燃气涡轮高效冷却技术及设计方法发展趋势
任静, 李雪英, 郭欣欣, 王善友, 许浩楠    
清华大学 能源与动力工程系, 北京 100084
摘要:燃气轮机和航空发动机被誉为是工业皇冠上的明珠, 其研制水平是一个国家科技水平和综合国力的重要标志。随着燃气轮机和航空发动机工作效率和性能的不断提高, 涡轮入口温度逐年上升, 涡轮叶片暴露在更高的来流温度下。为使金属叶片在远超其熔点的温度中仍能安全运转, 亟需发展高效的冷却技术。该文概述了燃气涡轮高效冷却技术及设计方法的发展趋势, 提出了按照3个维度开展燃气涡轮冷却技术研究的思路, 总结了本团队在冷却单元-气冷叶栅-整机多部件交互等方面的基础研究成果, 搭建了基于实验数据驱动的高效高精度冷却结构设计平台, 探索了以双层壁为代表的下一代冷却技术的特性和发展趋势。
关键词燃气涡轮    气冷叶片    高效冷却    设计方法    
Development trends in high-efficiency gas turbine cooling methods
REN Jing, LI Xueying, GUO Xinxin, WANG Shanyou, XU Haonan    
Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: Gas turbines and aero engines are known as the jewels of the industrial crown and their development is an important symbol of a country's technological level and national strength. Turbine inlet temperatures are rapidly increasing to improve the turbine efficiency, so the turbine blades are being exposed to higher temperatures. Efficient blade cooling methods are then needed for the blades to work safely at temperatures much higher than the material melting point. This paper reviews the development of high-efficiency cooling methods for gas turbines and presents a three-dimensional research framework for gas turbine cooling methods. This paper also reviews the research results of the present authors on the flow and heat transfer characteristics of cooling units, blade cascades and multiple cooling component interactions. This paper then presents a design method for efficient experimental data-driven cooling structure design. The characteristics and development trends of next generation cooling methods using double wall cooling are also described.
Key words: gas turbine    air-cooled blade    efficient cooling    design method    

为使涡轮叶片能够承受住高温燃气带来的热负荷挑战,许多学者对叶片的冷却结构开展了大量的研究工作[1-2]。针对以气膜冷却技术为代表的外部冷却,韩介勤[3]致力于研究高湍流度的气体对气膜冷效的影响,提出了高湍流度的冷气不会显著改变气膜叶片表面的换热系数分布,但是会显著降低气膜冷却效率。Ekkad等[4]则研究了吹风比对气膜冷效的影响,发现随吹风比增大,冷效呈先增大后降低趋势。Teng等[5]研究了气膜孔形状对气膜冷效的影响,发现扇形气膜孔的换热系数低于圆形孔,但是冷却效率优于圆形气膜孔。对以带肋蛇形通道和多腔冲击为代表的内部冷却,Huang等[6]采用了瞬态液晶技术测量了非常详细的冲击冷却换热系数,发现冲击Reynolds数越高,冲击靶板的换热系数越大。Zhao等[7]研究了真实叶形环境下,前缘冲击孔位置对传热的影响,发现冲击孔离压力面越近,传热越好。韩昌等[8]研究了叶栅环境下,静叶表面与静叶端壁的气膜非定常特性和泛冷却效应,发现该非定常特性不明显,但泛冷却效应显著受到静叶环缝密封出流量的影响。胥蕊娜等[9]研究了防护相变发汗冷却,并对冷却结构加以优化。尹洪等[10]研究了燃烧室与透平叶片的交互作用,发现燃烧室带来的辐射传热是透平高温叶片传热的关键影响因素,会使实验平板温度提升50~70 ℃。对冷却结构基本特性的把握为涡轮冷却技术的发展提供了扎实的基础。

