燃气涡轮导叶冷却结构设计及数值模拟的研究

郭靖

（杭州大路实业有限公司，浙江 杭州 311200）

当前人们经常采用“升温提效”的方式，即通过升高涡轮前燃气温度，使得涡轮效率能够得到大幅提升并具有较高的推重比。但由于叶栅材料自身的耐热性能较为有限，因此，需要设计燃气涡轮导叶冷却结构实现对叶片的有效温控，以此确保其能够长时间地实现安全稳定运行。而随着我国科学技术水平的持续提升，数值模拟的方式得到了广泛普及使用。因此，本文着重围绕燃气涡轮导叶冷却结构设计及数值模拟，力求能够实现涡轮叶片冷却效果的最优化。

1 燃气涡轮导叶冷却结构设计思路

在进行燃气涡轮导叶冷却结构设计的过程中，需要准确获取原始涡轮导叶叶型和子午型线的参数，以及进出口的燃气参数等初始参数，在此基础上确定基本的燃气涡轮导叶冷却结构。通过利用单元设计法，结合具体的设计要求对部分参数进行合理调控，在完成冷气气路管网以及三维温度场的计算之后，立足实际情况对其进行相应调整，而后通过采用气热耦合数值模拟的方式实现在短时间内完成冷却结构的设计与生成目标。

2 计算说明

为更好地分析研究燃气涡轮导叶冷却结构的优化设计，本文将选择某燃气涡轮机，该涡轮机进口采用的是第一级导向叶片共计46片。而考虑到叶片长期需要面临高温燃烧的工作环境，因此在与相关设计标准要求进行结合之后，其叶片壁面许可无量纲温度需要严格控制在0.887以内，冷气流量则不应超过127g/s。为此，通过采用管网计算和三维导热计算的方式，能够准确获取温度在叶片表面的具体分布情况和网格布点数等众多计算结果，为燃气涡轮导叶冷却结构设计提供帮助。其中，在管网计算中通过利用连续性方程式节电能量方程计算方程，并将相关参数数值依次代入其中，从而可以得到叶片表面上具体的温度分布情况。而为了有效提升温度场的精确度和计算效率，本文在设计燃气涡轮导叶冷却结构的过程中还同样采用了三维导热计算的方式，利用专门的计算软件，在排除影响控制方程的对流与扩散项进而准确完成网格划分，明确叶片的三维温度分布，使得计算效率能够在现有基础上得到进一步提高。事实上，通过查阅大量相关研究人员的文献资料之后，发现在使用三维导热计算方法下，背弧和叶盆位置处将均匀分布低温，而在叶片的吸力侧尾部和前缘等位置处则出现了明显的高温，热应力集中的情况非常面明显。

3 燃气涡轮导叶冷却结构设计与数值模拟

3.1 冷却结构设计

本文在设计燃气涡轮导叶冷却结构的过程中，选择运用专门的软件高效精准地计算出三维气热耦合，同时运用包括 k-ωS ST 等在内的相关模型，将叶片表面和上下壁端的y+值分别控制在3和8以内，在给定进口总压和背压并将进口湍流度设置为5%之后，运用UG建模搭配编程的方式，设计出燃气涡轮导叶冷却结构。在设计过程中，本文并非只局限于一种冷却方式，而是分别采用了包括冲击和气膜冷却等在内的几种不同的冷却方式，以达到降低叶片表面温度、均匀分配冷气流量等目的。

在叶片的前缘位置处设计布置七列气膜孔，将孔方向和法向量在径向与弦向上的夹角分别设定为α与β，则第一列中的22个气膜孔的直径均为1.1mm，α为0°，β为15°；第二列中的22个气膜孔的直径均为0.7mm，α为0°，β为35°；第三列和第五列的气膜孔直径均为0.8mm，数量均为14个，α和β分别为60°和0°；第四列和第六列的气膜孔虽然直径相同，但第四列共有15个气膜孔，α为60°，β为0°；而第六列则有22个气膜孔，α和β分别为0°和10°；最后一列共有22个气膜孔，孔直径为1.1mm，α为0°，β为57°。将冲击套筒安装在叶片头部位置的空腔当中，用于阻止燃气出现倒灌的情况。除此之外，在接近前缘和叶片弦向的中间位置处分别设置一个隔板，并将其叶片、冲击套筒相互连接，利用人为构造独立区域的方式对空腔当中的气流流动进行有效控制。倾斜布置分割前后腔隔板之后，在其上设置两列节流孔，进而有效起到分流冷气的作用。经由尾部叶片进入到内腔的冷气，将分别从设计的冲击孔和节流孔中流出，前缘叶片的表面在经由冲击射流的冲刷之后，气流通过气膜孔后会在叶片表面位置处覆盖一层气膜。

