透平動葉葉頂氣膜冷卻設計方案研究

李月茹，何 磊，趙連會

(上海電氣燃氣輪機有限公司，上海200240)

為了提升燃氣輪機的熱效率和輸出功率，透平進口溫度不斷增加。隨著來流溫度的提高，透平葉片承受的熱負荷越來越大。由于葉柵內的流動換熱規律和葉片本身的結構特點，動葉葉頂往往是葉片上溫度最高的區域。由于存在葉頂間隙和復雜的二次流，葉頂區域的流動和傳熱設計存在一定難度。如果動葉葉頂冷卻設計不佳，就可能造成葉頂區域的涂層過早剝落，嚴重時可能造成金屬基材燒蝕，增加檢修服務的成本。因此隨著透平進口燃氣溫度的不斷提高，對動葉葉頂展開冷卻優化設計研究尤為重要。

透平葉片葉頂區域的流動換熱相當復雜，近年來研究人員已獲得一些研究成果。Ameri等[1]通過實驗和計算相結合的方式研究了第1級透平葉片葉頂傳熱系數的分布規律。O’Dowd等[2]通過實驗手段研究跨聲速下直列葉柵中透平葉頂的表面傳熱系數和絕熱壁溫。劉亮亮等[3]在低速渦輪實驗臺上采用萘升華技術對平葉頂和凹槽葉頂的傳熱系數進行了實驗測量，發現采用凹槽結構將影響葉頂泄漏流動，從而改變葉頂局部區域的換熱分布。Li等[4]研究了葉頂凹槽內泄漏流的發展規律。張魏等[5]提出在凹槽葉頂離散排布小隔板迷宮，可顯著擴大葉頂冷卻范圍，提高其冷卻效率和均勻性。Mhetras等[6]的研究表明，尾緣劈縫能明顯提高尾緣附近的冷卻效率，凹槽底、凹槽的內壁面和邊緣上的冷卻效率隨著凹槽深度的增加而增加。王維杰等[7]通過實驗研究尾切凹槽狀渦輪葉片葉頂的表面換熱，通過瞬態風洞實驗得到無冷卻和帶冷卻孔2種情況下的葉頂傳熱系數。O’Dowd 等[8]提出一種動葉葉頂重構并設置氣膜孔的結構，使用紅外測試技術測量葉頂的傳熱系數及氣膜冷卻效率。Kwak等[9]通過瞬態液晶技術研究了帶氣膜冷卻的動葉葉頂，發現傳熱系數和氣膜冷卻效率隨著葉頂間隙的增加而增加。隨著吹風比的增加，傳熱系數降低，氣膜冷卻效率提高。Yang等[10]在平葉頂和凹槽葉頂上分別進行了氣膜孔的排布設計研究。

本文針對透平動葉葉頂結構，基于葉頂區域的流動換熱特點，提出3種葉頂氣膜冷卻設計方案，展開流熱耦合分析計算，獲得各個氣膜設計方案下動葉葉頂區域的冷卻換熱特性。通過對比各葉頂氣膜冷卻方案帶來的冷卻效果，獲得最佳的葉頂氣膜冷卻結構，研究成果可為后續的葉頂的冷卻設計提供參考。

1 數值分析

1.1 幾何模型

無葉頂氣膜孔的原型葉片及葉頂結構模型如圖1所示。

圖1 原型葉片及葉頂結構

本文提出3種葉頂氣膜冷卻設計方案，期望通過葉頂區域的冷氣射流，達到有效降低葉頂溫度的效果，具體結構如圖2所示。

(a)方案1

方案1在葉頂凹槽平面的前部設置直徑較大的冷氣孔，在中弦直至尾緣靠近吸力面內側的位置開設氣膜孔排，在葉頂壓力面外側的中弦至尾緣區設置氣膜孔排。

方案2在葉頂壓力面外側全弧長范圍設置氣膜孔排，考慮冷氣疊加效應，從前至后孔間距逐漸增大?？紤]分離影響，在葉頂吸力側前緣至喉口的區域加開氣膜孔排，在葉頂凹槽平臺內沿中弧線設置帶傾斜角度的冷氣出流孔。

方案3在葉頂壓力面全弧長范圍及吸力面前緣至喉口區域布置氣膜孔排，在葉頂凹槽平面的前部設置直徑較大的冷氣孔，在中弦直至尾緣靠近吸力面內側的區域設置氣膜孔排。

1.2 數值計算方法及邊界條件

本文采用流熱耦合方法進行計算，注重熱量交換的動態過程。本文通過流體固體交界面上的熱流密度和溫度的耦合展開計算，計算結果能準確反映流體域和固體域之間的相互影響。依托交界面、網格面與單元換熱面間的插值，傳遞溫度及熱流信息。根據工程計算精度要求，選擇SSTk-ω湍流模型，開啟自動壁面條件，保證壁面與近壁自由流剪切層之間的求解精度。葉片轉速設置為3 000 r/min。主流和冷卻氣體設為具有恒定比熱的理想氣體?；谌細廨啓C運行設計工況下的參數，在CFX軟件中給定主流進口總溫、總壓、氣流角、出口靜壓及冷氣進口總溫、總壓，通過求解質量、動量、能量方程以及雷諾輸運方程，計算各冷卻設計方案中的溫度場，獲得葉頂間隙內的流動換熱特性。

