透平葉頂氣膜冷卻效果數(shù)值研究

王蛟　黃啟鶴　何磊

摘 要： 采用三維數(shù)值模擬方法，研究了GE

E3發(fā)動機第一級透平動葉葉頂間隙內(nèi)的氣膜流動與換熱特性，評估了氣膜吹風比M分別為0.5、1.0和1.5時，對葉頂換熱系數(shù)以及冷卻效率的影響.計算結(jié)果表明：葉頂氣膜冷卻空氣改變了葉頂泄漏流動特性，隨著吹風比的增加，葉頂間隙內(nèi)的泄漏流動區(qū)域不斷縮小，從而導(dǎo)致葉頂間隙泄漏量不斷減小；隨著氣膜冷卻吹風比的增大，葉頂平均換熱系數(shù)逐步降低；在M=1時，冷卻效果最佳.

關(guān)鍵詞： 透平葉頂； 氣膜冷卻； 數(shù)值模擬

中圖分類號： TK 411.6 文獻標志碼： A

Numerical study of film cooling effectiveness on a flattip turbine blade

WANG Jiao， HUANG Qihe， HE Lei

（R & D Division， Shanghai Electric Gas Turbine Co. ， Ltd. ， Shanghai 200240， China）

Abstract： A numerical study is carried out to simulate the tip leakage flow and heat transfer on the blade tip of the first stage rotor of GE

E3 turbine.Three different blowing ratio（M=0.5，1.0，and 1.5） of cooling flow have been analyzed to evaluate the effect of blowing ratio on leakage flow and cooling effectiveness on the blade tip.Results indicate that as blowing ratio increases，the unblocked height above the film holes decreases.Film cooling reduces evidently the overall heat transfer on the tip，which shows the best performance at the blowing ratio M=1.0.

Keywords： blade tip； film cooling； numerical study

在現(xiàn)代高性能燃氣輪機中，透平動葉葉頂由于難以進行有效冷卻，是葉片溫度和傳熱率最高的區(qū)域，使其成為動葉最易破裂和失效的區(qū)域，直接影響葉片壽命.如何有效地對葉頂進行冷卻是目前還沒有徹底解決的問題，這已成為葉片設(shè)計中的關(guān)鍵問題和技術(shù)挑戰(zhàn)之一[1].因此，研究葉片頂部間隙中的流動與換熱問題，對燃氣輪機透平動葉的設(shè)計具有重要意義[2].

葉頂區(qū)域熱防護的最常見的方法之一是氣膜冷卻，通過葉頂氣膜孔從冷卻通道中抽取適量冷氣并在葉頂表面形成均勻氣膜，隔離高溫泄漏流以降低熱負荷，同時對葉頂表面進行冷卻.因此有必要對葉頂氣膜冷卻展開系統(tǒng)的研究.

國內(nèi)外學(xué)者在葉頂間隙流場、換熱和氣膜冷卻等方面做了大量的試驗和數(shù)值研究.Azad等[1，3]采用瞬態(tài)液晶技術(shù)研究了GE-E3第一級動葉平頂和凹槽頂情況下的換熱，考慮了3種葉頂間隙和2種自由流湍流強度.

E3高壓透平第一級動葉放大3倍的葉片型線，參考Azad等[1]的實驗，建立三維平面葉柵計算模型，葉型數(shù)據(jù)詳見文獻[5].葉尖間隙為1.97 mm，為1.5%葉高.在葉片頂部沿中弧線布置8個直徑為2.5 mm的氣膜孔，孔間距為10 mm.供冷氣流通道簡化為直圓柱通道，長度假設(shè)為20倍氣膜孔直徑，忽略冷氣集氣室的影響.

1.2 邊界條件和湍流模型

利用商業(yè)計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件ANSYS CFX 14.0，采用有限體積方法，求解穩(wěn)態(tài)、可壓雷諾平均N-S方程，計算采用的湍流模型則為標準k-ω湍流模型.

計算邊界條件設(shè)置主要基于Azad等[1]的GE

E3平葉頂換熱實驗，具體為：在葉柵主流進口，總壓為129.96 kPa，總溫為300 K，進氣角為32°，湍流強度為6.1%，湍流尺度為1 cm；在葉柵出口，給定靜壓為108.3 kPa；葉片之間的流通面為周期性邊界；上、下端壁為無滑移、絕熱壁面.冷氣進口給定流量條件，相應(yīng)的吹風比M分別為0.5、1.0和1.5，冷氣進口總溫為350 K.冷氣通道壁面為無滑移、絕熱壁面.計算氣膜冷卻效率時，葉片表面設(shè)為絕熱壁面.為了得到葉片表面的對流換熱系數(shù)，需將葉片表面溫度設(shè)為350 K，而其它邊界條件不變，再次進行計算.

