燃氣輪機透平葉片氣膜冷卻數值模擬

沈菁菁

（上海發電設備成套設計研究院，上海 200240）

燃氣輪機透平葉片氣膜冷卻數值模擬

沈菁菁

（上海發電設備成套設計研究院，上海 200240）

透平葉片的冷卻技術是提高燃氣輪機效率的關鍵，其中氣膜冷卻是非常重要的一種冷卻方式。參考某型燃氣輪機第一級動靜葉片的幾何尺寸進行建模，采用數值模擬的方法對氣膜冷卻進行了分析研究，主要研究了葉片前緣的氣膜冷卻。分析比較了多種參數對氣膜冷卻效果的影響，即不同吹風比、密度比、自由流湍流度和射流角度的影響。結果顯示：吹風比過大或過小，冷卻效果都不好；高密度的射流比低密度的射流更容易保持在表面處；低湍流度比高湍流度時氣膜冷卻有效度更佳；適當調整射流角度能改善冷卻效果。

葉片；氣膜冷卻；數值模擬；影響因素；吹風比；冷卻效率

燃氣輪機（簡稱燃機）在航空推進器、陸用發電及各種工業動力中有著重要的應用。燃機發展的重要標志是透平入口溫度（TIT）的提高和壓氣機壓比的增加［1］，其中提高透平進口溫度能提高燃機循環效率和比功，提高機組單位體積的輸出功率及降低耗油率等。而隨著透平進口溫度的提高就必須采取更為有效的冷卻方式來降低燃氣透平葉片等高溫部件的溫度，以保證機組安全運行，提高葉片的使用壽命［2］。在葉片冷卻系統中，氣膜冷卻占有重要的地位，能對葉片表面形成有效的防護。

在實際燃機工作中，透平葉片一直處于高溫、高壓、高負荷的運行狀態中，這使得研究葉片冷卻技術的實驗十分困難，而且研究成本較高［3］。近年來，數值模型為數值流動和傳熱研究開創了新途徑，數值模擬預測能提供用實驗方法難以測得的詳細內容。在現有的透平葉片冷卻結構的基礎上，利用計算機進行流場建模及分析，不但能降低成本，而且方便修改，易于造型。為了避免理論分析與實際結果的差異，確保葉片的安全運行，在數值模擬研究的基礎上，選取最佳方案進行物理實驗，能大大提高研究效率，降低試驗的投入，對透平葉片氣膜冷卻進行數值模擬具有非常重要的意義。

1 氣膜冷卻概述

氣膜冷卻是從高溫環境的表面上的一個或多個離散孔中噴射出二次氣流（冷卻工質或射流）形成氣膜，以保護射出區域和下游區域的表面［1］。由于它是兩股不同溫度、不同速度、不同湍流度，甚至是不同工質的混合流動，其流動和傳熱過程都相當復雜。影響氣膜冷卻的因素很多，從幾何參數上講，主要有氣膜孔的噴射角度、孔的直徑D、噴射孔的長度與直徑之比L／D、孔間距與孔徑比P／D、孔排數、孔的排列方式以及孔的幾何結構等；從氣動參數上講，主要有吹風比M、射流與主流的密度比、主流湍流度Tu、主流馬赫數Ma、射流與主流的動量比以及噴射孔上游的主流邊界層厚度等。評價氣膜冷卻冷卻性能的參數主要有冷卻效率（即氣膜有效度）η、傳熱系數h、流量系數CD等［4］。

2 葉片有限元模型及邊界條件設置

2．1 葉片有限元模型

計算葉片是剖面為某動葉葉型的直葉片，頭部布置了平行的三排氣膜冷卻孔。為減少計算網格數，只截取葉片的一段來建模，以分析研究局部氣膜冷卻對葉片冷卻特性的影響。

圖1為計算葉片幾何結構示意圖。葉片弦長122mm，葉高為30mm；冷卻孔徑d＝2mm，排孔中氣膜孔的孔距為2d；中間一排孔位于前緣滯止點處，孔排距離為3d；葉片體內的冷卻空氣通道直徑為8．8mm，其中心位于葉型中弧線上，沿中弧線方向冷卻空氣通道與葉片之間的厚度為4．5mm。三排孔之間按交錯方式排列。

