某型高压动叶冷却结构设计

第52卷第6期2010年12月汽轮机技术TURBINETECHNOLOCYV0152NO6DEC2O10某型高压动叶冷却结构设计周洪儒，顾忠华，韩万金，刘占生1哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001；2哈尔滨动力设备股份有限公司，哈尔滨150040摘要对某燃气涡轮高压动叶的冷却结构进行了参数化设计，应用分块的结构网格构造了涡轮内部复杂的冷却结构，进行网格分区时既保证高质量网格，又避免过多增加网格分区。对涡轮动叶栅流场进行了数值模拟，指出参数建模是气冷涡轮叶片设计方法进行工程化应用的前提条件。气膜冷却和带肋片的蛇形通道结构能够有效提高动叶片的冷却效果，保护叶片正常工作。关键词气热耦合；气冷涡轮；参数化；动叶分类号V2313文献标识码A文章编号10015884201006040603HPROTORCOOLINGCONFIGURATIONDESIGNUSINGPARAMETERIZEDMETHODZHOUHONGI1L，GUZHONGHUA，HANWANDIN，LIUZHANSHENG1SCHOOLOFENERGYSCIENCEANDENGINEERING，HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINA；2HARBINPOWEREQUIPMENTCOMPANY，HARBIN150040，CHINAABSTRACTTHISPAPERIMPLEMENTEDCOALINGCONFIGURATIONDESIGNONCERTAINGASTURBINEHPROTORUSINGPARAMETERIZEDMETHODITWASCONVENIENTFORCOMPLICATEDGASTURBINEBLADEMODELINGUSIOGPARAMETERSANDALSOBENEFITFORTHEGEOMETRYMODIFYINLATERPERIODPARAMETERIZEDMODELINGWASTHEFOUNDATIONOFAIRCOOLINGTURBINEBLADEDESIGNMETHODENGINEERINGAPPLICATIONNOTONLYMESHQUALITYSHOULDBEAWARDEDWHENGENERATEDCOMPLICATEDCOOLINGCONFIGURATIONBLADEDS，BUTALSOINCREASECALCULATIONERRORAROSEBYMANYMESHBLOCKSFILMCOOLINGANDSERPENTINEPASSAGECOULDEFFECTIVELYENHANCETHECOOLINGEFFECTIVENESSANDPROTECTBLADEFROMHIGHTEMPERATUREDAMAGEKEYWORDSCONJUGATEBEATTRANSFER；AIRCOOLINGTURBINE；PARAMETERIZEDMETHOD；ROTOR0前言提高涡轮进口温度是改善发动机特性的关键技术之一。随着涡轮进口温度的提高，发动机的单位功率迅速增加，但涡轮叶片在高温、大负荷环境中工作，运行温度远高于金属的允许温度，如何保证其可靠性，是广大科研人员面临的一项重要工作。对于涡轮动叶片而言，特别是高压动叶片，不仅承受着高温、高压的燃气冲击，而且还要承受巨大的离心力作用，因此，动叶的冷却结构既要满足保护叶片正常工作的需要，又要兼顾动叶结构强度的要求。涡轮叶片设计往往是一个不断反复的过程，而且现代燃气涡轮叶片冷却结构异常复杂，这给数值仿真工作带来了非常大的困难。