涡轮叶片结构复杂,试验成本高昂。采用传统机械加工方式制造试验用的复杂涡轮叶片,耗时耗力且加工成本极高,因此在实际研发中,难以采用传统机械制造方式加工大量试验用叶片。增材制造是一种不借助机械加工的制造技术,它利用计算机三维图形数据短时间内加工出各种复杂结构,大大降低了加工成本,广泛应用于涡轮试验叶片的加工制造[11]。英国Materials Solutions公司[12]采用增材制造技术打印出一种采用新型内部冷却结构设计的叶片,显著降低了冷气用量。2017年西门子公司[13]采用增材制造技术打印出400 mm长度的叶片,该叶片在13 000 r/min和高于1 250℃条件下开展测试,并取得成功。杨力[14]采用树脂材料利用增材制造技术加工制造了一个透明的涡轮全叶片,发展了基于增材技术的全叶片内部冷却结构瞬态传热测量技术。除了采用增材制造技术,为了更进一步提升涡轮叶片的设计优化效率,在概念设计-详细设计-最终设计的过程中,计算机多维度分析扮演了重要的角色。通用电气(General Electric, GE)公司[15]结合机器学习方法,对涡轮叶片温度进行预测,缩短了99%的预测时间。Milani等[16]基于高精度(Navier-Stokes, N-S)方程求解结果,使用随机森林(random forest, RF)算法和人工神经网络对湍流模型参数进行了修正,获得了比传统模型更准确的平均温度分布。普惠公司与魁北克大学[17]联合开发了融合工程知识的传热和应力一体化数字分析工具,能在控制精度的情况下缩短80%的预测时间。这些研究表明在建立实验数据库的基础上,将工程知识与数据进行融合驱动,可实现仿真设计精度与效率的双重提高,这也是涡轮冷却结构高效精细化设计的核心思想。

叶片冷却结构的研究和高效精细化设计分析为下一代冷却技术的探索铺就了重要的研究基础。双层壁冷却是最有潜力的下一代叶片冷却技术,早在20世纪60年代,Allison公司的Lamilloy为代表的双层壁技术被提出并开始在燃烧室内使用,冷却效果提升显著。Wear等[18]对Lamilloy型双层壁结构进行的测试结果表明,在保证冷却效果的前提下,Lamilloy结构的冷气消耗量为分段式气膜冷却结构的40%。该结构在航空发动机上取得试验成功,且冷却效果比传统结构有很大提升[19-20]。因此,双层壁冷却技术是一项很有潜力的叶片冷却技术。

本团队一直致力于燃气轮机涡轮高效冷却技术的研究,基于该领域长期的研究,提出了3个维度的燃气涡轮冷却技术研究思路。本文主要从冷却结构机理机制的研究、实验数据驱动的高效高精度冷却结构设计方法和下一代冷却技术发展趋势3个方面对叶片高效冷却技术开展论述。

1 涡轮冷却技术研究的3个维度

为了实现提升涡轮进口温度从而提升整机性能的目标,涡轮叶片的冷却结构演化的愈来愈复杂多样。若从开始就针对复杂结构气冷叶片开展研究,势必难以建立基础研究-关键技术-型号研制的协同创新链。因此,本团队提出了3个维度的燃气涡轮冷却技术研究思路,如图 1所示。图中,第一维度以研究对象为代表,从冷却单元开始,至气冷叶栅和多部件交互影响;第二维度以学科分类为代表,从流动传热开始,至结构强度和材料寿命;第三维度以技术成熟度为代表,从机理研究(TRL 1-3),至关键技术(TRL 4-6)和型号研制(TRL 7-9)。

图 1 涡轮冷却技术的三维研究导向图

这3个维度在燃气涡轮冷却技术的研究中相辅相成,在型号研制总目标的牵引作用下,以机理研究支撑关键技术开发,以关键技术开发助力型号研制。有机结合从简到繁研究对象的研究成果,有机结合多学科耦合分析成果,最终形成合力支撑型号研制。

2 涡轮叶片冷却技术的机理机制

对从冷却单元、气冷叶栅到多部件交互的流动传热特性的研究,在涡轮叶片冷却技术研究的金字塔中扮演着夯实基础的作用。本团队在这一维度采用实验测量和数值模拟手段开展研究,积累了大量的研究成果。

