卢元丽，王 鸣，吉洪湖，杜治能

（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016）

0 引言

燃烧室出口的高温高压燃气通过涡轮作功，使得涡轮叶片工作环境恶劣，尤其是涡轮叶片前缘需要有效的热防护，通常采用耐高温材料和有效冷却2种方式。美国GE公司DDA分公司于1974年开发了1种Lamilloy层板结构[1]，其冷却集气膜、冲击、强化对流换热于一体，冷气流量比常规冷却的减少30%，节省下来的冷气可以大大改善燃烧室出口温度分布，并降低排气污染。国外的层板冷却技术已进入实际应用阶段[2]。

Favaretto等人[3]对不同冲击孔、气膜孔、扰流柱直径和不同通道高度的层板结构进行了数值模拟和传热优化分析。Funazaki等人[4-5]的研究表明，相对于一般的射流冲击换热，带扰流柱的射流冲击可使换热有效面积增加50%左右；通过与试验结果对比发现，在有冲击射流的流动中采用k-ε 湍流模型可以得到更适合的局部换热系数。近年郁新华、全栋梁等人[6-11]以平板为模型，详细研究了层板冷却的开孔率、扰流方式、扰流柱形状、通道高度等内部结构参数以及主流和二次流的雷诺数、吹风比等流场参数对层板的流动与换热规律的影响。数值计算与试验结果表明，气流的冲击和反冲以及扰流柱柱面使得换热面积增大是层板冷却结构具有高效换热的主要原因。

本文主要对叶片前缘采用层板冷却的方式进行数值模拟研究。在气膜孔、冲击孔和扰流柱的相对位置分布一定的情况下，比较冲击双层壁和带圆形、方形、菱形扰流柱4种层板冷却叶片前缘的换热特性。

1 计算模型

1.1 物理模型

共设计双层壁和带圆形、方形、菱形扰流柱的4种层板冷却叶片前缘结构数值分析模型，冲击双层壁结构和带扰流柱的层板结构的局部流动方式如图1所示，其中气膜孔、冲击孔和扰流柱的相对位置关系如图2所示。叶片前缘由内板、外板、扰流柱及挡板组成，如图3所示。内板上开有冲击孔，外板上开有8排气膜孔，按顺时针方向依次编号为1～8。前缘与叶片中部用假设的挡板隔开，挡板只对其附近区域的流动与换热产生影响，便于重点考察前缘区域的流动与换热。前缘外板的表面上M、N2点间的弧长为l；为讨论方便采用沿叶片表面的贴体坐标s，坐标原点在5号气膜孔排的中心线与叶片表面的交点上，s 的正向指向叶片的压力面，负向指向叶片的吸力面。气膜孔孔径为df，叉排，沿叶高方向间距h=7.825df，轴线与叶高方向倾角为30°，扰流柱的当量直径dpf=1.25df，叶片前缘层板结构中进气板厚hinlet=1.5df，出气板靶板厚houtlet=1.75df，2层板之间的隔腔厚hs=1.5df，冲击孔的孔径dih=2df。

图1 冲击双层壁与带扰流柱的层板结构

图2 气膜孔、冲击孔和扰流柱的位置分布

图3 前缘模型

1.2 边界条件与物性参数

为保证研究的一般性并减少网格量，本文取1个叶栅通道的叶片前缘部分作为计算域，包括流体域和固体域，其中流体域包括冷气域和热流域。

本文对叶片前缘和燃气进行流热耦合计算，计算域的边界条件设置如图4所示。将燃气来流压力和冷气腔来流压力设为进口压力；将冷气与燃气混合后的压力设为出口压力；将栅距方向的端面设置为周期性边界条件，将叶片前缘与流体接触的面设为耦合面，其他面为绝热边界。

图4 边界条件设置

计算过程中冷热气体均以理想气体处理，气体的比热容、黏性系数和导热系数设定为根据分子运动论进行变化。叶片材料为DD6单晶合金，比热容和导热系数随温度变化，采用线性拟合公式拟合。

1.3 网格划分与独立性验证

计算域采用4面体非结构化网格划分。外板的前缘外表面和内板内表面附近网格采取加密措施。由于前缘内外板、隔腔通道、气膜孔、扰流柱和冲击孔为主要关注区域，所以网格划分较细密，比例依次为41%、16.3%、0.8%、0.9%、1.33%。靶面平均温度随网格量的变化如图5所示。为节约计算资源，本文计算模型的网格量为255万左右。

2 计算方法

图5 网格独立性验证

采用商业软件FLUENT的分离隐式稳态求解器求解3维N-S 方程，并运用RNGk-ε 湍流模型和非平衡的壁面函数；各物理量的离散格式均为2阶迎风格式；压力-速度的耦合采用Simple算法；解收敛标准除了质量方程的最大相对残差小于10-3外，其余各项变量的相对残差均小于10-5，并且靶面和前缘表面的平均温度的变化都在±1K之内。

