趙俊明，姜東坡，鄒建偉

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)隨著冷卻技術(shù)的發(fā)展，其渦輪進(jìn)口溫度的不斷提高［1-3］早已超出葉片材料承受溫度，為了進(jìn)一步提高效率必須采用更先進(jìn)的冷卻方式。以往大部分渦輪設(shè)計(jì)者普遍采用的是分離迭代求解方法，但是這樣反復(fù)迭代［4］容易導(dǎo)致計(jì)算繁瑣和結(jié)果不準(zhǔn)確，同時(shí)設(shè)計(jì)和計(jì)算周期長。目前一種先進(jìn)的計(jì)算方法氣熱耦合計(jì)算［5］在渦輪葉片設(shè)計(jì)中得到較好的應(yīng)用，尤其在復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)中更為有效。本文利用氣熱耦合計(jì)算方法獲得該矩陣?yán)呤饺紮C(jī)渦輪葉片的換熱效果，并對葉片及流場進(jìn)行結(jié)果分析。

1 計(jì)算方法

1.1 物理模型

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片內(nèi)部為矩陣?yán)呤嚼鋮s結(jié)構(gòu)，采用了前后兩個(gè)腔室加沖擊套筒的整體結(jié)構(gòu)，冷卻方式包括沖擊冷卻、氣膜冷卻、肋板擾流和尾緣劈縫等多種冷卻。葉片前緣密布著多排氣膜孔，在壓力面和吸力面亦各有幾排氣膜孔。冷卻空氣一部分從前腔進(jìn)入葉片內(nèi)部，經(jīng)沖擊冷卻后由葉片表面冷卻孔排出進(jìn)行氣膜冷卻，另一部分從后腔進(jìn)入葉片內(nèi)部，經(jīng)矩陣?yán)邤_流結(jié)構(gòu)和尾緣梳齒結(jié)構(gòu)從尾緣排出與燃?xì)饣旌稀?/p>

1.2 控制方程

流體的控制方程是連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程，采用三維非定常N-S方程，在三維笛卡爾坐標(biāo)系下，其守恒運(yùn)動(dòng)方程組如下：

式中：SM為動(dòng)量的源項(xiàng)；SE為能量的源項(xiàng)；h*為比總焓，h*=h+U2/2，且 h=h（p，T）。

1.3 網(wǎng)格及邊界條件

本文采用CFX軟件進(jìn)行氣熱耦合數(shù)值模擬，網(wǎng)格模型如圖1所示。對于燃?xì)膺M(jìn)口給定總溫總壓，燃?xì)鈪^(qū)域兩側(cè)設(shè)定為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件，燃?xì)獬隹谶吔鐥l件給定靜壓分布，冷氣入口給定流量（或壓力）和溫度。

圖1 高壓渦輪導(dǎo)葉網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算結(jié)果分析

以某燃機(jī)高壓渦輪導(dǎo)葉作為研究對象，計(jì)算條件為該葉片工作狀態(tài)下參數(shù)條件，根據(jù)燃料成分對物性參數(shù)進(jìn)行了擬合，使計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確。葉片表面溫度分布如圖2所示，葉片表面溫度比較均勻、溫差小，溫差引起的熱應(yīng)力較小，葉片表面溫度都在材料許用溫度范圍內(nèi)；葉片中截面流場流線分布如圖3所示，從圖中可以看出無附面層分離現(xiàn)象，流線分布較光滑。

圖2 葉片表面溫度分布云圖

圖3 燃?xì)饬鲌鲋薪孛媪骶€分布

數(shù)值模擬計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的換熱系數(shù)分布，圖4為內(nèi)背弧中截面的換熱系數(shù)分布。從圖中可以看出背弧的換熱效果大于內(nèi)弧，但背弧和內(nèi)弧的尾緣都比前緣換熱效果好，原因是尾緣布置了大量的矩陣?yán)吆褪猃X結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了換熱效果。

圖4 內(nèi)背弧中截面的換熱系數(shù)分布

圖5 內(nèi)背弧中截面沿弧長的溫度變化

圖5為中截面內(nèi)背弧沿弧長的溫度分布，從圖中可以看出葉片前緣平均溫度在850K以下，中截面最高溫度小于920K，葉片表面整體溫度分布相對均勻，最大溫差為100K，熱應(yīng)力相對較小，葉片壽命長。整個(gè)計(jì)算結(jié)果表明冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理且冷卻效果好，工作狀態(tài)下的最大溫度在材料允許范圍之內(nèi)，整個(gè)葉片表面尾緣葉根處溫度略高，說明還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

3 結(jié)論

采用氣熱耦合計(jì)算可以準(zhǔn)確快速地得出高溫高壓下氣冷渦輪冷卻的流場分布情況和溫度分布云圖，可對葉片換熱效果和實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測，對于該葉片改型優(yōu)化和其他氣冷葉片提供了基礎(chǔ)。

通過對模型燃機(jī)高壓渦輪導(dǎo)葉氣熱耦合計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉表面溫度分布比較均勻，溫差不大，熱應(yīng)力相對較小，流場流線光順，無分離發(fā)生。

［1］胡東.燃機(jī)葉片冷卻技術(shù)對透平初溫的影響［J］.科技創(chuàng)業(yè)月報(bào)，2007（1）：196－197.

［2］倪萌，朱惠人，裘云，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)透平葉片冷卻技術(shù)綜述［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2005（4）：25－28.

［3］張效偉，朱惠人.大型燃?xì)馔钙饺~片冷卻技術(shù)［J］.熱能動(dòng)力工程，2008（1）：1－6.

［4］鄧化愚，劉玉芳，羅明俊，等.復(fù)合式氣冷渦輪葉片內(nèi)部流動(dòng)和換熱計(jì)算［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1989（4）：344-346.

［5］董威，黃維娜.某型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻葉片的流動(dòng)換熱耦合計(jì)算研究［J］.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2006（2）：14-17，32.