擾流柱對層板冷卻葉片前緣傳熱影響的數值研究

盧元麗，王 鳴，吉洪湖，杜治能

（1.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015；2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016）

0 引言

燃燒室出口的高溫高壓燃氣通過渦輪作功，使得渦輪葉片工作環境惡劣，尤其是渦輪葉片前緣需要有效的熱防護，通常采用耐高溫材料和有效冷卻2種方式。美國GE公司DDA分公司于1974年開發了1種Lamilloy層板結構[1]，其冷卻集氣膜、沖擊、強化對流換熱于一體，冷氣流量比常規冷卻的減少30%，節省下來的冷氣可以大大改善燃燒室出口溫度分布，并降低排氣污染。國外的層板冷卻技術已進入實際應用階段[2]。

Favaretto等人[3]對不同沖擊孔、氣膜孔、擾流柱直徑和不同通道高度的層板結構進行了數值模擬和傳熱優化分析。Funazaki等人[4-5]的研究表明，相對于一般的射流沖擊換熱，帶擾流柱的射流沖擊可使換熱有效面積增加50%左右；通過與試驗結果對比發現，在有沖擊射流的流動中采用k-ε 湍流模型可以得到更適合的局部換熱系數。近年郁新華、全棟梁等人[6-11]以平板為模型，詳細研究了層板冷卻的開孔率、擾流方式、擾流柱形狀、通道高度等內部結構參數以及主流和二次流的雷諾數、吹風比等流場參數對層板的流動與換熱規律的影響。數值計算與試驗結果表明，氣流的沖擊和反沖以及擾流柱柱面使得換熱面積增大是層板冷卻結構具有高效換熱的主要原因。

本文主要對葉片前緣采用層板冷卻的方式進行數值模擬研究。在氣膜孔、沖擊孔和擾流柱的相對位置分布一定的情況下，比較沖擊雙層壁和帶圓形、方形、菱形擾流柱4種層板冷卻葉片前緣的換熱特性。

1 計算模型

1.1 物理模型

共設計雙層壁和帶圓形、方形、菱形擾流柱的4種層板冷卻葉片前緣結構數值分析模型，沖擊雙層壁結構和帶擾流柱的層板結構的局部流動方式如圖1所示，其中氣膜孔、沖擊孔和擾流柱的相對位置關系如圖2所示。葉片前緣由內板、外板、擾流柱及擋板組成，如圖3所示。內板上開有沖擊孔，外板上開有8排氣膜孔，按順時針方向依次編號為1～8。前緣與葉片中部用假設的擋板隔開，擋板只對其附近區域的流動與換熱產生影響，便于重點考察前緣區域的流動與換熱。前緣外板的表面上M、N2點間的弧長為l；為討論方便采用沿葉片表面的貼體坐標s，坐標原點在5號氣膜孔排的中心線與葉片表面的交點上，s 的正向指向葉片的壓力面，負向指向葉片的吸力面。氣膜孔孔徑為df，叉排，沿葉高方向間距h=7.825df，軸線與葉高方向傾角為30°，擾流柱的當量直徑dpf=1.25df，葉片前緣層板結構中進氣板厚hinlet=1.5df，出氣板靶板厚houtlet=1.75df，2層板之間的隔腔厚hs=1.5df，沖擊孔的孔徑dih=2df。

圖1 沖擊雙層壁與帶擾流柱的層板結構

圖2 氣膜孔、沖擊孔和擾流柱的位置分布

圖3 前緣模型

1.2 邊界條件與物性參數

為保證研究的一般性并減少網格量，本文取1個葉柵通道的葉片前緣部分作為計算域，包括流體域和固體域，其中流體域包括冷氣域和熱流域。

本文對葉片前緣和燃氣進行流熱耦合計算，計算域的邊界條件設置如圖4所示。將燃氣來流壓力和冷氣腔來流壓力設為進口壓力；將冷氣與燃氣混合后的壓力設為出口壓力；將柵距方向的端面設置為周期性邊界條件，將葉片前緣與流體接觸的面設為耦合面，其他面為絕熱邊界。

圖4 邊界條件設置

計算過程中冷熱氣體均以理想氣體處理，氣體的比熱容、黏性系數和導熱系數設定為根據分子運動論進行變化。葉片材料為DD6單晶合金，比熱容和導熱系數隨溫度變化，采用線性擬合公式擬合。

1.3 網格劃分與獨立性驗證

計算域采用4面體非結構化網格劃分。外板的前緣外表面和內板內表面附近網格采取加密措施。由于前緣內外板、隔腔通道、氣膜孔、擾流柱和沖擊孔為主要關注區域，所以網格劃分較細密，比例依次為41%、16.3%、0.8%、0.9%、1.33%。靶面平均溫度隨網格量的變化如圖5所示。為節約計算資源，本文計算模型的網格量為255萬左右。

2 計算方法

圖5 網格獨立性驗證

采用商業軟件FLUENT的分離隱式穩態求解器求解3維N-S 方程，并運用RNGk-ε 湍流模型和非平衡的壁面函數；各物理量的離散格式均為2階迎風格式；壓力-速度的耦合采用Simple算法；解收斂標準除了質量方程的最大相對殘差小于10-3外，其余各項變量的相對殘差均小于10-5，并且靶面和前緣表面的平均溫度的變化都在±1K之內。