圖1 計算葉片幾何結構示意圖

生成的網格示意圖見圖2，圖中共生成網格總數為1 476 520個。為保證葉片附面層內流動計算的精度，在葉片外表面采用O型網格劃分法，葉片外表面邊界層網格第一層厚度為0．001 mm，網格層厚增長率為1．1，共20層［5］。在interface交接面上，對網格進行了加密。葉片表面氣膜孔附近的網格結構見圖3。

圖2 整體網格示意圖

圖3 氣膜孔附近網格示意圖

2．2 邊界條件

邊界條件設為主流壓力入口、壓力出口，射流流量入口，由于射流出口流入主流域中，所以不需要人為給定。參考壓力為當地大氣壓值，主流入口壓力給定為總壓1．8MPa，出口平均靜壓為1MPa。模擬過程對邊界條件進行了簡化，主流和射流均采用空氣理想氣體，流體和固體之間的傳熱只考慮對流換熱［6］，壁面均采用無滑移壁面邊界條件，上下兩側為絕熱壁面，主流域兩側為周期性邊界條件初值均為默認值。湍流模型為標準k－ε模型，各物理量的離散格式均為高精度，當各物理量平均殘差RMS低于10－4，主流與冷卻空氣進出口流量平衡時，則認為計算收斂。

通過改變冷氣流量來調節吹風比M的大小，以及通過改變主流的溫度來改變密度比，其中冷卻空氣靜溫為Tc＝500K。主流溫度及冷卻空氣溫度均以進口處的數據來算。在一定密度比ρ1／ρ2＝3．0時，冷氣流量與吹風比的關系見表1，表2給出一定吹風比M＝1．22時，主流溫度與密度比的關系。

表1 冷氣流量與吹風比的關系

表2 主流溫度與密度比的關系

3 計算結果及分析

3．1 吹風比的影響

相同主流溫度T∞＝1 400K，密度比ρ1／ρ2＝3．0時，對比不同吹風比葉片中截面上氣膜冷卻效率，見圖4。x／d表示離滯止點的正則化距離，x為此截面葉片表面上點到滯止點的邊線長度。

圖4 不同吹風比下葉片中截面氣膜有效度分布曲線

壓力面氣膜冷卻效率基本是隨吹風比增大而增大；而在吸力面上，離前緣氣膜孔較近的下游處，氣膜冷卻有效度也是隨吹風比增大而增大，但在遠離氣膜孔的下游處吹風比M＝1．22，氣膜冷卻有效度最高。總的來說，M 越大，頭部的氣膜冷卻有效度越高，吸力面下游處的冷卻效率也由于射流的脫離再附著而升高；當M＝1．22時，氣膜對整體的冷卻效果最好。

隨著吹風比的增大，冷卻空氣射流對頭部的覆蓋情況有所不同，當M＝0．61時，旁邊兩排孔的射流對兩邊的覆蓋情況良好，中間排孔的射流由于正對來流方向，噴射阻力最大，而此時的吹風比還不能提供足夠的壓差，使其冷卻空氣能覆蓋到上下側；M增大到0．90時，中間區域能被中間排孔的冷卻空氣部分覆蓋，覆蓋區域偏向吸力面側；至M＝1．22時，頭部覆蓋情況最好，雖是偏向吸力面側，但兩側情況均也良好；再增大吹風比至1．53，頭部射流有脫離葉片表面的趨勢，吸力面的氣膜在射流孔下游一段區域內已經脫離了葉片表面，使得冷卻效果變差。