对于冷却特性的精确把握,有赖于“立体化”的测量手段。在实验测量方面,本团队发展了较为完备的流动传热测量技术:采用压力敏感漆(pressure sensitive paint, PSP)测量气膜绝热冷效,瞬态和稳态液晶以及红外热像仪(infrared, IR)测量气膜/冲击/带肋通道的换热系数,五孔探针和油流墨迹测量流场流线,热线测量流场内湍流度,粒子图像测速法(particle image velocity, PIV)用于测量流场内速度分布。本团队自行开发的标定方法和后处理方法,以及精细化处理实验条件,可有效确保实验技术的精度和可重复性。

冷却单元中的冲击冷却是强化内部传热的重要手段,对于外部有气膜冷却的情况,采用瞬态液晶测量方法完成了一系列改变孔间距和冲击距离的变工况实验,发现气膜孔能局部强化内部传热。同时通过非定常计算发现,狭窄通道内的Kelvin-Helmholtz效应会使横流和射流的动量相互掺混形成周期性的涡对结构,从而对传热产生非定常效应,如图 2所示[14]

图 2 狭窄通道内非定常涡系结构和传热分布图

冷却单元中的气膜冷却是外部冷却的关键核心技术,本团队率先建立平板气膜冷却和叶栅气膜冷却实验测量系统,采用了压力敏感漆的方法测量气膜冷却效率,研究了不同孔型对气膜冷却的影响,掌握了大量气膜冷却实验数据,建立了气膜冷却基础数据库[21]。因气膜孔的构型对气膜冷却的效果影响明显,传统圆孔和扇形孔因肾型涡的存在易发生吹离,抑制气膜冷却效果。对此,通过重构涡系结构,提出反肾形涡的元宝孔,如图 3所示,提高冷却效果高达33%[22]

图 3 元宝孔气膜单元结构

为了更深入研究气膜冷却的机理机制,基于物理认知发展高精度湍流模型是揭示和预测气膜冷却特性的重要手段。研究发现,气膜冷却的大相干涡系具有强各向异性,导致基于Boussinesq假设的涡黏湍流模型侧向扩展预测不足,对此,本团队构建了气膜冷却代数各向异性的涡黏系数修正(algebraic anisotropy eddy viscosity, AAEV)各向异性的湍流模型[23],该模型在气冷叶栅与实验中获得出色的验证效果,并获得“973”计划项目重大研究成果。

对于冷却单元的流动换热机理研究,能够深入掌握各冷却单元的流动换热特性,为后续叶栅环境下冷却技术的研究打下良好铺垫。

叶栅环境下的冷却结构,通常指的是叶栅环境下的气膜冷却技术。叶栅气膜冷却的影响因素众多且复杂,认知叶栅环境下气膜冷却的共性影响因素十分必要。将透平的复杂叶栅环境抽象模化出曲率和压力梯度2个参数,针对这2个参数,对气膜冷却的流动传热开展了180组实验,气冷叶栅实验台如图 4所示,并提炼出基于曲率及压力梯度的气膜冷却经验公式的修正方法[24]

图 4 气冷叶栅实验台

叶片冷却研究中,燃烧室对涡轮冷却的交互作用是冷却结构设计需要考虑的重要因素。燃烧室对涡轮一级导叶的作用主要有辐射、旋流、尾涡和热斑,据此本团队进一步开展多部件交互条件下的冷却机制研究。搭建了高温平板气膜冷却实验台,探究高温条件下的对流/导热/辐射耦合换热机理。研究结果发现,辐射在燃烧室和一级导叶交界处的换热总量中占主导[25]。还搭建了旋流与气膜冷却的交互实验台,如图 5所示,探究旋流因素下,燃烧室旋流与气膜冷却之间的交互作用。结果表明旋流对前缘气膜冷却的分布情况产生明显影响,外部旋流场的总压及攻角分布使得两端冷气偏转,覆盖效果较好,而中间段吹离明显[26]

