董愛華， 顏培剛， 錢瀟如， 韓萬金，王慶超

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.哈爾濱電氣集團(tuán)公司中央研究院，哈爾濱 150028)

在燃?xì)鉁u輪的研制中，首要的關(guān)鍵技術(shù)是能夠設(shè)計(jì)滿足較高性能要求的冷卻結(jié)構(gòu)[1]。工程實(shí)際要求冷卻結(jié)構(gòu)既要具有強(qiáng)而均勻的冷卻能力，又要有低的流動(dòng)阻力，保證冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)口對(duì)冷氣壓力的需求在壓氣機(jī)所能提供的范圍內(nèi)[2]。燃?xì)鉁u輪中冷卻設(shè)計(jì)的范圍很廣，從簡(jiǎn)單的內(nèi)部通道到復(fù)雜的帶有成型氣膜孔的雙層壁冷卻[3]。James等[4]提出“反向渦”氣膜冷卻設(shè)計(jì)概念(DJFC)，在氣膜孔兩側(cè)，構(gòu)建兩個(gè)相鄰的分支，使氣膜孔出流兩側(cè)各附著一個(gè)小旋渦；與單一圓孔出流相比，DJFC具有高冷卻效應(yīng)，而且制作方便。Ravelli等[5]采用SBES湍流模型研究了第一級(jí)渦輪葉片上的壓力側(cè)氣膜冷卻旋渦的發(fā)展，并分析了冷卻劑與主流質(zhì)量流量比對(duì)氣膜冷卻旋渦的影響。Aillaud等[6]采用大渦數(shù)值模擬(LES)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了尾緣劈縫處擾流肋的存在對(duì)跨音速葉片尾緣的氣膜冷卻效率的影響；結(jié)果表明，康達(dá)效應(yīng)的出現(xiàn)使射流合并是造成翼展方向絕熱效率不均勻的主要原因。Kunze等[7]將高精度湍流模型與PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)合，研究了葉片主體部分的蛇形通道高性能擾流冷卻，清晰再現(xiàn)了肋片附近以及轉(zhuǎn)彎處的不穩(wěn)定渦系結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)彎通道應(yīng)用后傾三角形肋片，能同時(shí)獲得良好的氣動(dòng)和傳熱特性。

近年來，涌現(xiàn)了許多高性能的冷卻結(jié)構(gòu)，包括對(duì)稱與非對(duì)稱扇形孔[8]、橫向凹槽式抗渦孔[9]、貓耳和月牙型組合孔[10]、樹形氣膜孔[11]以及各種新型氣膜出流與沖擊射流組合的新型冷卻結(jié)構(gòu)[12]；具有三維結(jié)構(gòu)的擾流柱列、立方體和菱形肋片多種組合式的葉片蛇形通道高性能擾流強(qiáng)化換熱冷卻[8,13-14]；尾緣叉排通流、編織式擾流、槽縫引射，凹坑和凸起等組合構(gòu)成的高性能集成化擾流冷卻[15-17]；葉頂間隙部分采用凹槽葉頂、針鰭擾流、柱擾流以及葉尖小翼的組合結(jié)構(gòu)[18-20]，有效地控制葉頂泄漏和冷氣噴射流動(dòng)；在冷卻內(nèi)腔設(shè)置具有傾斜角度的多孔擋板，顯著提升傳熱能力[19]。這些研究大多側(cè)重于研究冷卻結(jié)構(gòu)的換熱性能，較少涉及降低冷氣流動(dòng)阻力。

本文采用氣熱耦合數(shù)值模擬方法，研究了某型中低熱值燃料燃?xì)鉁u輪的高溫動(dòng)葉復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)的冷氣流動(dòng)和換熱特性。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了理論分析，詳細(xì)討論了通氣孔對(duì)冷結(jié)構(gòu)換熱特性的影響，深入闡述了通氣孔降低冷氣流動(dòng)阻力的機(jī)理，為燃?xì)鉁u輪冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格化分