因此，要得到良好的冷卻效果，合理的吹風比至關重要。在不同吹風比下，M＝1．22時，前緣氣膜冷卻對整體的冷卻效果最好，此時的葉片表面絕熱溫度分布見圖5。在氣膜孔下游較近的范圍內表面溫度能降到1 000～700K，較遠處溫度也不超過1 200K。

圖5 葉片表面絕熱溫度分布

3．2 密度比的影響

冷卻工質與主流燃氣相比，壓力較高，溫度較低，故兩者密度不同。可采用不同的主流溫度來調節密度比。分別計算了主流溫度T∞為800K、1 100K、1 400K和1 700K時，對應密度比ρ1／ρ2為2、2．5、3、3．5中截面葉片表面上的氣膜冷卻有效度（見圖6）。

圖6 不同密度比下中截面上氣膜有效度分布曲線

結果表明：壓力面氣膜冷卻有效度基本隨密度比的增大而增大，吸力面上，除了T∞＝800K外，其他情況下也符合氣膜冷卻有效度與密度比成正向變化的規律。這是因為當T∞＝800K時，冷氣壓力較大，中間孔排射流受其他兩排孔噴射的冷氣的影響，在下游處有氣膜疊加的情況，因此在部分區域會有較高的冷卻效率。

在其他條件相同時，主流溫度越高，密度比越大，高密度的射流比低密度的射流更容易保持在表面處，因此，氣膜冷卻在高密度時比在低密度時更有效，冷卻效率隨密度比增加而增大。

3．3 自由流湍流的影響

燃燒室出口產生的自由流湍流是影響葉片傳熱的主要因素之一，其有助于傳熱的強化。湍流能強烈地影響層流傳熱直至滯止區域、壓力面、轉捩過程和湍流邊界層的傳熱。湍流度又叫湍流水平，定義為脈動速度的均方根與時均速度的比值，是衡量湍流強弱的相對指標；在實際燃機里，透平葉片通道內的流動受到燃燒過程的影響，產生的不穩定流動湍流強度較高。在吹風比M＝1．22，密度比ρ1／ρ2＝3．0的情況下，對不同自由流湍流度下的氣膜冷卻有效度進行了計算，分析比較了低、中、高三種湍流度，即Tu＝1%，Tu＝5%，Tu＝10%時，葉片氣膜冷卻有效度的影響。

圖7給出了吹風比M＝1．22，密度比ρ1／ρ2＝3．0時三種湍流度下葉片表面的氣膜冷卻有效度。

圖7 不同湍流度下中截面氣膜有效度分布曲線

從圖中可以看到，在壓力面前緣x／d＝0～2，低、中湍流度對氣膜冷卻有效度影響不大；當Tu為10%的高湍流度時，影響卻很大，氣膜冷卻有效度明顯變小。在孔下游區域，湍流度的影響很小，低湍流時的氣膜冷卻有效度比高湍流時只有微小的提升。對吸力面的前緣（x／d＝0～2）來說，三種湍流度下氣膜冷卻有效度基本一致，說明湍流強度對這部分區域沒有影響；在氣膜孔下游區域，高湍流度的影響很大，此時氣膜冷卻有效度明顯降低，而Tu為1%和5%時，它們的氣膜冷卻有效度則達到重合的程度。這是因為冷卻射流和主流邊界層混合，使得擾動增強，湍流度對射流孔附近的氣流混合的擾動影響較大，從而使得前緣氣膜孔附近冷卻效率有較大的不同。

3．4 射流角度的影響

對葉片前緣區域來說，如果射流孔軸向布置，那么在前排孔間距之間會由于射流覆蓋不到而產生局部的高溫區，對熱負荷極高的頭部來說傷害會很大。所以使射流與葉高方向成一定角度，向葉片表面傾斜，能從一定程度上解決這一問題。因為射流向葉片表面傾斜后，冷氣能噴射到孔之間的區間，增大覆蓋面積，使氣膜更好的保護頭部。但是這種情況也有缺點，當射流斜向葉頂時，對上部區域的保護很好，而底部區域卻受不到任何氣膜的覆蓋，冷卻效果極差；同時對吸力面及壓力面也會因為射流偏斜產生氣膜冷卻分布不均的現象，即上半部分冷卻情況良好，而下半部分冷卻效果不太理想，反之亦然。