图 5 旋流与气膜冷却的交互实验台

本团队开展从冷却单元至气冷叶栅和多部件交互的冷却机理机制研究,获得了大量实验数据,揭示了涡轮叶片冷却的机理机制,为后续面向冷却结构的高效精细化设计分析打下坚实基础。

3 实验数据驱动的高效高精度冷却结构设计方法

为实现面向冷却结构的高效精细化设计分析,以实验数据库为基础,在工程知识与数据融合驱动的思路指引下,致力于使冷却结构设计分析精度与效率双提高。主要开展了包括参数化建模与网格自动生成方法、高精度数值求解方法、二维冷效数据库搭建方法、实验数据驱动的冷却特性预测方法以及高效优化策略等方面的研究。

在气冷涡轮叶片网格自动生成方面,为解决冷却结构设计与网格生成过程在整个设计流程耗时过长的问题,发展了参数化建模与网格自动化生成软件Coolmesh[27],该软件的输入数据为冷却结构的设计参数,不需要输入任何的几何模型,可自动进行几何和网格生成,生成文件可直接被ANSYS等商业软件读取,如图 6所示为内部冷却导叶的气热耦合计算网格生成图。应用Coolmesh生成数百个气膜冷却孔覆盖的冷却叶片网格仅需不到1 h,远低于传统仿真建模和网格生成时间,大大提高了高效冷却结构设计的效率。

图 6 导叶的气热耦合网格生成实例

在实验数据建立方面,经过对文献实验数据的总结以及本团队近年来所积累的大量实验数据,团队发展了大数据与机器学习辅助的冷却特性预测方法[28]。该方法利用BP(back propagation)神经网络进行建模,选择对气膜冷却影响较大的6个参数进行输入,通过266个工况点共7 446组数据作为样本进行训练和测试,可以实现在亚音速范围内对倾角为30°~35°无复合角、长径比大于6的气膜孔进行一维冷效预测,预测平均误差为7.6%。该方法与使用经验关联式相比,预测精度更高,相较CFD(compute fluid dynamics)计算方法节约更多仿真时间。

在高精度数值求解方面,本团队发展了一套基于间断有限元方法的高精度数值求解器[29]。该求解器低阶精度采用广义极小残量法(generalized minimal residual algorithm, GMRES)等隐式计算方法,有效减少计算资源,结合高低阶间断有限元方法,实现任意高阶精度求解三维湍流非定常流动及流热耦合问题。

在以上成功的基础上,为进一步解决传统的全三维耦合CFD方法计算量大、计算精度受到算法限制的问题,发展了实验数据辅助的冷却特性预测方法[30],该方法利用由大量实验数据总结而来的叶片表面换热系数关联式、全覆盖气膜冷却叶片绝热冷效实验数据库,基于曲率及压力梯度的气膜冷却修正公式,实现了对全气膜叶片表面换热系数和绝热冷效的二维分布预测,如图 7所示。该方法可以在保证预测精度的前提下,极大缩短计算时间。

图 7 全覆盖气膜叶片表面换热系数与绝热冷效预测

在发展的参数化建模与网格生成技术、实验数据辅助的冷却特性预测方法基础上,结合基于代理模型的高效优化策略[30],搭建了气冷涡轮冷却结构设计优化平台,如图 8为以GE-E3一级静叶叶片为例,使用该平台从参数化建模到冷却结构布局优化的全流程的示意图,优化后平均温度较优化前下降18 K。该平台能够大幅缩短设计时间并且提高设计分析精度,支撑了某自主知识产权重型燃机热防护系统的设计。

图 8 GE-E3一级静叶设计优化

该气冷涡轮冷却结构设计优化平台具有高效、高精度、自动化的特点,能够有效支撑面向冷却结构的高效精细化设计,该平台技术成熟度经型号验证已达到技术成熟度5级。

4 下一代冷却技术发展趋势

下一代叶片冷却技术不断地向薄壁、多层壁、多通道、微扰流结构等特征发展,双层壁冷却结构是其中最具潜力的一种。发展双层壁技术,一方面有赖于增材制造等加工工艺的提升,另一方面有赖于对具有这些新特征的冷却结构中耦合流动传热机理的掌握。应用双层壁冷却的燃气轮机叶片如图 9所示。