圖1為高溫動(dòng)葉有、無通氣的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)和內(nèi)冷通道的編號(hào)。如圖1(a)所示，高溫動(dòng)葉復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)主要由兩組蛇形通道構(gòu)成，分別位于葉片的前部(圖1中1、2、3)和后部(5、6、7)，各由兩個(gè)外流通道和一個(gè)內(nèi)流通道以及兩個(gè)彎頭組成。位于前部的第一組附有前緣冷卻腔(4)，進(jìn)入通道(3)的冷氣從水平孔噴出，進(jìn)入前緣冷卻腔，對(duì)前緣進(jìn)行沖擊冷卻，然后冷氣通過前緣氣膜孔流入主流，形成覆蓋在葉表面的冷卻氣膜。位于葉片后部的第二組蛇形通道附有尾緣“井”字型冷卻結(jié)構(gòu)(8)，為了合理布局(8)通道(7)為光滑流道，以便冷氣經(jīng)過尾緣噴射孔對(duì)尾緣進(jìn)行冷卻，最后噴入主流。其余蛇形通道內(nèi)設(shè)肋片，以便達(dá)到強(qiáng)化冷卻的目的。為了使冷氣在葉片內(nèi)冷通道流動(dòng)順暢，分別在接近前緣冷卻腔體的下部及兩組蛇形通道的第二個(gè)彎頭的下部開設(shè)了通氣通道B、C。同時(shí)，在葉頂壓力面上設(shè)置出氣方向各不相同的冷卻孔，以對(duì)葉頂冷卻和除塵。

(a) 總壓 (b) 總溫

在有通氣孔的蛇形通道的基礎(chǔ)上，將兩個(gè)通氣孔B和C去掉，并將前緣通氣孔與腔體的交界面設(shè)成wall，使之沒有冷氣通過，只起到支撐作用，這樣就形成了無通氣孔結(jié)構(gòu)，參見圖1(b)。內(nèi)腔流道的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)腔計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)是13 921 647，節(jié)點(diǎn)數(shù)2 875 150。模型內(nèi)、外流域的總網(wǎng)格數(shù)是33 733 328，總節(jié)點(diǎn)數(shù)是7 528 827。

圖1 計(jì)算模型及冷卻通道編號(hào)

(a)有通氣孔 (b)無通氣孔

1.2 計(jì)算方法

采用商用軟件ANSYS CFX進(jìn)行數(shù)值模擬。通常認(rèn)為，采用SSTk-ω湍流模型計(jì)算高溫冷卻葉片能夠揭示近壁區(qū)剪切應(yīng)力的輸運(yùn)特性，在RANS湍流模型中具有一定優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楸疚尼槍?duì)的是實(shí)際機(jī)組的復(fù)雜冷卻體系，不易滿足SSTk-ω模型對(duì)壁面Y+及其分布較高的要求，且所需網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目會(huì)過于龐大，所以本文采用折中的帶壁面函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，用國(guó)際通用C3X冷卻算例進(jìn)行數(shù)值方法的驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文計(jì)算方法所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好，特別是能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)冷卻氣流阻力[21]。同時(shí)，本文對(duì)有、無通氣孔條件下的流阻與換熱系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，在實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合計(jì)算的同時(shí)，對(duì)不同方案下溫度與阻力等的分析能夠具有較高的可信度。

主流計(jì)算邊界條件：動(dòng)葉柵進(jìn)口給定總溫和總壓沿葉高的分布情況如圖3所示；動(dòng)葉柵出口給定靜壓0.607 7 MPa。冷氣邊界條件：冷氣的進(jìn)口總溫657.61 K，前部和后部蛇形通道進(jìn)口冷氣流量分別為0.097 kg/s和0.145 kg/s。各個(gè)氣膜孔以及尾緣劈縫的邊界條件由內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算得到，氣膜孔出流的邊界條件由冷卻通道以及主流的流場(chǎng)計(jì)算共同決定。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 通氣孔對(duì)內(nèi)冷通道流動(dòng)特性的影響

圖4為蛇形通道內(nèi)部壓力等值云圖?？梢钥闯?，在冷氣流量相同的條件下，無通氣孔通道的壓力比有通氣孔的大。蛇形通道開設(shè)通氣孔后，一部分冷氣直接通過通氣孔進(jìn)入，從葉片的前緣氣膜孔流出，減小了冷氣在蛇形通道內(nèi)的流動(dòng)阻力。由圖4可知，兩種冷卻結(jié)構(gòu)蛇行通道內(nèi)的冷氣流量分配發(fā)生顯著變化。表1為有、無通氣孔冷卻通道cool1、cool2入口的流量和總壓的變化情況。由表1可看出，在有、無通氣孔前后腔冷氣流量對(duì)應(yīng)相等條件下，無通氣孔的冷氣在cool1處壓力明顯變大，入口總壓是2.21 MPa，而有通氣孔的冷氣入口總壓是1.47 MPa，比無通氣孔時(shí)降低約50%。由圖4 (a)可以看到，無通氣孔時(shí)， cool1的壓力升高了，并且超過了壓氣機(jī)所能提供的空氣壓力。因此，壓氣機(jī)實(shí)際能提供的冷氣壓力必然較低，導(dǎo)致冷氣流量不足，葉片表面溫度會(huì)大幅度升高。另一個(gè)冷氣入口cool2的壓力沒有明顯變化。如圖4所示，有通氣孔時(shí)，cool2的冷氣入口壓力是1.37 MPa；無通氣孔時(shí)，此處冷氣入口壓力是1.44 MPa，顯然，有通氣孔cool2的冷氣壓力略低。