1.3 網格劃分

本文的研究對象包含葉頂凹槽、氣膜孔等結構復雜的小尺寸幾何模型?？紤]網格精度及工作量，在ICEM15.0中完成非結構網格的劃分工作，計算域包括冷氣域、燃氣域和固體域。通過局部加密網格以及設置近壁區域的邊界層網格，完成網格劃分工作。計算網格如圖3所示。對生成的網格進行質量檢查，網格正交性滿足計算要求。生成網格總單元數6 300萬，壁面第1層網格的y+值控制在1以內。

圖3 計算域網格劃分

2 結果與討論

2.1 無葉頂氣膜冷卻葉片的換熱特性

對葉頂進行氣膜冷卻優化設計前，為獲得葉頂區域的流動換熱特性，首先對原型葉片展開數值計算，作為冷卻優化的基準。無氣膜冷卻的葉頂表面相對溫度如圖4所示。由于該結構無局部冷卻，因此葉頂附近的溫度水平明顯高于葉身其他區域的溫度水平。其中，由于葉片吸力面燃氣流速高，換熱強烈，葉頂吸力面中弦區熱載荷大，溫度更高。此外，由于冷氣由葉根進入內冷通道后與壁面存在熱交換，且沿程存在氣膜出流，使流至尾緣的冷氣量降低，溫度升高，導致葉頂尾緣也是相對高溫的位置。

注：T為壁面溫度；Tg為燃氣溫度；Tc為冷氣溫度

圖5為葉頂區域(葉頂凹槽平面、葉頂壓力面、葉頂吸力面)的相對傳熱系數分布?？梢钥闯?，在葉頂凹槽內，高傳熱系數區域位于凹槽前緣、吸力面內表面30%弧長位置，以及凹槽內近吸力面40%弧長至尾緣區域。在葉頂壓力面外側，傳熱系數較高，從前緣至尾緣呈現逐漸增大的趨勢，在葉頂尾緣劈縫處的傳熱系數達到最大。在葉頂吸力面外側，傳熱系數整體水平較低，僅在前緣附近傳熱系數較高。高傳熱系數往往對應局部的高溫，所以強換熱區域是進行氣膜冷卻設計的理想位置。圖6為葉頂凹槽內三維流線圖。氣流在凹槽內部卷吸、發展并與主流摻混，由葉頂越過，形成泄漏流。該流動特性印證了圖5傳熱系數的規律，劇烈的摻混、卷吸作用使局部區域產生高溫和強換熱的現象。

圖5 原型的葉頂傳熱系數分布

圖6 三維流線

2.2 方案1的葉頂冷卻換熱特性

基于圖4、圖5所示的葉頂相對溫度和傳熱系數分布特點，針對高熱載荷區，提出葉頂氣膜冷卻設計方案1，結構如圖2所示。圖7為方案1的葉頂溫度分布云圖。對比原型，方案1在葉頂中弦區的冷卻效果突出，除前緣及尾緣外，葉頂大部分區域溫度降低明顯。圖8為葉頂傳熱系數分布云圖?？梢?，隨著冷氣由凹槽前緣3個冷氣孔流出，葉頂凹槽內中弦區被低溫氣體大面積覆蓋，高換熱區的面積減少，主要集中在葉頂前緣與尾緣位置。但是，葉頂凹槽前緣孔的冷氣出流誘發葉頂泄漏流提前越過，導致葉頂吸力面前緣換熱反而提高，使該設計方案下的葉頂溫度梯度較大。

圖7 方案1的葉頂溫度分布

圖8 方案1的葉頂傳熱系數分布

表1為原型及方案1的冷氣消耗量，發現方案1帶來葉頂冷卻效果顯著提高的同時，冷氣量有所上升。為降低冷氣增量，進一步改善葉頂溫度分布的均勻性，提出葉頂氣膜冷卻方案2。

