下的渦輪葉片的性能需求，因此發(fā)展更高效的渦輪葉片冷卻技術(shù)將是提高渦輪前溫度的重要方式。

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中承受熱及機(jī)械載荷最為苛刻的零部件，也是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵安全件?！叭绾卧跍p少冷氣流量的情況下提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟取边@一技術(shù)難題的解決途徑，一方面是研制新型耐高溫材料和熱障涂層，另一方面就是實(shí)施先進(jìn)可靠的高效冷卻技術(shù)。有資料表明，在過(guò)去30年中，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟忍岣吡?50K，其中只有30%是由于耐高溫合金的發(fā)展和制造工藝的進(jìn)步，而其余70%則是依靠有效的冷卻技術(shù)獲得的。由此可見(jiàn)，發(fā)展更高效的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻方式將是提高渦輪前溫度的重要手段。

圖1 導(dǎo)向葉片典型冷卻結(jié)構(gòu)

渦輪葉片典型冷卻結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向葉片

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片典型冷卻結(jié)構(gòu)（如圖1所示）主要包括擾流柱、氣膜孔以及熱障涂層等。葉片前緣受冷氣/燃?xì)鈮罕认拗疲２捎弥旅軞饽た桌鋮s。葉盆、葉背前部低速區(qū)常采用氣膜或沖擊加氣膜冷卻的復(fù)合冷卻形式。葉背高速區(qū)主要采用沖擊冷卻形式。葉背后部沖擊冷卻的冷氣會(huì)經(jīng)葉片尾緣的擾流柱對(duì)尾緣區(qū)域進(jìn)行冷卻，最后從葉片尾縫排出。葉片尾縫排氣結(jié)構(gòu)主要有全劈縫和半劈縫。導(dǎo)葉葉片的緣板常采用沖擊加氣膜的冷卻方式。

受性能需求的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度逐漸升高，給渦輪導(dǎo)向葉片冷卻設(shè)計(jì)帶來(lái)了各種問(wèn)題和矛盾：葉片前緣高溫、高熱負(fù)荷與葉片前緣冷氣側(cè)與燃?xì)鈧?cè)壓比較小，因而難以進(jìn)行復(fù)雜冷卻設(shè)計(jì)；致密氣膜孔設(shè)計(jì)受葉片強(qiáng)度、可加工性及冷氣量等因素制約；葉背中后部出現(xiàn)燃?xì)夥蛛x、轉(zhuǎn)捩換熱增加與氣膜孔開(kāi)孔區(qū)域限制導(dǎo)致葉片高熱負(fù)荷區(qū)域難以充分冷卻；葉片尾緣受壁厚限制，采用全劈縫會(huì)影響渦輪性能，采用半劈縫則冷卻不足。

轉(zhuǎn)子葉片

現(xiàn)代典型的多通道高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片的冷卻結(jié)構(gòu)如圖2所示，葉片前緣采用沖擊冷卻，葉片的中間部分采用含有擾流肋的蛇形通道冷卻，而葉片尾緣由于空間結(jié)構(gòu)的限制采用劈縫結(jié)構(gòu)冷卻。

氣膜孔主要分布于葉片前緣、吸力面、壓力面和葉片尖端區(qū)域。冷卻氣流由高壓壓氣機(jī)引出并經(jīng)由葉片底部進(jìn)入葉片內(nèi)部，先流經(jīng)帶有擾流肋的冷卻通道通過(guò)增強(qiáng)換熱面積和湍流度的方式對(duì)葉片內(nèi)壁進(jìn)行冷卻，之后分為三股氣流：一股氣流主要對(duì)渦輪葉片前緣高溫區(qū)域進(jìn)行沖擊冷卻，最終通過(guò)葉片前緣氣膜孔流出，形成前緣的氣膜冷卻；第二股氣流通過(guò)葉片中間區(qū)域的氣膜孔在葉片表面形成氣膜保護(hù)層，保護(hù)葉片外表面；第三股氣流則經(jīng)過(guò)渦輪葉片尾緣的繞流柱，在擾動(dòng)強(qiáng)換熱后由尾緣劈縫排出。

轉(zhuǎn)子葉片的冷卻設(shè)計(jì)主要受強(qiáng)度限制，葉片根部應(yīng)力大，氣膜孔的角度、大小、間距等都對(duì)葉片強(qiáng)度造成影響，擾流肋的強(qiáng)化冷卻會(huì)造成局部溫差大、熱應(yīng)力大等問(wèn)題，對(duì)冷卻設(shè)計(jì)形成挑戰(zhàn)。

圖2 轉(zhuǎn)子葉片典型冷卻結(jié)構(gòu)