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

表1 通道cool1和cool2入口總壓與流量

冷氣流動(dòng)阻力是影響內(nèi)腔流動(dòng)及換熱的重要因素之一。動(dòng)葉內(nèi)腔蛇形通道的冷氣與內(nèi)腔壁面通過對(duì)流進(jìn)行換熱，并通過葉片表面氣膜孔的出流形成冷卻氣膜，達(dá)到降低葉片表面溫度的目的。對(duì)于冷氣流動(dòng)，改變蛇形通道內(nèi)的流阻分布就會(huì)影響冷氣的流量分布以及冷氣通過氣膜孔的出流情況，進(jìn)而影響對(duì)葉片的冷卻效果。此外，在保證冷卻流量的前提下，流阻增加還會(huì)需要更高、甚至不合理的冷氣進(jìn)口壓力，因此必須要求蛇形通道內(nèi)冷氣的流阻分布合理。下面分析通氣孔對(duì)蛇形通道冷氣流動(dòng)阻力的影響。流阻系數(shù)

式中：f為流動(dòng)阻力系數(shù)，Vinlet為冷氣進(jìn)口流量平均速度，p為當(dāng)?shù)仂o壓，pinlet為冷氣進(jìn)口的流量平均壓力。

圖5為不同葉高跨葉片截面與內(nèi)腔表面阻力系數(shù)等值云圖。由圖5(a)和(b)可見，對(duì)于有、無通氣孔兩種情況下，由于蛇形通道中冷氣徑向靜壓分布主要受離心力的影響，葉根至葉頂壓力增高，沿葉高方向阻力系數(shù)增大。比較圖5(c)和(d)可以看到，在對(duì)應(yīng)位置，有通氣孔的內(nèi)腔表面冷氣流阻系數(shù)明顯小于無通氣孔內(nèi)腔表面。例如，對(duì)于前腔蛇形通道，有通氣孔結(jié)構(gòu)時(shí)B位置阻力系數(shù)明顯低于無通氣孔結(jié)構(gòu)D位置的阻力系數(shù)。從表1中冷卻通道cool1的入口壓力也可以看出，有通氣孔的冷卻腔入口壓力(cool1)為1.47 MPa，無通氣孔的冷卻腔入口壓力(cool1)達(dá)到2.21 MPa。眾所周知，較大總壓對(duì)應(yīng)較大阻力，顯然，前腔的兩個(gè)通氣孔顯著影響了蛇形通道內(nèi)的冷氣流動(dòng)的阻力系數(shù)。對(duì)于后腔蛇形通道，對(duì)比圖中有無通氣孔A和C兩處的阻力系數(shù)，參見表1 cool2的入口總壓數(shù)值可以看出，通氣孔對(duì)后腔冷氣流動(dòng)阻力的影響相對(duì)前腔要小得多。

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

(a) 無通氣孔 (b) 有通氣孔

圖5 有、無通氣孔蛇形內(nèi)腔流阻等值云圖

圖6為50%葉高跨葉片截面的流量等值云圖。由圖6可知，無通氣孔時(shí)，冷氣從單一的入口依次進(jìn)入蛇形通道的4個(gè)流程，與葉片內(nèi)腔表面進(jìn)行對(duì)流換熱，然后分別通過葉片壓力面頂端、前緣和尾緣氣膜孔進(jìn)入主流。而對(duì)于有通氣孔結(jié)構(gòu)的蛇形通道，有一部分冷氣直接從通氣孔通過葉片前緣和尾緣的氣膜孔進(jìn)入主流，在有無、通氣孔冷氣由cool1和cool2進(jìn)入流量相同情況下，進(jìn)入無通氣孔前后腔蛇形通道的冷氣流量自然下降。如圖6所示，相對(duì)無通氣孔情況，因?yàn)榇嬖谕饪祝咝瓮ǖ乐T流程的流量匹配有了明顯不同。無通氣孔結(jié)構(gòu)的A、B處的流量比G、H大， E、F的和流量也高于C、D的和流量。同時(shí)，隨著冷氣流量的重新分配，各通道冷氣和葉片的換熱會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，基本上是冷氣流量增大的位置對(duì)流換熱也增強(qiáng)。此外，冷氣流量的變化還顯著影響了冷氣在蛇形通道內(nèi)的流動(dòng)阻力。