3 计算结果与分析

3.1 层板冷却叶片前缘流动结果分析

总压损失系数定义为

图6 总压损失系数

图7 不同模型的冷气流量

前缘各排气膜孔处的总压损失系数如图6所示。第5排气膜孔的总压损失最小，其两侧的气膜孔总压损失逐渐增大，并且吸力面侧的第1～4排气膜孔的总压损失大于压力面侧的第6～8排气膜孔的；在同一排气膜孔处，本文的4种模型的总压损失系数差别不大。不同模型的各排气膜孔的冷气流量分布如图7所示。当冷却流量基本相等时，层板结构的内部流动损失大小与冲击孔、扰流柱、气膜孔的相对位置有关，而本文中前缘层板结构的排布方式是在文献[6]中所提出的绕流方式中对流动影响最小的1种，气流在由冲击孔进入隔腔通道后，大部分冷气沿着靶面流向气膜孔，横掠扰流柱的气流很少。因此，在本文中的冲击双层壁和带扰流柱的层板结构中，任意气膜孔排处的总压损失差别很小。

3.2 层板冷却叶片换热结果分析

为消除边缘效应的影响，本文在数据处理时只给出A-A 到C-C 截面之间的换热结果。前缘的曲率较大，本文将不同角度的云图在5排气膜孔处拼接得到完整的靶面或前缘表面云图。

3.2.1 靶面的对流换热系数分布

4种不同前缘模型的靶面对流换热系数分布如图8所示。冲击双层壁和带扰流柱的层板冷却叶片前缘的靶面冲击滞止区的对流换热系数分布比较接近，在冲击滞止区内对流换热系数最大，远离冲击滞止区对流换热系数逐渐减小；在带扰流柱的层板前缘结构的靶面上各气膜孔进口之间的低对流换热区较少；方形扰流柱靶面对流换热系数的影响比圆形、菱形靶面的影响大，差别不明显。原因是气流在进、出口压差的驱动下由冷气腔流经冲击孔进入隔腔冲击靶板，在靶面速度降至0后偏转，在冲击区形成对流换热系数较大的区域；由于4种不同的前缘模型中冲击孔的分布和孔径相同，气流冲击到靶面上的流动状态相近，因此在靶面上冲击区的对流换热系数比较接近。

之后，一部分气流反转流向前缘内板，与其外侧面进行换热；另一部分气流横掠扰流柱流向下游，由于扰流柱处于气膜孔进口之间，刚好是冲击双层壁的靶面对流换热系数较小的区域，在扰流柱前形成流动涡，使此处气流流动更加紊乱，增加了扰动，从而使此处的换热系数增大；还有一部分气流沿着靶面流向气膜孔。这些气流相互影响，形成复杂的3维流动。

图8 靶面对流换热系数分布

3.2.2 前缘表面冷却效率分布

叶片前缘表面的冷却效率分布如图9所示。从图中可见，冷却效率在前缘区域驻点附近较低，沿流向逐渐升高，而在靠近隔腔的末端，由于挡板的存在使其再次降低，并且在靠近压力面的高冷却效率区的面积大于靠近吸力面侧的；带扰流柱的前缘表面的冷却效率明显比冲击双层壁的高；方形扰流柱前缘冷却效率最高，气膜覆盖效果最好，菱形的次之，圆形的最差。

图9 前缘表面冷却效率分布

结合图7给出的不同模型中不同气膜孔排的冷气流量分析：虽然第1排气膜孔的冷气流量最大，但是由于下游靠近前缘区域有挡板，使气流流动不畅，导致冷却效率较低；第3、7排气膜孔冷气流量比其他排的流量大，气膜孔下游的冷却效率较高，并且覆盖良好；而第5排气膜孔处在前缘的驻点区附近，气流难以在此处形成气膜，则相应的冷却效率较低。扰流柱在层板冷却结构中起到很大的作用，首先对层板结构起到支撑作用，增大了叶片的强度；其次其柱面增大隔腔通道内部的换热面积、增强通道的紊流等作用都提高了层板内部的换热效率；同时扰流柱的导热作用会使层板叶片的温度分布趋于均匀，减小热应力。因此，带扰流柱的层板冷却叶片前缘的冷却效率比冲击双层壁的更高。方形扰流柱楔形柱面对气流的导流作用，使气流流出气膜孔后在前缘表面形成很好的气膜覆盖。气流由冲击孔流入隔腔通道后，一部分垂直冲向菱形扰流柱的柱面，气流滞止偏转，提高了隔腔通道内部的换热效率；同时冷气带走了扰流柱柱面的大部分热量，扰流柱的导热作用使叶片前缘的温度降低。而圆形扰流柱增强换热的综合作用效果比方形与菱形的稍差。

4 结论

（1）冲击双层壁的总压损失与带圆形、方形、菱形扰流柱的层板冷却叶片前缘的相差不大。

（2）带扰流柱叶片前缘靶面的对流换热系数小的低换热区比冲击双层壁前缘的靶面的少；方形、菱形与圆形扰流柱的靶面换热系数差别不大。

（3）在叶片前缘表面驻点附近的冷却效率较低，靠近压力面、吸力面侧的冷却效率较高；方形扰流柱的气膜覆盖最好，菱形与圆形次之。

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