2 計算結(jié)果與分析

2.1 上端壁壓力系數(shù)分布

圖3給出了吹風比M分別為0.5、1.0和1.5時，上端壁壓力系數(shù)（pt/ps，即進口總壓與局部靜壓之比）分布圖.從圖中可以看出，上端壁靠近吸力面外側(cè)區(qū)域出現(xiàn)帶狀的高壓力系數(shù)，這反映了泄漏渦的軌跡.泄漏渦沿流向逐漸偏離葉片吸力面?zhèn)?隨著吹風比M增大，上端壁位于氣膜孔正上方及靠近壓力面內(nèi)側(cè)的區(qū)域的壓力系數(shù)逐漸減小，并且范圍也在逐漸擴大.這是因為吹風比增大，葉頂氣膜孔氣體出流動量增大，對葉尖間隙流阻礙加大，使得氣膜孔靠近壓力面?zhèn)葰饬鞯乃俣冉档?

圖3 不同吹風比時上端壁壓力系數(shù)分布圖

Fig.3 Comparison of pressure ratio distribution

on the shroud for M=0.5，1.0 and 1.5

2.2 葉尖間隙流線分布

圖4給出了吹風比M分別為0.5、1.0和1.5時冷卻氣體的流線圖.從圖中可以看出，冷卻氣體從葉頂氣膜孔出流后，流向葉片吸力面?zhèn)龋缓蠹铀倭鞒鋈~尖間隙，匯入主流形成泄漏渦.從流線上看，冷氣覆蓋了氣膜孔和吸力面?zhèn)戎g的葉頂局部區(qū)域，而且冷氣覆蓋范圍很小，各氣膜孔之間的冷氣互不摻混.這在后面的葉頂對流換熱系數(shù)和冷卻效率分布圖中也得到了反映.冷氣出流速度隨吹風比M的增大而增大.

圖4 冷卻氣體流線圖

Fig.4 Streamlines of the coolant air for

M=0.5，1.0 and 1.5

2.3 葉尖間隙軸向截面流線和速度分布

圖5為M=1.0時，不同軸向弦長位置（19%、46%和60%Cx）處葉尖間隙流線和速度云圖，其中，Cx表示軸向弦長.圖中表明：部分通道流加速進入葉尖間隙，在壓力面?zhèn)冉菂^(qū)存在明顯的分離泡，分離泡下游為流體再附區(qū).在軸向弦長的19%～60%的范圍內(nèi)，分離泡隨軸向弦長位置增大而逐漸增大，60%Cx處的分離泡已幾乎覆蓋了壓力面至氣膜孔之間的區(qū)域.分離泡覆蓋區(qū)域流體流速相對較低，邊界層相對較厚，導(dǎo)致?lián)Q熱較低；而再附區(qū)由于流體的直接沖擊作用，換熱明顯加強.這些在圖8葉頂壓力面?zhèn)冗吘壍膿Q熱系數(shù)分布上都得到了反映.

圖5 不同軸向弦長位置（19%、46%和60%Cx）

葉尖間隙流線和速度云圖（M=1.0）

Fig.5 Velocity magnitudes and streamlines on three

different planes（19%，46% and 60% Cx）

for M=1.0 case

圖6給出了不同吹風比，46%Cx處葉尖間隙流線和速度云圖.圖7為氣膜孔出口處的局部放大圖，圖中H為間隙流通流高度.吹風比M增大，從壓力面進入間隙的氣流的速度反而降低，說明冷氣流起到了阻礙通道流進入葉尖間隙的作用.從圖7可以看出，吹風比M越大，間隙流通過氣膜孔上方時的高度H越小，高度H表征了冷氣對間隙流的阻礙作用.此外，從冷氣流線可以看出，對于壓力面?zhèn)群蜌饽た字g的區(qū)域，冷氣只對出氣孔邊緣的極小區(qū)域有所覆蓋，吹風比M越大時，覆蓋現(xiàn)象有所增強，但也極其微弱.