圖3 帶肋冷卻通道及內(nèi)部肋片布置

渦輪葉片主要冷卻方式

渦輪葉片冷卻方式主要包括強(qiáng)化冷卻空氣與葉片內(nèi)表面換熱的內(nèi)部冷卻和以氣膜冷卻及熱障涂層為主的外部冷卻。

內(nèi)部冷卻方式

內(nèi)部冷卻的主要目的是強(qiáng)化冷卻空氣與葉片內(nèi)部通道內(nèi)壁之間的傳熱，通常由射流沖擊、多程彎折帶肋通道、尾緣區(qū)域柱肋擾流所組成的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

射流沖擊是由冷卻氣體對(duì)渦輪葉片內(nèi)壁進(jìn)行沖擊，形成比較薄的速度邊界層，因此具有較高的換熱效率。渦輪葉片的射流沖擊冷卻主要用于熱負(fù)荷比較大的區(qū)域，如渦輪葉片的前緣區(qū)域，冷卻氣流通過(guò)葉片內(nèi)部隔板上的小孔沖擊葉片的內(nèi)表面以達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。

尾緣區(qū)域柱肋擾流冷卻是利用連接通道兩側(cè)壁面的擾流柱來(lái)強(qiáng)化通道內(nèi)的換熱，主要布置在厚度較薄的渦輪葉片尾緣區(qū)域，同時(shí)還起到支撐作用。擾流柱不僅可以提高來(lái)流的湍流度，而且可以將葉片表面的熱量通過(guò)柱體傳導(dǎo)出去。氣流經(jīng)過(guò)擾流柱會(huì)產(chǎn)生尾跡，可以增強(qiáng)流動(dòng)的擾動(dòng)，破壞壁面邊界層的發(fā)展，從而提高換熱效率，此外，擾流柱本身也是熱量的傳導(dǎo)體，可以將葉片壁面的熱量傳到擾流柱上，再通過(guò)流體流動(dòng)將熱量帶走。

內(nèi)部帶肋通道的對(duì)流強(qiáng)化冷卻主要用于葉片的中弦區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)部通道壁面的吸力側(cè)和壓力側(cè)布置擾流肋，起到強(qiáng)化換熱的目的，典型帶肋通道冷卻結(jié)構(gòu)如圖3所示。通道內(nèi)的擾流肋一方面可以增大通道內(nèi)的換熱面積，另一方面擾流肋會(huì)對(duì)來(lái)流有著擾動(dòng)作用，在擾流肋前后產(chǎn)生復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)，破壞流動(dòng)邊界層和熱邊界層的發(fā)展，從而增強(qiáng)換熱效率。但是，擾流肋在強(qiáng)化換熱的同時(shí)，也會(huì)增加通道內(nèi)的流動(dòng)阻力，使得渦輪葉片整體的換熱效率降低。因此，研究擾流肋冷卻過(guò)程要結(jié)合換熱特性和流動(dòng)阻力特性來(lái)綜合評(píng)估冷卻效果。研究表明，影響帶肋通道冷卻效果的因素包括肋形狀、肋角度、通道形狀、肋間距與肋高比、通道堵塞比、無(wú)量綱旋轉(zhuǎn)數(shù)以及雷諾數(shù)等因素。

圖4 氣膜冷卻在葉片上的結(jié)構(gòu)原理

圖5 不同的氣膜孔形狀示意

外部氣膜冷卻方式

目前，葉片外壁面冷卻較為可行的方式是氣膜冷卻。該冷卻方式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且具有較高的冷卻效率。氣膜冷卻的基本工作原理是通過(guò)在葉片表面開(kāi)設(shè)槽縫或離散小孔，將冷卻氣體從葉片內(nèi)部以一定角度和動(dòng)量噴射出，冷氣隨主流向下游發(fā)展，在葉片表面形成一層低溫薄膜，把葉片表面和高溫主流隔開(kāi)，并對(duì)葉片壁面降溫，起到了隔熱和冷卻的雙重保護(hù)作用，其結(jié)構(gòu)功能如圖4所示。影響氣膜冷卻效率的因素主要有孔形、孔徑、復(fù)合角傾角、孔間距、孔排間排列方式等幾何參數(shù)，以及雷諾數(shù)、吹風(fēng)比、努塞爾數(shù)、傳熱系數(shù)等流動(dòng)參數(shù)，還有壁面曲率等冷卻特性。

通過(guò)對(duì)氣膜冷卻效率進(jìn)行研究，發(fā)展出了不同的氣膜孔形狀，在傳統(tǒng)圓柱形孔基礎(chǔ)上增加孔出口展向和流向方向的擴(kuò)張。圓柱形孔可發(fā)展為不同前傾角的擴(kuò)張形孔，其中較為典型的是簸箕形孔，由于氣膜孔出口展向?qū)挾鹊脑龃?，氣膜射流速度和?dòng)量降低，氣膜能較好地覆蓋在壁面上。此外，圓錐形孔、縫形孔、凹槽形孔、啞鈴形孔、收縮擴(kuò)張形孔、漏斗形孔、雙向擴(kuò)張形孔等的氣膜冷卻特性也得到了廣泛研究（部分氣膜孔形狀如圖5所示）。目前，圓柱形孔和簸箕形孔在渦輪葉片氣膜冷卻設(shè)計(jì)中得到廣泛使用。