3.2 划分结构网格

在运用专业的网格划分软件下，借助软件自身的划分功能，对燃气涡轮导叶冷却结构中的域明确划分成流体域和固体域，其中前者采用的是六面体结构网格划分的方式，而后者采用的是非结构网格划分的方式。根据燃气涡轮导叶冷却结构的相关设计要求可知，总共需要生成大约450万的网格，并且第一层网格的厚度不得超过5～10m。在设计的燃气涡轮导叶冷却结构当中的气膜孔、节流孔等当中增加O型网格，流体域和固体域的边界位置处需要进行加密处理。网格质量控制需要至少保持0.2，否则将对后续的数值计算精确性产生相应影响。

3.3 冷却效果分析

在三维导热计算下，吸力面的最值分别为0.822和0.569，平均值则为0.705；而压力面的最值则分别为0.809和0.579，平均值为0.642。叶片表面无量纲的平均温度值为0.68，主流燃气无量纲进口温度为0.997，冷却气流无量纲进口温度为0.501。按照主流燃气无量纲进口温度与叶片表面无量纲平均温度的差值和主流燃气无量纲进口温度与冷却气流无量纲进口温度的差值作比的方式计算冷却效率，可知在三维导热计算中得到的冷却效率为0.639。而在气热耦合计算当中，吸力面的最值分别为0.849和0.582，平均值则为0.677；而压力面的最值则分别为0.832和0.602，平均值为0.67.叶片表面无量纲的平均温度值为0.674，主流燃气无量纲进口温度以及冷却气流无量纲进口温度则与之前相同，分别为0.997和0.501；气热耦合计算下的冷却效率则为0.651。通过对获取的模拟数值进行进一步的分析比对即可得知，两者计算温度差和冷却效率差分别为0.9%和1.8%，基本能够对叶片表面温度进行准确估计。而在叶片表面温度分布上，前缘叶片拥有良好的冷却效果，在七列气膜孔的设置和隔板的布置之下，气膜基本上实现了叶片表面的全覆盖，进而使得前缘叶片的表面温度相比之前明显下降。设置在腔内的隔板使得冷却气流能够逐渐向尾部进行分流，因此每一列的气膜孔当中几乎拥有完全相等的冷气流量。综合来看，位于首尾两端的首列和第七列气膜孔冷气流量明显减少，而其余气膜孔的冷气流量增相应增加，因此不仅有效实现了冷气流量的均分，同时也可以防止过大的冷气流量进入到主流区当中，在同主流相互混合之下产生不必要的损失。

根据数值模拟的结果可以得知气热耦合和三维导热下的叶片表面无量纲平均温度差只有不到1%，其他的计算结果也基本相同。特别是在设置了隔板之后，腔内中的冷气横向串流得到有效控制，冲击冷却效果得到进一步强化，冷却效率提升幅度明显。而叶片表面上均匀分布的温度也显示出叶片表面温度不仅得到有效降低，且平缓的变化趋势也有效规避了热应力集中的情况出现。在本文设计的燃气涡轮导叶冷却结构当中虽然使用了不同的冷却方法，并且在压力侧尾缘根部处确实出现了高温区，但在管网以及三维导热计算之下，高温区的温度值最低，而这可能与管网计算精度不足有关。在到网格划分数目以及经验公式等多重因素的影响下，管网计算的精度值相对较低，进而对三维导热计算也产生了相应的影响。

4 结语

本文通过对燃气涡轮导叶冷却结构设计进行初步探究，综合运用了包括冲击和气膜等在内的各种冷却法，证明了三维导热计算对于燃气涡轮导叶冷却结构设计具有极大的帮助作用。本文设计的综合型燃气涡轮导叶冷却结构拥有0.651的高冷却效率，特别是在将前缘处的三列气膜孔的冷却流量进行适当增加，同时将与之距离较远的冷气流量适当减小之后实现了冷气的均匀分配，对于优化燃气涡轮导叶冷却效果起到了良好的辅助效果。

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