表1 原型及方案1冷氣消耗量

2.3 方案2的葉頂冷卻換熱特性

基于無葉頂冷卻結構及方案1的葉頂流動換熱特點，方案2首先在葉頂吸力面前緣附近增加氣膜孔?？紤]葉頂凹槽內冷氣分布的均勻性，在凹槽內沿中弧線從前向后設置4個冷氣孔，并在葉頂壓力面外側全弧長設置氣膜孔。圖9為方案2結構中的葉頂三維相對溫度分布，該氣膜設計下的葉頂前緣及壓力面表面溫度降低，溫度分布更加均勻。但方案2對葉頂吸力面中弦及尾緣這2個區域的冷卻保護作用相對較小，壁面溫度水平較高。圖10為方案2設計下的葉頂相對傳熱系數分布。對比原型及方案1，可見方案2葉頂凹槽內的傳熱系數分布更均勻。凹槽內冷氣孔的排布設計改善了葉頂出流狀態，使方案1中泄漏流提前越過的現象消失了，降低了葉頂吸力面前緣附近的高溫。

圖9 方案2的葉頂溫度分布

圖10 方案2的葉頂傳熱系數分布

表2為原型與方案2設計中的冷氣消耗量，可以發現，對比方案1，方案2的冷氣增量百分比降低一半。

表2 原型及方案2冷氣消耗量

2.4 方案3的葉頂冷卻換熱特性

綜合上述2種設計思路，對葉頂氣膜冷卻方案進一步優化，提出葉頂氣膜冷卻方案3。圖11為方案3的葉頂氣膜設計下的相對葉頂溫度分布，可見在葉頂前緣、壓力面、吸力面設置的氣膜孔所產生的熱沉效應及氣膜覆蓋效果很好地保護了葉頂前緣，降低了該區域的換熱強度。由葉頂凹槽前部的冷氣孔噴出的低溫射流直接沖擊葉頂吸力面內側高熱載荷區，改善了局部高溫。而在凹槽內的中弦區域，由于存在氣膜孔排設計，加之前部的冷卻氣流流經此處，形成冷氣覆蓋，因此葉頂中后部受到了較好的冷卻保護作用。圖12為方案3設計中的葉頂區域相對傳熱系數，可見方案3中的葉頂傳熱系數分布均勻，葉頂承受的熱載荷降低。表3為方案3設計所帶來的冷氣消耗量，可以發現，方案3與方案2的冷氣消耗量相同，均比方案1的冷氣增量百分比降低一半。

圖11 方案3的葉頂溫度分布

圖12 方案3的葉頂傳熱系數分布

表3 原型及方案3冷氣消耗量

2.5 葉頂氣膜冷卻方案比較

表4以原型的葉頂平均溫度作為基準，將方案1、方案2、方案3的葉頂平均溫度與之比較，發現增加葉頂氣膜孔設計可大大降低葉頂的溫度水平，降溫幅度可超過70 K。葉頂溫度分布比較情況如圖13所示。由圖13可發現，對比原模型，方案1葉頂溫度在前緣并未下降，吸力面前緣溫度略微升高，從20%弧長開始至尾緣溫度低于原型，特別是25%至90%弧長，降溫幅度超過50 K。將方案2與原型對比可見，前緣區域的降溫幅度約100 K，中弦至90%弧長區域的表面降溫幅度超過50 K，且冷氣增量百分比為方案1冷氣增量百分比的一半。方案3結合了方案1、2的設計特點，在冷氣消耗量等同于方案2的條件下，前緣、中弦直至90%弧長的區域均有75 K左右的降溫程度，降溫幅度大，且溫度分布均勻。表5列出原型、方案1、方案2、方案3的冷氣消耗量，對比原型，各方案的冷氣增量百分比均不超過2%?；谌~頂冷卻效果、溫度分布均勻性、冷氣量等綜合考慮，方案3為最佳葉頂冷卻設計方案。

表4 葉頂平均溫度降低值

表5 冷氣消耗量比較

圖13 葉頂溫度分布比較

3 結 論

針對葉頂高溫問題，本文首先通過流熱耦合方法獲得葉頂區域的流動換熱特性，針對高熱載荷區，提出3種葉頂氣膜冷卻設計方案，并分析各氣膜冷卻方案設計下的葉頂冷卻效果以及相應的冷氣消耗量，得到以下結論：

1)由葉頂相對溫度和傳熱系數分布可見，高熱載荷區集中在葉頂凹槽前緣、凹槽中弦靠近吸力面內側以及葉頂尾緣；

2)在冷氣增量百分比不超過1%的情況下，葉頂氣膜冷卻方案3是最佳設計，葉頂平均降溫幅度可達83 K，既保證了葉頂前緣及中弦區的冷卻效果，同時其葉頂區域的溫度分布也是3種方案中最為均勻的；

3)通過葉頂氣膜冷卻設計方案的研究，發現僅增加葉頂氣膜孔對葉頂尾緣的冷卻效果影響較小，后續可結合內部流道的優化設計，進一步改善葉頂的高溫情況，使溫度分布更加均勻。