基于流热耦合数值模拟的F级燃机二级动叶温度场分析

柳邦家

摘 要：通过对某F级重型燃气轮机二级动叶的全三维坐标外形扫描和内部结构的工业CT扫描，获得了二级动叶完整的外形结构、尺寸和内部截面图像，并提取了內型面的型线，基于数值模拟进行了动叶片的温度场分布分析。

关键词：燃气轮机；3D扫描；数值模拟；温度场

燃气轮机二级动叶作为重要的透平部件，工作在极端高温、高速旋转的条件下，对动叶的材料和冷却提出了很高的要求。F级燃气轮机透平的动叶都应用具有航空使用经验、高温强度好的γ相析出硬化型Ni基超合金GTD-111，其中第二级动叶为精密铸造，应用CoCrAly涂层，外面再复以氧化物表层。第2级动叶片为传统对流冷却方式，采用从叶根到叶顶直通孔的强制对流冷却。冷却介质为压气机第13级抽气。所采用的透平冷却技术包括冲击冷却、强制对流冷却与气膜冷却方式。

本文以某F级重型燃气轮机二级动叶为对象，采用计算流体力学的方法进行了温度场分布的模拟分析。

1 外型扫描

选取外形完好的一片二级动叶，进行全三维坐标扫描。扫描设备为关节臂式三坐标测量机，关节臂测量机携带激光测头，单点精度0.04mm，整体点云质量高，数据完整性好。

测绘结果文件打包为全三维小平面体格式（.STL格式）。扫描数据点非常密集，整体数据完整性非常好。

2 工业CT扫描

工业CT（Industial Computed Tomography）即工业计算机X线断层摄影技术，本文采用6MWe加速器CT设备对动叶内部结构进行扫描[1]。为了准確的获悉叶片内部孔的大小和位置，选取了典型截面进行CT扫描。通过进一步图像处理获得清晰的内部截面图像，同时提取内型面的型线。

3 基于有限元的几何建模

3.1 动叶冷却技术

冷却气体从压气机13级抽出，沿途经过预旋，从叶根位置分两部分流入动叶叶片内部。前缘分支冷却气体一部分流入叶片中弦带有倾斜扰流肋结构的蛇形冷却通道，沿程不断与内壁面进行对流换热；其后从前缘隔板的孔结构中喷出，对前缘内壁面形成冲击换热；最后与另一部分从补气孔结构流入的冷却气体掺混，在位于前缘的三排气膜孔处喷出并覆盖在叶片表面。尾缘分支的冷却气体流动过程与上述过程近似，只是将前缘气膜孔结构改为带有矩形扰流柱结构的出流通道。此外，出于强化冷却效果及提供局部保护等不同目的，还在相应位置额外添加了补气孔、侧向气膜孔以及除尘孔等结构[2]。

3.2 形体建模

基于三坐标扫描和内型工业CT扫描的结果，获得了较为完整的二级动叶几何数据。基于这些数据的二级动叶的三维实体模型进行重建。

3.3 数值网格划分

在ANSYS ICEM CFD15.0中生成二级动叶的计算网格。

网格特点如下：

（1）周期流道计算域。对整排动叶92片取其中一片流域开展计算，流域两侧设置为周期边界。

（2）计算域包含流体域和固体域两部分。流体域指叶片外部燃气的流动和叶片内部冷气的流动；固体域参与导热。

（3）计算域主体采用四面体网格，流固交界面的流体边界层区采用五面体棱柱网格。

（4）网格难点在于叶冠处周期流面的布置。周期流域面因为叶冠而呈现Z形皱褶。

4 二级动叶流动、冷却与导热数值模拟计算

4.1 边界条件设置

根据燃气轮机总体热力性能计算结果给定二级动叶边界条件。基于叶型几何进口角的展向变化范围在15°～35°范围内给定了旋转系下进口的相对气流角。

4.2 计算方法

流体域基于旋转坐标系下的定常三维粘性NS方程，固体域基于定常导热方程。流体域与固体域通过界面进行传热。流体域湍流模型采用CFX内嵌的自动底层处理的K-ε湍流模型。固壁面均为无滑移壁面边界。

对流项采用二阶迎风格式，湍流项采用一阶差分。迭代收敛准则设为残差10-6，同时监控气动效率、功率、压比等总体参数的收敛。

4.3 计算结果分析

下图为二级动叶气（燃气）热（固体导热）冷（冷气）耦合计算获得的叶片表面温度分布。最高温度出现在叶冠压力侧前沿附近，次高温出现在叶片尾缘近叶尖的地方。

5 结束语

本文采用外形3D扫描和工业CT，获得了某F级重型燃气轮机第二级动叶的详细几何结构，并根据有限元进行了网格划分，开展了单排动叶的流热耦合数值模拟，获得了二级动叶温度场分布，为分析二级动叶故障和改进设计提供了一定的理论依据。

参考文献

[1]程云勇.基于工业CT测量数据的空心涡轮叶片三维壁厚分析[D].西北工业大学，2009.

[2]李孝堂.现代燃气轮机技术[M].北京：航空工业出版社，2006.

（作者单位：中国华电集团公司浙江公司）