圖7為前緣氣膜孔的冷氣流量等值云圖，有無、通氣孔導(dǎo)致的前緣氣膜孔流量的變化基本代表了前腔冷氣流量的改變。從圖7可以看出，與無通氣孔比較，通氣孔的存在引起前腔冷氣流量增加，這將強(qiáng)化前腔冷氣與壁面的對(duì)流換熱以及葉片表面的氣膜冷卻效應(yīng)。

圖8給出不同葉高跨葉片截面冷氣流速等值云圖。有、無通氣孔時(shí)冷氣在內(nèi)腔各通道內(nèi)的流量分配差別明顯，導(dǎo)致冷氣在各通道內(nèi)的流速也隨之變化，無通氣孔各截面的流速大于有通氣孔各截面的流速。由圖8可知，在50%葉高跨葉片截面內(nèi)，無通氣孔冷氣的平均流速是128 m/s，而有通氣孔的冷氣平均流速是106 m/s。冷卻通道內(nèi)流速增大會(huì)增強(qiáng)冷氣和葉片之間的換熱。顯而易見，有通氣孔時(shí)內(nèi)腔壁面的換熱系數(shù)會(huì)減小。

2.2 通氣孔對(duì)內(nèi)冷通道換熱特性的影響

圖9為蛇形冷卻通道內(nèi)腔壁面溫度等值云圖。一般情況下，無通氣孔的內(nèi)腔壁面溫度低于有通氣孔的內(nèi)腔對(duì)應(yīng)壁面溫度。由圖9可知，無通氣孔內(nèi)腔壁面平均溫度為689 K，而有通氣孔內(nèi)腔壁面平均溫度是697 K。對(duì)于內(nèi)腔壁面溫度，有、無通氣孔引起的溫度變化也符合上述規(guī)律(例如對(duì)比圖9中A和B處的溫度)。但是，相反的現(xiàn)象出現(xiàn)在前緣局部區(qū)域M和N處。這是由于在有通氣孔的情況下，冷氣量過多地從通氣孔直接進(jìn)入前緣內(nèi)腔，強(qiáng)化了冷氣與葉片前緣內(nèi)腔的對(duì)流換熱，造成局部(N區(qū))溫度顯著降低，特別是比無通氣孔的對(duì)應(yīng)區(qū)域(M區(qū))低了很多。對(duì)于后腔壁面，有、無通氣孔時(shí)溫度分布相差不大。

圖10為葉片前緣氣膜孔表面溫度分布云圖。由圖10可見，有通氣孔時(shí)，氣膜孔表面溫度根部低，頂部高。而對(duì)于無通氣孔情況，氣膜孔表面溫度由根部至頂部變化不大。當(dāng)冷卻結(jié)構(gòu)有通氣孔時(shí)，冷氣從通氣孔進(jìn)入蛇形通道，然后從前緣氣膜孔噴出，冷氣在根部受到的阻力較小，流量較大，冷氣與內(nèi)腔壁面換熱劇烈，造成前緣氣膜孔根部出現(xiàn)局部低溫區(qū)。大量的冷氣從前緣氣膜孔根部流出，通道頂部冷氣靜壓減小，流速降低，冷氣和壁面換熱減弱，造成前緣頂部?jī)?nèi)腔室壁面溫度反而比無通氣孔的要高。

圖10 前緣氣膜孔表面溫度等值云圖

圖11為蛇形內(nèi)腔壁面換熱系數(shù)等值云圖。從整體上看，無通氣孔的內(nèi)腔壁面換熱系數(shù)比有通氣孔的要略高，而且這種現(xiàn)象主要發(fā)生在受通氣孔影響最直接的前腔局部壁面。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，無通氣孔的內(nèi)腔壁面平均換熱系數(shù)為2 536.8 W· m-2·K-1，而有通氣孔內(nèi)腔壁面平均換熱系數(shù)仍達(dá)到2 335.47 W·m-2·K-1。除了兩種情況內(nèi)腔前緣根部的局部對(duì)應(yīng)區(qū)F、N以及兩區(qū)以下前腔通氣孔進(jìn)氣對(duì)應(yīng)流道之外，在冷氣進(jìn)氣流量相等的情況下，無通氣孔的內(nèi)腔因?yàn)闆]有通氣孔流道分流，通過其蛇形通道的冷氣流量較高；冷氣與壁面的換熱系數(shù)必然較高。僅在內(nèi)腔前緣根部的局部對(duì)應(yīng)區(qū)F、N以及兩區(qū)以下前腔通氣孔進(jìn)氣對(duì)應(yīng)流道，由于冷氣從通氣孔直接流入，強(qiáng)化了那里冷氣與內(nèi)腔壁面的局部換熱，使有通氣孔的換熱系數(shù)高于無通氣孔情況。

