燃氣輪機葉片前緣冷卻特性研究

鄭 添，王在華，應光耀，毛志偉

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

燃氣溫度升高可以提高燃氣輪機效率，但是隨著燃氣溫度的提升，燃氣輪機葉片工作環境越來越惡化，導致葉片壽命縮短，穩定性變差。

氣膜冷卻是燃氣輪機和航空發動機渦輪葉片的常用冷卻方式，其原理是在葉片壁面噴入冷氣，冷氣會粘附在葉片壁面上，在葉片壁面形成溫度較低的氣膜保護層。氣膜保護層將葉片與高溫燃氣隔離開，同時將熱量帶走，從而起到降低葉片溫度的效果。氣膜的冷卻效果主要受吹風比、葉片溫度以及氣膜冷卻孔型等因素的影響。

國內外在燃氣輪機氣膜冷卻方面開展了大量的研究[1-6]，如對多孔全覆蓋氣膜冷卻中的流動和換熱特性研究，并且對不同孔、吹風比、速度比下的換熱及冷卻進行仿真。李少華等[7]對葉片氣膜冷卻進行了數值研究，選擇湍流模型并采用SIMPLEC 算法，其模擬結果表明，氣膜孔位于葉片前緣時，葉片冷卻效果最好。唐學智等[8]主要在不同吹風比和主流湍流度條件下，分析了某重型燃氣輪機孔間距對動葉氣膜冷卻效率的影響。李錄平等[9]對葉片旋轉狀態下的冷卻進行研究，分析旋轉對葉片氣膜冷卻效果的影響。

綜上所述，大多數研究對象為葉片表面的換熱及冷卻系數，孔間距對葉片氣膜冷卻的影響[9-13]。目前對圓孔、交叉孔葉片氣膜冷卻的研究較少。本文根據燃氣輪機實際參數建立模型，設置邊界條件，選擇計算模型對葉片進行仿真，研究葉片在真實工作狀況下，氣膜對葉片冷卻效率、換熱系數的影響。對比分析圓孔、交叉孔在不同吹風比下的換熱系數及冷卻效率，同時對數值仿真結果進行分析，為實際工作中的葉片冷卻提供參考。

1 數值模擬

1.1 物理模型與計算方法

采用CATIA 建立葉片模型（見圖1），葉片高度28 mm，葉片間距18.9 mm，氣膜孔直徑1.5 mm，孔間距2.5 mm，如圖1 所示。交叉孔與圓孔進口形狀一致，區別在于交叉孔距離出口中心有12°夾角。圓孔和交叉孔開孔位置位于葉片前緣，與前緣中心線成45°夾角，如圖2 所示。

圖1 葉片幾何模型

圖2 圓孔和交叉孔孔型模型

在數值計算模型中，主流通道的高溫高壓燃氣來自燃燒室出口，其流動方向如圖3 所示。模擬中葉片表面的冷卻氣流是從葉片空腔的上部引入的，氣膜出流角度已根據次流進氣方向進行調整，與實際葉片的葉根進氣方式夾角一致，不影響主次流流場和氣膜冷卻效果。

圖3 主次流入口方向

1.2 網格劃分

網格質量影響計算結果，網格數量太少影響計算結果，數量太多影響計算速度。通過ICEM軟件對葉片模型進行結構化網格劃分，采用尺寸函數，粗細網格結合，同時對葉片氣膜孔壁面位置進行網格加密。網格數量選取200 萬，進行網格無關性試驗，如圖4 所示，驗證網格質量。

圖4 葉柵通道網格

1.3 邊界條件及控制方程

利用Fluent 流體計算軟件進行數值分析，選用Realizable k-ε 雙方程湍流模型，采用基于壓力的分離求解器進行求解，近壁面采用非平衡壁面函數法。壓力－速度耦合采用SIMPLEC 算法。采用二階迎風格式，收斂標準為殘差精度小于1×10-5，計算步長0.000 01 s。

葉柵道主流燃氣入口總壓設置為1.4 MPa，溫度設置為1 600 K，冷空氣進氣溫度設置為700 K。冷空氣的出口壓力無需設置，因為根據吹風比設定了冷空氣的進出口流量。通過設定冷氣的進氣溫度即可，可以計算出冷空氣的出口壓力。

Realizablek-ε 模型是一種帶旋流修正k-ε模型，在所有雙方程模型中，Realizable 模型最能精確模擬流動分離、復雜二次流以及強逆壓梯度邊界層流動。其中輸運方程為：

式中：；C1ε=1.44；C2=1.9；ρ 為空氣密度；κ 為湍流脈動動能；ε 為脈動耗散率；ρε 為耗散項的時間密度；t為時間常數；xi和xj為空間某一方向（i，j=1，2，3）；uj為時均速度（j=1，2，3）；μ 為粘性系數；μt為湍動粘度；Gk產生的湍流動能；Gb為浮力產生的湍流動能；YM可壓縮湍流中過渡擴散產生的波動；αk為湍流動能普朗特數的倒數，此處取1.0；αε湍流耗散率的倒 數，此處取1.2；C1ε和C3ε為 模型默認常數；Sk為用戶自定義項。