本文的内容就是介绍了采用参数化的建模方法，对某燃气涡轮高压动叶进行冷却结构设计，并且应用气热耦合计算方法研究了所设计冷却结构的实际效果。1参数化建模方法及混合网格构造方案11高压动叶的参数化建模涡轮叶片叶型经过了参数化，即成为了一种由函数表达曲线的形式。相对于通常采用的一组离散点表达曲线的方法，函数表达的形式避免了由于离散点数量少、间距不合理、位置偏差等问题造成的插值误差，能够在造型过程中保证较高的精度，而且经过了参数化过程，在需要修改叶片几何外形的时候，只需改变相应的控制参数，便可方便快捷地生成新的模型，大大缩短了设计周期。本文基于MATLAB和UGNX软件的二次开发，对所研究高压动叶气冷涡轮叶栅进行了参数化的建模。蛇形通道是高压动叶中主要的结构特征，它其实可以看作是由冷却隔板分割形成的，因此，冷却隔板的造型和定位就是蛇形通道结构造型的关键。冷却分隔板的作用是根据冷却需要将冷却腔进行分隔以实现对冷气压力和流动的控制，多个冷却隔板就形成了整体的蛇形腔室特征。冷却隔板经过参数化以后，就能够在几何设计需要改变时，直接修改控制参数而无需其它操作直接得到修改后的实体。图1中给出了高压动叶几何模型，可以看到带有冷却隔板的冷却腔室结构。图2中是经过参数化过程后的整体蛇形通道实体图，图中以“1”和“2”来区分不同回路的冷却气体运动路径。根据高压动叶所处的工作环境，需要在内部冷却通收稿日期20100505，作者简介周鸿儒1963一，男，哈电集团秦皇岛重型装备有限公司，副总工程师，主要从事重型燃气轮机气动设计与实验研究。第6期周洪儒等某型高压动叶冷却结构设计407图1动叶几何模型回路2图2双回路蛇形通道道蛇形通道内壁面上加装扰流肋片的同时，在叶片的外部施加保护冷却措施。因此，在动叶前缘处设置三排气膜冷却喷孑L，这三排冷却喷孔由前部回路的蛇形腔供气，在经过两个流程以后从气膜冷却喷孑L喷出。现代燃气涡轮叶栅大量采用气膜冷却措施，因此，在叶片表面密集布满了数量巨大的气膜冷却喷孑L，再加上冲击冷却喷孔，使得总的冷却孔数量非常巨大。如果采用传统的手工方法生成这些孔，工作量将异常巨大而且操作很容易出错。在处理这类孑L时，采用了气膜孔引导线的方式一次性生成所有的气膜孔，而且可以根据孑L角度的需要调整引导线的角度，例如，前缘气膜孔与径向成任何角度时，直接改变引导线方向就可以使整列气膜孑L方向改变。同样，根据冷却流量的大小能够方便快捷地改变冷却孔直径，引导线生成冷却孔的方式大大节省了几何建模时间，减小了工作量。12混合网格构造方案高压动叶冷却结构，包含了蛇形通道、气膜冷却孔、扰流肋片以及尾缘劈缝等，这些冷却结构叠加在一起就使得整个构造网格的方案难度非常大，而且即使能够解决拓扑关系，也会因为近乎庞大的网格数而使得小型的PC机难以承受，因此，分块化的网格构造方案仍是解决这类结构复杂、网格数庞大问题的理想途径。结构化网格和非结构化网格有各自的优点和缺点，在网格构造过程中要灵活运用二者，既要尽可能地利用结构化网格数量少、精度高等优点，又要结合网格生成的难易程度以及生成时间，需要操作者能够全面把握两类网格的特性而定。在进行网格分块化过程中，模型共划分为L0个部分，分别是L一除去边界层的外部流体区域PASSAGE；2一边界层前缘部分流体区域和叶片前缘内部流体区域BLH；3一叶片前缘固体区域B_H；4一蛇形通道前半部分内部流体区域MID1；5一中部吸力面边界层流体区域MIDS；6一蛇形通道后半部分内部流体区域MID2；7一边界层尾缘部分流体区域和叶片尾缘内部流体区域BLT；8一叶片尾缘固体区域B_T；9一中部压力面边界层流体区域MIDP；10一叶片中部固体区域MID。图3给出了分块结构网格构造完成后的示意图。图3高压动叶混合网格示意图13计算说明本章中所研究的高压动叶采用结构化和非结构化网格组成的混合网格方案。