對(duì)氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的研究，從單孔、排孔到多排孔，從平板到曲面到真實(shí)葉型，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較全面，技術(shù)上較為成熟。初期的氣膜冷卻研究更多是在平板上進(jìn)行的，對(duì)于具有航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片真實(shí)葉型的模型，其傳熱與流動(dòng)特性更為復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)工況在其中也有十分重要的研究意義。

雙層壁冷卻方式

雙層壁冷卻是一種集內(nèi)部沖擊冷卻與外部氣膜冷卻為一體的復(fù)合型冷卻方式，即冷氣從內(nèi)壁上的沖擊孔向外壁內(nèi)表面射流沖擊后，再?gòu)耐獗砻娴臍饽た琢鞒鲂纬蓺饽だ鋮s。該冷卻方式充分發(fā)揮了內(nèi)部沖擊射流強(qiáng)化換熱和氣膜孔溢流強(qiáng)化換熱作用，是提高局部換熱系數(shù)的有效方法，在相同開(kāi)孔面積和冷熱氣流條件下，比傳統(tǒng)發(fā)散冷卻效率高出 30%。

對(duì)雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)在火焰筒和渦輪葉片上的應(yīng)用研究包括：較基礎(chǔ)的與主流垂直的氣膜出流平行雙層孔板；具有傾角的氣膜出流平行雙層孔板或者矩形通道，以及內(nèi)部流道更受限的短腔或者帶肋的平行孔板雙層壁；對(duì)彎曲壁面雙層壁（如圖6所示）和真實(shí)火焰筒或渦輪葉片葉型的數(shù)值模擬，以及實(shí)驗(yàn)方式等。

影響雙層壁的冷卻效率的因素主要包括：幾何因素，如雙層孔板的曲率（或在真實(shí)渦輪葉片的研究中為葉片壁面葉型）之間位置偏置或沖擊孔/氣膜孔間流向間距以及多排孔的排之間的直列交錯(cuò)、雙層壁孔板間距、單層沖擊孔板或者氣膜孔板的孔排布方式、氣膜孔傾角或復(fù)合角、氣膜孔/沖擊孔間距、沖擊孔/氣膜孔孔徑；流動(dòng)因素，如主流氣體質(zhì)量流率、冷卻氣體質(zhì)量流率、吹風(fēng)比、絕熱或?qū)岜诿?；旋轉(zhuǎn)因素，目前大多是關(guān)于簡(jiǎn)單模型的靜止和旋轉(zhuǎn)研究，以及復(fù)雜模型的靜止研究，對(duì)于復(fù)雜模型（如真實(shí)渦輪葉片模型）更多的是對(duì)于靜止工況的研究。

圖6 渦輪葉片雙層壁復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)部示意

圖7 微尺度超強(qiáng)冷卻葉片

通過(guò)幾種結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究可以發(fā)現(xiàn)，雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)工況里很明顯地優(yōu)于單純沖擊冷卻結(jié)構(gòu)，氣膜孔發(fā)生抽吸之前可以在雙層壁間以對(duì)流冷卻的形式對(duì)內(nèi)冷沖擊冷卻進(jìn)行疊加。

微尺度超強(qiáng)冷卻方式

近年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的研究呈現(xiàn)出微尺度（100 ～500μm）化的趨勢(shì)，并且取得了很好的效果。圖7所示的是一種采用了微尺度強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的渦輪冷卻葉片，葉片部分區(qū)域的內(nèi)部冷卻通道和外部氣膜孔采用了微尺度結(jié)構(gòu)，使單位體積內(nèi)具有非常高的流動(dòng)換熱表面積，可以在較小的冷氣流量條件下產(chǎn)生極高的換熱率。因此，微尺度超強(qiáng)冷卻技術(shù)可為提高渦輪前燃?xì)鉁囟忍峁┬碌募夹g(shù)途徑。

結(jié)束語(yǔ)

從工程應(yīng)用來(lái)看，由沖擊冷卻、氣膜冷卻以及內(nèi)部帶肋通道冷卻構(gòu)成的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)是渦輪葉片冷卻的典型冷卻結(jié)構(gòu)。對(duì)于渦輪葉片復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻方式的改進(jìn)，可以收到降低葉片溫度或減少冷氣用量的效果。為了進(jìn)一步提升渦輪前溫度，應(yīng)結(jié)合幾種不同冷卻方式的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展更高效的冷卻結(jié)構(gòu)，如雙層壁冷卻技術(shù)等。雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)的原型已十分接近微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的要求，部分結(jié)構(gòu)已屬于微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的范疇。而微尺度冷卻結(jié)構(gòu)則對(duì)突破傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的極限、發(fā)展超強(qiáng)冷卻技術(shù)提供了可能。