2 計算結果分析

2.1 葉片冷卻溫度的研究

為了研究不同吹風比下葉片吸力面溫度分布情況，分別選取吹風比M 為0.3，0.9，1.5，3 的風速條件下，對燃氣輪機葉片開圓孔進行數值模擬，研究葉片溫度、冷卻效率變化圖譜。對比各個吹風比下云圖后發現（見圖5），當風速增大時，葉片前緣溫度從1 500 K 下降至950 K，尾緣位置溫度從1 500 K 下降到1 250 K。葉片中緣隨著吹風比增大，溫度變化緩慢。仿真結果表明：前緣位置處氣膜效果和冷卻效果較明顯，隨流向至葉片中弦位置氣膜冷卻效果基本消失；葉片尾緣處無明顯氣膜效果，但其表面溫度卻有明顯下降。

圖5 葉片溫度云圖

增大吹風比的實質是在一定的主流質量流量下，增大次流的質量流量。由于燃氣輪機葉片在高溫、高壓工況下，葉片壓力面前緣氣膜孔位置氣膜覆蓋較好，隨著吹風比增大，冷卻氣量亦增大，氣膜覆蓋效果增強，前緣位置葉片表面溫度下降。而在葉片中弦，氣膜覆蓋效果較差，隨著吹風比增大，壁面溫度受冷氣量增大有所影響。在葉片尾緣，無明顯氣膜覆蓋效果，但是葉片表面溫度反而較低，主要受2 個因素引起：由于主流在葉柵通道進行膨脹加速，在葉片尾緣處速度較大，根據熱力學守恒定律，主氣流溫度降低，致使尾緣處的葉片溫度降低；并且吹風比增大，冷氣量增大，由于吸力面為凸形結構，冷氣在葉片中弦位置不易附著，而在尾緣位置，由于主流的作用又重新附著在葉片上，從而降低壁面溫度。

2.2 葉片冷卻效率的研究

對比各個吹風比下云圖后發現（見圖6），當風速增大時，葉片前緣、尾緣位置冷卻效率一直增加。其中葉片尾緣冷卻效率從0.05 上升到0.25，葉片前緣圓孔邊緣從0.05 上升到0.7，冷卻效率上升很大。而在葉片中弦位置，冷卻效率略有增大，但沒前緣和尾緣位置明顯，這是由于冷氣量增大，次流出流速度增大，冷氣較難在凸壁面進行貼附，對壁面的冷卻效果較差。

2.3 不同孔型冷卻效率分析

針對圓孔、交叉孔2 種孔形的冷卻效率進行分析，研究不同吹風比下冷卻效率變化趨勢。

圖6 葉片冷卻效率云圖

圖7 了給出了吹風比M 為0.3，1.2，2.5 和3的風速條件下，圓孔、交叉孔2 種孔形的冷卻效率。圖中縱坐標ηav代表葉片冷卻效率，X 代表吸（壓）力面上點到前緣駐點的弧長，S 代表弧面長度。X/S=0 代表前緣駐點處，X/S=1 代表尾緣末端，X/S 值越大，與前緣駐點距離越遠。可知，隨著吹風比增加，葉片冷卻效率普遍增加，葉片前緣處冷卻效率增加幅度較大，從0.2 上升到0.35，葉片中緣、尾緣變化趨勢較小，維持在0.25 左右。在葉片前緣處，交叉孔的冷卻系數比圓孔高。隨著吹風比增大，2 種孔形的冷卻效率差距越來越大。這是由于在葉片前緣圓孔形成卡門渦街，造成雷諾數較大，氣膜厚度大，換熱效果較差，且交叉孔比圓孔氣膜孔出口面積大，氣流量增加，導致冷卻效率隨之增加。

圖7 不同吹風比下葉片冷卻效率

在葉片中緣、尾緣，圓孔和交叉孔冷卻效率相差不大。空氣氣流在葉片中緣、尾緣雷諾數相差不大，空氣氣膜覆蓋程度大體一致，導致冷卻效率一致。經過以上數值仿真，結果表明，孔型對葉片冷卻效率有影響，其中交叉孔相比圓孔冷卻效果更好。

2.4 不同孔型換熱系數分析

如圖8 所示，4 種吹風比下，交叉孔與圓孔徑向平均對流換熱系數的變化趨勢基本一致。不難發現，在葉片前緣位置，對流換熱系數最大，中弦和尾緣位置的對流換熱系數較小。由于在前緣氣膜孔位置，氣膜孔的覆蓋增大了葉片表面與氣流的擾動作用，從而增大對流換熱系數，增強葉片表面的換熱，有更多的熱量被氣膜層帶走，起到降低葉片表面溫度的目的。相同吹風比，交叉孔的徑向平均對流換熱系數比圓孔大，同樣是由于交叉孔的次流出流面積較大，其氣膜覆蓋區域較大，對葉片表面的氣流擾動作用更強，其對流換熱系數也更大。

3 結論

用數值模擬研究了交叉孔和圓孔的冷卻系數、換熱系數、冷卻效率，在不同吹風比下交叉孔、圓孔冷卻效率、換熱系數的變化趨勢，分析冷卻效率及換熱系數的影響因素，得出結論如下：

圖8 不同吹風比下葉片對流換熱系數

（1）葉片前緣冷卻效率和換熱系數較高，葉片中緣、尾緣相對較小，且交叉孔和圓孔沿著葉片冷卻效率、換熱系數的變化趨勢一致。說明葉片氣膜覆蓋效果較好，冷卻效率和對流換熱系數較高。

（2）交叉孔葉片的冷卻效率和對流換熱系數比圓孔高，由于交叉孔比圓孔氣流面積增大，強化了葉片表面的換熱及冷卻。

（3）隨著吹風比增加，葉片表面各處氣流速度增加，氣流速度加快，對葉片的擾動增大，冷卻、換熱系數增加，氣膜帶走大量熱量，葉片表面溫度降低。