网格构造完成后，在ANSYSCFX中组合成为整体计算域，最后的网格总数约为1100万。计算过程中，给定主流的进口总压、总温条件，出口给定背压条件，来流给定为中等强度的湍流度。对于冷却气体，给定冷却气体的进口温度和冷气流量。计算过程中，选用标准K湍流模型，壁面函数采用ANSYSCFX专有的可缩放壁面函数，主流湍流度为5。由于计算域的网格数已经远远超出普通单台PC机的计算能力，采用多台四核8G内存的PC机并行计算，网格分区方案采用CFX提供的优化的RCB方法，通过RCB方法优化得到一个最佳的分块方向矢量，在此矢量方向上进行分块，可以用于网格数较大的问题。表1中给出了高压动叶的计算参数。其中带号的表示滞止参数，下角标带C的是冷却气体的参数。表1计算参数2计算结果分析对于高压动叶来说，受到经过导向涡轮叶片而来的高温燃气冲刷，热负荷非常重，而且由于处于高速旋转状态的特点也给其冷却结构的布置带来了很大的困难。目前，典型的动叶冷却结构都是在叶片内部安置蛇形冷却通道，冷却流体从叶片根部区域进入蛇形冷却通道，在其运动过程中不断与408汽轮机技术第52卷叶片发生热交换从而从叶片带走热量，最后排除腔外。除蛇形通道在其转弯处外，其余的都可以看作是简单的径向冷却通道，但是由于受到旋转过程中离心力、科氏力等共同作用，对于通道内的流动和冷却效率影响很大。本节中所研究的叶片，初始冷却设计时为了加强前缘的热防护，在前缘滞止点上以及两侧共开有三排气膜冷却孔，气膜孔与径向成60。角。叶片内部共有两个冷却腔室，每个腔室内有一组两流程蛇形冷却通道，为了加强通道内的对流换热系数，在蛇形通道内装有45。斜肋片。前部的蛇形通道由叶片底部进气，在通道内运动两个流程以后从前缘的气膜孔排出；而后部的蛇形冷却通道中，在第二流程处开有尾缘劈缝，同样从叶片底部进入通道内的冷却气体折转两次后由尾缘的劈缝排出。图4给出了高压动叶表面温度分布情况。由图中可以看到，在压力面上，整个表面上除叶片底部尾缘部分温度稍有不均匀外其余区域的冷却效果都非常理想，尤其是在蛇形冷却通道下部折转处的位置，由于该位置上扰动的加强，使得换热系数增强、换热量加大，出现了压力面上温度的最小值。再看吸力面上的情况，与压力面类似的情形也出现在吸力面温度分布图中，除尾缘中、下部位置外，整个尾缘表面上的温度分布也非常均匀。分析蛇形腔内的冷气流动状况得知，尾缘区域冷却不均匀是由于冷却气体难以到达下部区域造成的，通道中的冷却流体从蛇形腔内到达尾缘的冷却劈缝时，易于从叶片顶部的冷却劈缝处流出而难以到达叶片底部区域。因此，造成了局部冷却的不均匀性，但是从整体的冷却效果看，带扰流肋片蛇形通道冷却结构极大地强化了通道内的换热效果，再加上气膜冷却的协同作用，使得高压动叶的冷却达到了预定的要求，满足了正常工作的需要。图5所示的是高压动叶叶片5叶高根部、50叶高温度分布量镞勰1281E0031253O3L226E00311加03萄LL714130EE003003L1嘲116EE000033L10慨舢60E,T003IN900ET002IK1温度分布1336E003I舞1,253E003L2略伽3L19固03L11,74103E舢00331116E003L1060E088EL0003I033E0039776E002N500002FK】压力面吸力面图4高压动叶表面温度分布温度分布【KJ9S叶高顶部图5高压动叶截面温度分布中径、95叶高顶部位置上的温度等值线云图。从图中可以看到，在叶片底部位置截面上温度要比中部和顶部区域的温度都高。由于后腔蛇形通道冷却结构的制约，冷却气体易于从中上部区域流出，因此造成该区域温度较低而底部区域温度较高。