雖然無通氣孔的冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)腔壁面的換熱系數(shù)較高，但是在相同冷氣進(jìn)氣流量下，由于全部冷氣在主要冷卻通道，即蛇行通道中的流動(dòng)沿程阻力與局部阻力較大，為使冷氣從全部氣膜孔順暢出流，需要較大的冷氣進(jìn)口壓力，以至于此壓力超出了壓氣機(jī)所能提供冷氣的最高壓力，這樣的冷卻結(jié)構(gòu)在工程上是行不通的。因此，設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮流阻與換熱對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)的影響。

2.3 通氣孔對(duì)葉片表面換熱的影響

圖12為葉片表面溫度等值云圖。有、無通氣孔結(jié)構(gòu)的葉片表面平均溫度分別為1 249、1 251 K，最高溫度分別為1 292 、1 296 K。從平均和最高溫度上來看，有、無通氣孔兩者基本一致。但是更重要的是需要考察在兩種情況下，葉片表面是否存在溫度及其梯度過大的區(qū)域。仔細(xì)對(duì)比分析有、無通氣孔葉片壓力面和吸力面的溫度等值云圖，能夠清楚地看到，總體上兩者的葉片表面溫度分布區(qū)別不大，較為明顯的差別僅出現(xiàn)在葉表前緣根部稍偏壓力面以及葉頂區(qū)域。與無通氣孔情況比較，有通氣孔時(shí)葉表前緣根部稍偏壓力面形成低溫區(qū)，相反，在葉頂形成高溫區(qū)。低溫區(qū)對(duì)應(yīng)圖11中高換熱系數(shù)F區(qū)，高溫區(qū)則對(duì)應(yīng)圖11葉頂?shù)蛽Q熱系數(shù)區(qū)。在向高低溫度區(qū)過渡的界面處分別產(chǎn)生較高的溫度梯度。但是，對(duì)于有通氣孔情況，除去葉頂，溫度和溫度梯度沒有超標(biāo)。本文在吸收與消化冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原型階段，在葉頂沒有設(shè)置冷卻系統(tǒng)。本文認(rèn)為，如果在葉頂設(shè)置了冷卻系統(tǒng)，溫度可滿足設(shè)計(jì)要求。這有待于繼續(xù)研究?？梢栽谌~頂吸力面增加氣膜孔，增加熱障涂層以降低葉頂?shù)臏囟取?/p>

圖12 葉片表面溫度等值云圖

3 結(jié) 論

本文采用三維氣熱耦合數(shù)值模擬方法，探討了重燃渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中冷氣通孔對(duì)復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)與換熱特性的影響，得到以下主要結(jié)論：

1) 高溫動(dòng)葉內(nèi)部采用氣膜/沖擊/擾流復(fù)合冷卻方式的蛇形折轉(zhuǎn)通道結(jié)構(gòu)，具有較好的換熱效果；但在設(shè)計(jì)過程中容易導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)冷通道流動(dòng)阻力升高，從而帶來對(duì)冷氣進(jìn)口壓力要求過大的弊端；通過在前腔折轉(zhuǎn)通道局部轉(zhuǎn)彎位置設(shè)計(jì)冷氣通孔，能夠在保證整體換熱效果的前提下，有效降低整個(gè)內(nèi)冷通道的流動(dòng)阻力，所需冷氣供應(yīng)壓力和冷氣量都顯著下降。

2)針對(duì)采用前后冷卻腔結(jié)構(gòu)形式的高壓動(dòng)葉內(nèi)部復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)，采用在前腔折轉(zhuǎn)通道局部設(shè)計(jì)冷卻通氣孔的設(shè)計(jì)方法，能夠在更合理的冷氣量范圍內(nèi)對(duì)前、后腔室的冷氣源供應(yīng)參數(shù)進(jìn)行匹配和優(yōu)化，從而提高不同腔室內(nèi)部復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的改型設(shè)計(jì)效率。