圖6 不同吹風比下46%Cx處葉尖間隙流線和速度云圖

Fig.6 Velocity magnitudes and streamlines in the tip gap

at 46% Cx for three different blowing ratios

圖7 局部放大圖

Fig.7 Partial enlarged drawing

2.4 葉頂換熱系數(shù)及冷卻效率

圖8給出了不同吹風比M下，葉頂換熱系數(shù)和冷卻效率分布圖，從圖中能清楚地觀察到冷氣流動路徑.冷氣覆蓋區(qū)域換熱系數(shù)明顯低于其它區(qū)域，冷氣的冷卻作用沿冷氣流向逐漸減弱.靠近前緣的3個氣膜孔，由于幾何位置和流場因素，其氣冷作用距離相對較長，在到達吸力面?zhèn)葧r，冷卻效果已經(jīng)很弱或消失；而其它氣膜孔出流的冷氣，冷氣作用距離相對短，在冷氣還能發(fā)揮作用時冷氣已穿過葉頂，說明這些氣膜孔出流的冷氣沒有充分發(fā)揮作用，是一種“浪費”.

圖8 葉頂換熱系數(shù)及冷卻效率分布圖

Fig.8 Heat transfer coefficient and film cooling effectiveness

on tip for three different blowing ratios

從葉頂冷卻效率分布來看，除氣膜覆蓋區(qū)外，葉頂其它區(qū)域的冷卻效率為0.冷氣出流處冷效最高，沿冷氣流向冷卻效率逐漸降低直至消失，而且冷氣有效作用的路徑寬度也逐漸減小.在吹風比M=0.5時，由于冷氣出流動量較小，冷氣較易被間隙流壓在葉頂表面，因此每個氣膜孔下游都出現(xiàn)了較高的冷卻效率；而吹風比增大至1.5時，氣膜孔下游的高冷卻效率區(qū)已基本消失.

圖9給出了不同吹風比M下，葉頂面積平均換熱系數(shù)和冷卻效率.與無氣膜冷卻（M=0）情況相比，葉頂帶氣膜冷卻時，葉頂整體換熱水平大幅降低，說明葉頂開氣膜孔對葉頂起到一定的熱防護作用.在吹風比M=1.0時，葉頂平均換熱系數(shù)最低，葉頂平均冷卻效率最大，這時冷氣的冷卻效果最佳.這是因為吹風比M=0.5時，冷氣有效作用路徑寬度相對于M=1.0時較小；而吹風比M=1.5時，冷氣出流動量太大，貼附壁面能力較弱.因此，需要綜合考慮氣冷貼附壁面能力和冷氣有效作用路徑寬度，合理選擇吹風比范圍.

圖9 葉頂面積平均換熱系數(shù)及冷卻效率隨吹風比變化

Fig.9 Areaaveraged heat transfer coefficient and

film cooling effectiveness on tip for

three different blowing ratios

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值方法研究了葉頂帶氣膜冷卻時，吹風比M變化對葉頂換熱系數(shù)和冷卻效率的影響.主要得到以下結(jié)論：

（1） 葉頂有氣膜冷卻時，能大幅降低葉頂?shù)恼w換熱水平.存在最佳吹風比M=1.0，此時葉頂冷卻效率最佳，整體換熱水平最低.

（2） 采用葉頂氣膜孔沿中弧線分布，將不能充分發(fā)揮冷氣的冷卻效果，氣膜冷卻孔位置分布有待于進一步的研究.

參考文獻：

[1] AZAD G M，HAN J C，TENG S.Heat Transfer and Pressure Distribution on a Gas Turbine Blade Tip[C]∥Turbo Expo Land，Sea & Air，Munich，Germany，2000：ASME 2000-GT-0194.

[2] BUNKER R.A Review of Turbine Blade Tip and Heat Transfer in Gas Turbine Systems[C]∥Annals of the New York Academy of Sciences，New York，America，2001：64-80.

[3] AZAD G M，HAN J C，BOYLE R.2000.Heat Transfer and Pressure Distribution on the Squealer Tip of a Gas Turbine Blade Tip[C]∥Turbo Expo Land，Sea & Air，Munich，Germany，2000：ASME 2000-GT-0195.

[4] KWAK J S，HAN J C.Heat Transfer Coefficient and Film Cooling Effectiveness on a Gas Turbine Blade Tip[C]∥ASME Turbo Expo，Amsterdam，The Netherlands，2002：ASME GT-2002-30194.

[5] TIMKO L P.Energy Efficient Engine High Pressure Turbine Component Test Performance Report[R].NASA CR-168289，1990.