在蛇形通道后腔开设的底部到顶部的贯通“堤坝”型冷却劈缝，在易于冷却流出的中部和顶部区域，缝隙宽度较小，而在冷却气流难以到达的底部区域，开设的缝隙较大。从各个截面上的冷却情况看，叶片最高温度在大约1000K左右，说明在当前设计的冷却结构下达到了需要的冷却效果，表明冷却结构设计是合理的。3结论本文对某燃气轮机高压动叶进行了冷却结构的设计，在不改变气动外形的条件下，对高压动叶内部进行了冷却结构设计，并且对于所设计的冷却结构进行了数值模拟，得出以下结论1蛇形通道肋片长度、厚度以及排列角度对换热系数有极大的影响，涡轮叶片经过了参数化，在修改肋片几何的时候，只需要改变相应的控制参数而不必重新生成整个叶片实体就能够方便快捷地生成新的模型，大大缩短了仿真建模的周期；2复杂冷却结构叶片进行网格离散时，正确合理地分割实体是构造出高质量网格的前提条件，采用分块化的网格生成方法是解决这类问题的有效途径；3高压动叶由于与高压导叶相邻，受到的热冲击和热负荷也较大，采用带扰流肋片的双回路两流程蛇形通道冷却结构能够极大地增加通道内的边界层扰动，提高换热系数，同时对通道冷却完毕的冷却气体通过尾缘的劈缝排出能够对尾缘的冷却起到很好的气膜保护作用。下转第456页片、助一斛蠢LLLLL糠456汽轮机技术第52卷图3低压缸变形云图形对轴承座的不利影响，将轴承座与低压外缸完全分离，单独支撑在基础之上。轴承座的垂直支撑刚性得到了加强，并且轴承的标高不受真空变化、排汽温度变化的影响，轴系在全工况下保持良好的稳定胜。为了避免由于转子与静子不同心造成动静间隙碰磨，空冷机组将低压端汽封设计为支撑在轴承座上。由于轴承座低压端汽封中心不随排汽温度变化。但是低压外缸会受排汽温度变化的影响产生变形，通过在端汽封与外缸之间加装波纹管形成柔性连接，补偿轴向热差胀和垂直方向上的位移差。保证端汽封运行中始终与转子保持同心，密封性好。3结论通过设计新型阻尼结构、大刚度叶型提高了叶片阻尼和刚度，减少叶片的动应力和颤振敏感性。开展末三级模型透平试验，模拟空冷机组实际运行工况，测试动应力。采用调整连结刚度的方法，解决了传统去重法无法解决的同时调整阶和二阶频率的难题。通过以上设计和试验，开发了高阻尼结构末级长叶片，保证了大型空冷汽轮机变工况运行的安全性。针对大型空冷汽轮机背压和排汽温度随环境温度变化的运行特点，设计了落地式低压缸和落地式轴承，并将低压端汽封设计为支撑在轴承座上，圆满解决了低压内缸严重变形、动静碰磨以及低压轴承箱变形导致轴承标高不断变化等关键难点设计制造的空冷汽轮机在实际运行中达到了设落地，中心标高基本上不受排汽温度变化的影响，可以保证计的预期效果。上接第408页参考文献1DEBOHN，BECKER3一DINTERNALFLOWANDCONJUGATECALCULATIONS0FACONVECTIVECOOLEDTURHINEBLADEWITHSERPENTINESHAPEDANDRIBBEDCHANNELSRASMEPAPER99一GT一22019992HECTORLACOVIDES，MEHRDA【IRAISEETURBULENTFLOWANDHEATTRANSFERINSTATIONARYANDROTATINGCOOLINGPASSAGESWITHINCLINEDRIBSONOPPOSITEWALLSASMEPAPERRGT20045324520043WENLUNGFU，LESLEYM，WRIGHT，JECHINHANHEATTRANSFERINTWOPASSROTATINGRECTANGULARCHANNELSAR12ANDAR14WITH45。ANGLEDRIBTURBULATORSRASMEPAPER，GR2OO45326120044TAKAHASHIT，WATANABEK，SAKAIT，CONJUGAT