基于流熱耦合數值模擬的F級燃機二級動葉溫度場分析

柳邦家

摘 要：通過對某F級重型燃氣輪機二級動葉的全三維坐標外形掃描和內部結構的工業CT掃描，獲得了二級動葉完整的外形結構、尺寸和內部截面圖像，并提取了內型面的型線，基于數值模擬進行了動葉片的溫度場分布分析。

關鍵詞：燃氣輪機；3D掃描；數值模擬；溫度場

燃氣輪機二級動葉作為重要的透平部件，工作在極端高溫、高速旋轉的條件下，對動葉的材料和冷卻提出了很高的要求。F級燃氣輪機透平的動葉都應用具有航空使用經驗、高溫強度好的γ相析出硬化型Ni基超合金GTD-111，其中第二級動葉為精密鑄造，應用CoCrAly涂層，外面再復以氧化物表層。第2級動葉片為傳統對流冷卻方式，采用從葉根到葉頂直通孔的強制對流冷卻。冷卻介質為壓氣機第13級抽氣。所采用的透平冷卻技術包括沖擊冷卻、強制對流冷卻與氣膜冷卻方式。

本文以某F級重型燃氣輪機二級動葉為對象，采用計算流體力學的方法進行了溫度場分布的模擬分析。

1 外型掃描

選取外形完好的一片二級動葉，進行全三維坐標掃描。掃描設備為關節臂式三坐標測量機，關節臂測量機攜帶激光測頭，單點精度0.04mm，整體點云質量高，數據完整性好。

測繪結果文件打包為全三維小平面體格式（.STL格式）。掃描數據點非常密集，整體數據完整性非常好。

2 工業CT掃描

工業CT（Industial Computed Tomography）即工業計算機X線斷層攝影技術，本文采用6MWe加速器CT設備對動葉內部結構進行掃描[1]。為了準確的獲悉葉片內部孔的大小和位置，選取了典型截面進行CT掃描。通過進一步圖像處理獲得清晰的內部截面圖像，同時提取內型面的型線。

3 基于有限元的幾何建模

3.1 動葉冷卻技術

冷卻氣體從壓氣機13級抽出，沿途經過預旋，從葉根位置分兩部分流入動葉葉片內部。前緣分支冷卻氣體一部分流入葉片中弦帶有傾斜擾流肋結構的蛇形冷卻通道，沿程不斷與內壁面進行對流換熱；其后從前緣隔板的孔結構中噴出，對前緣內壁面形成沖擊換熱；最后與另一部分從補氣孔結構流入的冷卻氣體摻混，在位于前緣的三排氣膜孔處噴出并覆蓋在葉片表面。尾緣分支的冷卻氣體流動過程與上述過程近似，只是將前緣氣膜孔結構改為帶有矩形擾流柱結構的出流通道。此外，出于強化冷卻效果及提供局部保護等不同目的，還在相應位置額外添加了補氣孔、側向氣膜孔以及除塵孔等結構[2]。

3.2 形體建模

基于三坐標掃描和內型工業CT掃描的結果，獲得了較為完整的二級動葉幾何數據。基于這些數據的二級動葉的三維實體模型進行重建。

3.3 數值網格劃分

在ANSYS ICEM CFD15.0中生成二級動葉的計算網格。

網格特點如下：

（1）周期流道計算域。對整排動葉92片取其中一片流域開展計算，流域兩側設置為周期邊界。

（2）計算域包含流體域和固體域兩部分。流體域指葉片外部燃氣的流動和葉片內部冷氣的流動；固體域參與導熱。

（3）計算域主體采用四面體網格，流固交界面的流體邊界層區采用五面體棱柱網格。

（4）網格難點在于葉冠處周期流面的布置。周期流域面因為葉冠而呈現Z形皺褶。

4 二級動葉流動、冷卻與導熱數值模擬計算

4.1 邊界條件設置

根據燃氣輪機總體熱力性能計算結果給定二級動葉邊界條件。基于葉型幾何進口角的展向變化范圍在15°～35°范圍內給定了旋轉系下進口的相對氣流角。

4.2 計算方法

流體域基于旋轉坐標系下的定常三維粘性NS方程，固體域基于定常導熱方程。流體域與固體域通過界面進行傳熱。流體域湍流模型采用CFX內嵌的自動底層處理的K-ε湍流模型。固壁面均為無滑移壁面邊界。

對流項采用二階迎風格式，湍流項采用一階差分。迭代收斂準則設為殘差10-6，同時監控氣動效率、功率、壓比等總體參數的收斂。

4.3 計算結果分析

下圖為二級動葉氣（燃氣）熱（固體導熱）冷（冷氣）耦合計算獲得的葉片表面溫度分布。最高溫度出現在葉冠壓力側前沿附近，次高溫出現在葉片尾緣近葉尖的地方。

5 結束語

本文采用外形3D掃描和工業CT，獲得了某F級重型燃氣輪機第二級動葉的詳細幾何結構，并根據有限元進行了網格劃分，開展了單排動葉的流熱耦合數值模擬，獲得了二級動葉溫度場分布，為分析二級動葉故障和改進設計提供了一定的理論依據。

參考文獻

[1]程云勇.基于工業CT測量數據的空心渦輪葉片三維壁厚分析[D].西北工業大學，2009.

[2]李孝堂.現代燃氣輪機技術[M].北京：航空工業出版社，2006.

（作者單位：中國華電集團公司浙江公司）