燃气轮机涡轮导向叶片涡流交错肋冷却技术研究

2010-03-15李俊山

航空发动机 2010年4期

关键词：冷却系统涡流涡轮

李俊山

(沈阳发动机设计研究所,沈阳110015)

符号表

Bp肋顶部宽度，m

Bk槽道法向高度，m

de流体力学和热力学上槽道当量直径，m

Dp肋间槽道平直段长度值，m

Dk计算段导流管和叶片肋顶之间平均间隙值，m

FkΣ排列的肋与槽道总面积，m2

Fnpk槽道总流通面积，m2

G2决定是进口压力还是出口压力控制符

Hk槽道平均高度，m

Hrk槽道沿叶高高度，m

IN整型变量所计算的节流单元号码

K1槽道孔型

Kop叶片壳体在空气槽道中加肋系数

Lk槽道长度（即空气流通的长度），m

np槽道中肋数，个

PIN槽道进口空气压力，N/cm2

POUT槽道出口空气压力，N/cm2

R肋底边倒圆半径，m

tp肋间距，m

TBcp1空气平均温度，K

β肋交叉半角，（°）

γ肋侧表面倾斜角，（°）

λmp摩擦阻力系数

ξmp阻力系数

ξIN槽道进口阻力系数

ξOUT槽道出口阻力系数

ξΣ槽道总阻力系数

ξmp槽道换算阻力

ΔPL槽道进、出口空气压差，N/cm

1 引言

随着设计技术的飞速发展和市场竞争的日益激烈，现代燃气轮机正向着效率更高、可靠性更好、寿命更长的方向发展。燃气轮机的效率、可靠性、寿命主要取决于热端部件能否安全可靠地工作，这就对燃气轮机工作环境设计提出了更高要求。如何对热端部件进行有效冷却，已经成为燃气轮机设计的关键性问题之一。带肋通道是最普遍使用的1种强化换热结构，国内外学者已经进行过大量的数值模拟和试验研究，针对不同的肋排布形式对换热的影响进行了研究，得到了大量有价值的结论。

本文对某燃气涡轮导向叶片涡流交错肋通道的几何特性参数、流体阻力特性、涡轮导向叶片冷却系统的流体动力和换热、涡轮导向叶片的温度场等进行了计算研究。

2 流路系统和换热特点

涡轮导向器由24组双联铸造冷却叶片组成，成组以悬臂式固定在涡轮机匣上。冷却叶片内腔沿弦向分为前后2个区域：前区有短导管，为漩流强化强迫对流冷却方式；后区为涡流交错肋强化强迫对流冷却方式。涡轮导向叶片示意图如图1所示。

涡轮导向叶片带涡流交错肋通道共有5排，从前缘到尾缘的5排涡流交错肋与截面分别成0°、450°、300°、300°、200°（如图2所示）。交错肋通道结构如图3所示。

涡轮导向叶片冷却通道截面结构如图4所示；涡轮导向叶片冷却系统流路结构如图5所示；模型简化处理后，形成的冷却系统流体动力网络结构如图6所示，其节流单元共46个：圆通道4个，导流管上的孔排3个，扁平通道19个，涡流矩阵通道20个。

导向叶片的冷却空气来源于由空气冷却器预先冷却的2股气流，全部空气经过导管开口的上端面流入导管（单元号1）腔，从那里射流增压经过导管前缘上孔（单元号2、45、46）冷却带肋的前缘（如单元号1等，图5）。冷却前缘后的空气分成2股气流，流入冷却叶背和叶盆。冷却导管段叶背的空气沿带肋缝隙通道3～5、9～11,再经过通道16～18流到涡流交错肋1进口。冷却导管段叶盆的空气流到沿带肋缝隙通道6～8,进而经过通道19～21流到第1排涡流交错肋进口。叶片导管段冷却之后，空气依次流经第1排涡流交错肋22～25，第2排涡流交错肋26～29，第3排涡流交错肋3～33，第4排涡流交错肋34～41的通道，冷却叶片尾缘进而流到尾缘缝隙通道进口。冷却空气冷却尾缘42～44带肋缝隙通道后流入涡轮主通道，以保证叶片尾缝的气膜冷却。

涡轮导向叶片涡流交错肋大大增加了流动换热的换热面积，同时提高流动换热系数，从而使换热能力显著提高，在保证相同冷却效果的前提下，减少所用的冷却空气量，进而提高燃气轮机的效率和功率。

3 涡轮导向叶片冷却系统计算

3.1 几何特性参数和流体阻力特性参数计算

3.1.1 计算方法

为计算涡流交错肋通道的几何特性参数，将涡流交错肋通道进行简化，保证交错肋高度一致，如图7所示。

根据如图1所示的计算段导流管和叶片的肋顶之间平均间隙值、槽道平均高度、肋间距、肋交叉半角、槽道沿叶高高度、槽道法向高度、肋底边倒圆半径、肋侧表面倾斜角、肋间槽道平直段长度值、肋顶部宽度、槽道中肋数、槽道长度等（即空气流通长度）共12个几何参数及相应几何关系，可以计算出涡轮导向叶片涡流交错肋通道的计算排列的肋与槽道的总面积、叶片壳体在空气槽道中的加肋系数、槽道当量直径、槽道的总流通面积4个几何特性参数。

接着计算涡流交错肋通道的槽道进、出口阻力系数和摩擦阻力系数、槽道总阻力系数4个流体阻力特性参数

如果G2＜0，则根据已知的进口压力求出口压力如果G2＜0，则根据已知的出口压力求进口压力

3.1.2 计算结果

根据不同的角度，将涡轮导向叶片的5排涡流交错肋分成7种计算类型。计算的单元号分成7类：（1）3～8号单元；（2）22～25号单元；（3）26～29号单元；（4）30、31号单元；（5）32、33号单元；（6）35、37、39、41号单元；（7）34、36、38、40号单元。计算结果见表1、2。

3.2 冷却系统的流体动力和换热计算

3.2.1 计算方法

冷却系统的流体动力和换热计算采用工程专用程序进行，该程序基于冷却系统网络、各通道的几何尺寸和网络边界空气参数，联立求解连续方程、动量方和能量方程，获得冷却系统各通道的流量、压力、温度等流体动力特性参数。程序中考虑了气流沿流程各项物理特性的变化以及旋转对流体阻力及换热强度的影响。

表1 槽道的几何特性参数

表2 槽道的流体动力特性参数

3.2.2 计算结果

涡轮导向叶片冷却系统计算是在额定状态、ISO条件下，以涡轮进口温度1483 K，压气机出口温度和压力分别为672.1 K、1.4864 MPa，大气温度和压力分别为288 K和0.1013 MPa等为前提进行的。计算获得了各节流单元的冷气流量、各腔室的冷气压力与冷气温度、叶片各内腔的换热系数等参数。详细计算结果见表3。