图 9 双层壁冷却叶片概念图

鉴于复杂的叶身冷却结构无法帮助理清耦合流动传热机理,本团队首先提炼了双层壁冷却结构的典型单元类型。具体的典型单元包括近壁冲击冷却结构、狭窄通道强化换热冷却结构、小长径比全覆盖气膜冷却三大类。

针对近壁冲击冷却单元,研究了流动参数、几何参数、固体导热系数与热边界条件对综合冷却效率的影响机制[31]。通过实验研究补充了冲击冷却数据库,得到了一套适用于近壁冲击的关联式系数,扩展了Florschuetz冲击换热关联式的应用范围[32]

针对狭窄通道强化换热冷却结构,采用实验和数值手段分析了不同冲击距离和展向间距的冷却单元特性,发现:耦合传热的热边界条件会引起近壁流体热物性的改变,导致其换热系数显著高于绝热分析;侧壁二次冲击所导致的湍流增强是侧壁换热得到强化的主控因素,且压损无显著增加;在狭窄通道中合理地增加扰流柱肋能够继续增加冷却效率而不显著增加压损[33]

针对全覆盖/发散气膜冷却,研究表明,随着孔排间距的缩小,各排孔射流的交互作用显著,下游孔实际气膜冷却效率会受到上游孔气膜射流的影响而衰减,这种衰减与边界层厚度有关,且存在临界孔排数,当孔排数大于临界孔排数,下游边界层厚度不再变化,下游孔冷却效率也不再继续衰减[34]。根据这一发现,提出了Sellers叠加公式的修正方法,提高了预测精度。

针对小长径比气膜冷却,采用大涡模拟对小长径比气膜孔内涡系结构演化过程进行了高分辨率解析[35],指出当L/D=0.5时肾形涡起源主要是在孔入口处形成的螺旋涡和射流-横流剪切形成的Kelvin-Helmholtz涡;当L/D=2时,肾形涡起源于孔内旋涡对和Kelvin-Helmholtz涡;而当L/D=5时则主要起源于Kelvin-Helmholtz涡。

在各典型单元绝热特性研究的基础上,将各类下一代冷却单元组合在一起,研究了冲击-柱肋-发散双层壁结构的耦合流动传热机理。在匹配实验件与真实燃机的Biot数的条件下,研究了不同冷却元件组合对综合冷效的作用机制。定量评价了阵列冲击、发散冷却和柱肋通道3种结构以及其组合对综合冷效的贡献份额,发现多单元耦合特性表现与各单元绝热特性表现迥异,耦合特征在双层壁冷却特性中占有主导地位。由此所带来的冷效提升与热应力增加的矛盾需要挖掘更有效的冷却手段,综合考量传热强化、压损控制与热应力3个因素来解决[36]

针对这一双层壁的新挑战,开展了阵列冲击条件下的小微扰流单元流动传热特性的初步研究。结果表明,当靶面增加微小扰流元件时,换热系数增加30%~120%,同时,出流系数变化不大,如图 10所示。这意味着某些小微扰流单元具有有限压损大幅强化换热的特性[37]。这一特性有望为双层壁冷却技术面临的热应力挑战提供新的解决方案。

图 10 小微扰流元件强化换热性能评价

5 结论与展望

燃气涡轮冷却技术是燃气轮机和航空发动机的关键技术,其研究有赖于立体化实验手段和高精度数值方法,其技术突破有赖于建立机理研究、关键技术和型号研制的无缝衔接。

进一步强化对当代经典冷却结构的研究,完善拓展涡轮叶片冷却特性数据库,基于大数据分析和人工智能技术挖掘机制,提高涡轮冷却设计的精度和效率,将对建立我国自主知识产权的燃机/航机产业具有重要意义。

努力探索下一代高性能冷却机制,结合材料和加工技术的进展,构建下一代涡轮叶片冷却结构,将助力我国燃机/航机产业尽快进入国际先进行列。

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