4 結語

筆者采用數值模擬的方法對燃機透平葉片的氣膜冷卻進行了數值模擬，主要計算了葉片前緣氣膜冷卻對整個葉片的影響。分析對比了多種因素，包括吹風比、密度比、自由流湍流度及射流角度對冷卻效率產生的影響，得出的結論如下：

（1）在ρ1／ρ2＝3時，對比M為0．61、0．90、1．22、1．53這幾種情況，其他條件相同，當M＝1．22時氣膜冷卻效率最好；吹風比過小，則由于冷氣量不夠，不足以覆蓋葉片頭部；吹風比過大，則射流孔前后壓差過大，頭部射流脫離葉片表面，氣膜在射流孔下游一段區域內不能貼合在表面，冷卻效果變差。

（2）在M＝1．22時，對比密度比ρ1／ρ2為2、2．5、3、3．5這幾種情況，其他條件相同，發現主流溫度越高，密度比越大，高密度的射流比低密度的射流更容易保持在表面處，氣膜冷卻在高密度時比在低密度時更有效，冷卻效率隨密度比增加而增大。

（3）高湍流度的情況比低湍流度的情況氣膜有效度低，湍流度對低吹風比時的影響比對高吹風比時的影響大，對壓力面的影響比對吸力面的影響大，但當高吹風比時，高湍流度對吸力面影響更大。

（4）射流與葉高方向成一定角度能增大氣膜的覆蓋范圍，改善孔間隙間冷卻效果，但是也使得底部區域冷卻效果變差。

［1］韓介勤，桑地普·杜達，斯瑞納斯·艾卡瑞．燃氣輪機傳熱和冷卻技術［M］．程代京，謝永慧，譯．西安：西安交通大學出版社，2005．

［2］葛紹巖，劉登瀛，徐靖中，等 ．氣膜冷卻［M］．北京：科學出版社，1985．

［3］張效偉，朱惠人．大型燃氣渦輪葉片冷卻技術［J］．熱能動力工程，2008，21（1）：1－6．

［4］安柏濤，劉建軍，蔣洪德 ．空冷透平靜葉氣膜冷卻數值研究［J］．工程熱物理學報，2005，26（3）：405－408．

［5］陳凱，董平，黃洪雁，等 ．全氣膜覆蓋掠葉片的幾何成型與網格生成技術［J］．熱能動力工程，2009，24（4）：421－426．

［6］鄒曉輝．燃氣輪機葉片氣膜冷卻的數值模擬［D］．吉林：東北電力大學，2008．

Numerical Simulation on Film Cooling Effect of Gas Turbine Blades

Shen Jingjing
（Shanghai Power Equipment Research Institute，Shanghai 200240，China）

Turbine blade cooling technologies are very important to the improvement of gas turbine efficiency，among which film cooling is one of the key ways．According to the geometry of the first－stage moving and stationary blade of a certain type of gas turbine，a blade model was set up，based on which numerical simulation was conducted to analyze the film cooling technology，with focus on leading－edge film cooling，so as to study the effects of following factors on the film cooling efficiency，such as the blowing ratio，density ratio，free stream turbulence and the jet angle，etc．Results show that poor cooling effect will be resulted if the blowing ratio is too high or too low；high－density jet stream can be maintained more easily on the surface than low－density stream；better film cooling effect can be obtained under lower but not higher turbulence conditions；the cooling effect can be improved by reasonably adjusting the jet angle．

blade；film cooling；numerical simulation；influence factor；blowing ratio；cooling efficiency

TK474．4

A

1671－086X（2015）01－0011－04

2014－05－07

沈菁菁（1989—），女，助理工程師，主要從事科研項目管理工作。E－mail：shenjingjing@speri．com．cn