3 計算結果與分析

3.1 層板冷卻葉片前緣流動結果分析

總壓損失系數定義為

圖6 總壓損失系數

圖7 不同模型的冷氣流量

前緣各排氣膜孔處的總壓損失系數如圖6所示。第5排氣膜孔的總壓損失最小，其兩側的氣膜孔總壓損失逐漸增大，并且吸力面側的第1～4排氣膜孔的總壓損失大于壓力面側的第6～8排氣膜孔的；在同一排氣膜孔處，本文的4種模型的總壓損失系數差別不大。不同模型的各排氣膜孔的冷氣流量分布如圖7所示。當冷卻流量基本相等時，層板結構的內部流動損失大小與沖擊孔、擾流柱、氣膜孔的相對位置有關，而本文中前緣層板結構的排布方式是在文獻[6]中所提出的繞流方式中對流動影響最小的1種，氣流在由沖擊孔進入隔腔通道后，大部分冷氣沿著靶面流向氣膜孔，橫掠擾流柱的氣流很少。因此，在本文中的沖擊雙層壁和帶擾流柱的層板結構中，任意氣膜孔排處的總壓損失差別很小。

3.2 層板冷卻葉片換熱結果分析

為消除邊緣效應的影響，本文在數據處理時只給出A-A 到C-C 截面之間的換熱結果。前緣的曲率較大，本文將不同角度的云圖在5排氣膜孔處拼接得到完整的靶面或前緣表面云圖。

3.2.1 靶面的對流換熱系數分布

4種不同前緣模型的靶面對流換熱系數分布如圖8所示。沖擊雙層壁和帶擾流柱的層板冷卻葉片前緣的靶面沖擊滯止區的對流換熱系數分布比較接近，在沖擊滯止區內對流換熱系數最大，遠離沖擊滯止區對流換熱系數逐漸減小；在帶擾流柱的層板前緣結構的靶面上各氣膜孔進口之間的低對流換熱區較少；方形擾流柱靶面對流換熱系數的影響比圓形、菱形靶面的影響大，差別不明顯。原因是氣流在進、出口壓差的驅動下由冷氣腔流經沖擊孔進入隔腔沖擊靶板，在靶面速度降至0后偏轉，在沖擊區形成對流換熱系數較大的區域；由于4種不同的前緣模型中沖擊孔的分布和孔徑相同，氣流沖擊到靶面上的流動狀態相近，因此在靶面上沖擊區的對流換熱系數比較接近。

之后，一部分氣流反轉流向前緣內板，與其外側面進行換熱；另一部分氣流橫掠擾流柱流向下游，由于擾流柱處于氣膜孔進口之間，剛好是沖擊雙層壁的靶面對流換熱系數較小的區域，在擾流柱前形成流動渦，使此處氣流流動更加紊亂，增加了擾動，從而使此處的換熱系數增大；還有一部分氣流沿著靶面流向氣膜孔。這些氣流相互影響，形成復雜的3維流動。

圖8 靶面對流換熱系數分布

3.2.2 前緣表面冷卻效率分布

葉片前緣表面的冷卻效率分布如圖9所示。從圖中可見，冷卻效率在前緣區域駐點附近較低，沿流向逐漸升高，而在靠近隔腔的末端，由于擋板的存在使其再次降低，并且在靠近壓力面的高冷卻效率區的面積大于靠近吸力面側的；帶擾流柱的前緣表面的冷卻效率明顯比沖擊雙層壁的高；方形擾流柱前緣冷卻效率最高，氣膜覆蓋效果最好，菱形的次之，圓形的最差。

圖9 前緣表面冷卻效率分布

結合圖7給出的不同模型中不同氣膜孔排的冷氣流量分析：雖然第1排氣膜孔的冷氣流量最大，但是由于下游靠近前緣區域有擋板，使氣流流動不暢，導致冷卻效率較低；第3、7排氣膜孔冷氣流量比其他排的流量大，氣膜孔下游的冷卻效率較高，并且覆蓋良好；而第5排氣膜孔處在前緣的駐點區附近，氣流難以在此處形成氣膜，則相應的冷卻效率較低。擾流柱在層板冷卻結構中起到很大的作用，首先對層板結構起到支撐作用，增大了葉片的強度；其次其柱面增大隔腔通道內部的換熱面積、增強通道的紊流等作用都提高了層板內部的換熱效率；同時擾流柱的導熱作用會使層板葉片的溫度分布趨于均勻，減小熱應力。因此，帶擾流柱的層板冷卻葉片前緣的冷卻效率比沖擊雙層壁的更高。方形擾流柱楔形柱面對氣流的導流作用，使氣流流出氣膜孔后在前緣表面形成很好的氣膜覆蓋。氣流由沖擊孔流入隔腔通道后，一部分垂直沖向菱形擾流柱的柱面，氣流滯止偏轉，提高了隔腔通道內部的換熱效率；同時冷氣帶走了擾流柱柱面的大部分熱量，擾流柱的導熱作用使葉片前緣的溫度降低。而圓形擾流柱增強換熱的綜合作用效果比方形與菱形的稍差。

4 結論

（1）沖擊雙層壁的總壓損失與帶圓形、方形、菱形擾流柱的層板冷卻葉片前緣的相差不大。

（2）帶擾流柱葉片前緣靶面的對流換熱系數小的低換熱區比沖擊雙層壁前緣的靶面的少；方形、菱形與圓形擾流柱的靶面換熱系數差別不大。

（3）在葉片前緣表面駐點附近的冷卻效率較低，靠近壓力面、吸力面側的冷卻效率較高；方形擾流柱的氣膜覆蓋最好，菱形與圓形次之。

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