燃机透平叶片带肋直通道结构优化策略研究

燃机透平叶片带肋直通道结构优化策略研究

孙强

大唐泰州热电有限责任公司，江苏 泰州， 225500

摘要：在航海、航天等领域内，燃气轮机因其具备功率密度大且结构紧凑的特点受到广泛应用，透平叶片结构问题导致燃气温度居高不下，因此展开相关研究是极有必要的。基于此，本文首先简单介绍了燃机透平叶片带肋直通道结构，继而结合实际研究进行优化策略探讨，以期促进燃机透平叶片的稳定发展。

关键词：燃机；透平叶片；带肋直通道；结构优化

引言：燃机常因透平叶片导致温度超出金属材料标准温度而导致热应力提高，致使叶片烧毁，严重影响燃机各项机械性能，并在一定程度内导致燃机安全性与经济性降低，而透平叶片是确保燃机温度的关键部位，带肋直通道作为燃机冷却的重要结构，需不断研究对其结构进行优化，同时这也是本次研究的主要原因。

一、燃机透平叶片带肋直通道结构

燃气轮机透平叶片是将气体按照一定方向进行引导，其尺寸能够影响透平流通能力，在高温环境下，透平叶片受燃机冲击冷却、气膜冷却、对流冷却等多种冷却方式影响，需结合通道共同作用实现高效率冷却降温。燃气轮机内燃烧室与涡轮叶片进行工作时，将产生大量高温，同时需承受剧烈温度变化的冲击，尤其在燃气轮机起动与停机时，应长期的高温工作，导致燃机使用寿命受限，其中透平叶片在运行过程中需承受定期脉动力与稳态离心力两种载荷，这就导致叶片成为决定燃机寿命的最主要因素，燃气透平是将燃烧室内燃气能量转化为机械功的重要部件，透平叶片采用逐级增高方式完成三级能量转换，最大程度避免能力损失。现阶段国产燃气轮机经过政策推动逐渐取得一定成效，但燃气轮机生产研究存在一定距离，作为重大战略核心装备，仍需加强研究，避免长期依靠进口影响各领域发展，在现有研究中，对于U型通道的研究逐渐成熟，但相对的带肋直通道的结构优化研究仍存在提升空间。

二、透平叶片带肋直通道结构在燃机中的优化策略探析

为进一步推进燃机透平叶片带肋直通道结构优化研究，本文从完善流程与计算方法、优化通道摩擦因子、结论分析方式优化、处理表面污染物颗粒四个角度进行优化策略探讨。

（一）完善设计优化流程

对于透平叶片带肋直通道结构的优化主要体系在通道冷却方面，其中肋片是保障通道内对流效果与换热作用的关键，在现有研究中一般将叶片直通道宽高、肋片宽高、肋片间距等多种参数进行定量与变量分析，肋片对于冷却直通道的关键性作用，能够使对流阻力显著降低，进而促进叶片稳定运转，有效提高燃机工作效率。在燃机透平叶片带肋直通道结构优化流程中，主要采取模型优化形式进行研究，在以往研究中，主要基于NUMECA优化平台进行研究设计，但随着研究进程的推进，ANSYS Workbench优化平台逐渐占据主要地位，在航空航天航海制造产业中，ANSYS Workbench设计平台是集流体、热、结构等多功能为一体的分析软件，并塑造了一个协同平台，形成ANSYS Workbench Environment（AWE）分析处理环境，能够显著缩短设计分析周期，实现高效率研究，因此在实现透平叶片带肋直通道结构优化研究中，首先应对设计平台进行更新。

对于整体分析研究流程的优化主要分为四个步骤：第一，对于各肋片数据进行取值范围设定，本着设计最优化原则，可运用拉丁超立方（Latin Hypercube Sampling，LHS）进行抽样，形成样本点集并进行变量设定，并形成变量空间；第二，在AWE处理环境中进行模型构建，将第一步中所设定的点集变量进行参数化转变，同时运用计算流体动力学（CFD）进行离散代数与方程组计算，对各样本点集进行相应计算；第三，运用流程仿真模型的Kriging代理模型对样本点集进行响应面计算，进一步使数据精确化；第四，结合遗传算法（Genetic Algorithm，GA）针对第三步中所获得的样本点集响应面进行最优解运算，以此确保结构优化程度^[1]。

（二）优化算法与通道摩擦因子

对于通道结构长度、肋片间距、水力直径、宽高比、壁面厚度等变量进行几何模型构建，并结合流体域几何模型对所研究优化项目进行操作，例如研究肋片偶数远端部分切除优化研究时，需将所切除形成豁口进行夹角测定，并结合豁口与壁面距离进行变量设定，以此进一步推进研究进度。

将优化变量完成设定后，可选用ICEM CFD软件进行模型分析，ICEM CFD软件能够提供目前最高效最准确的分析模型，运用此软件对于燃机透平叶片带肋直通道进行结构网格构成，并运用边界网格对近避免区域进行加密处理，同时保障Y+数值与网格数，通过试验对所优化项目进行条件模拟，如入口湍流度、流量出口、入口条件等，为保障优化设计准确度，可运用方程的差分格式（Difference scheme）进行高阶求解模式（High Reso-lution），并根据时间尺度控制（Fluid Timescale Control）进行局部时间尺度因子项(Local Timescale Factor)选择。通道摩擦因子可随样本点集的变化而随之变化，因此摩擦因子能够切实反应出所选择样本点集是否合理，对于摩擦因子的优化即是对样本点集的优化，另外因努塞尔数比与换热性能因子可直观反应处结构优化程度，若展开相关试验计算，需通过数值对比进行分析

^[2]。

（三）结论分析方式优化

若结合变量设定优化范围，最后针对试验数据与结果进行对比，以此了解带肋直通道结构优化效果，但现阶段研究发展中，对于分析方式仍以传统对比与论述为主，可结合努赛尔数比对壁面平均响应面判断，并对数值峰值所产生原因进行分析，在响应面独立峰值变化中，对极小值与极大值进行数值记录与分析，并结合通道换热性能因子数值，最终得出最优宽高比与肋片角度，同时结合带肋直通道所设计变量具体变化进行摩擦因子对比，得出总体试验结论。例如研究肋片偶数远端部分切除优化研究时，最终得出的结论格式应为豁口与远端壁面的最优夹角、最优距离以及最优豁口宽度，在不同肋片角度结果优化中，所得出数值具有一定差异，但结合本次研究所提到的最新设计平台与算法，可最大程度保障试验精准度，促进燃机透平叶片带肋直通道最优结构数据的得出。

（四）处理表面污染物颗粒

除上述最新研究方法外，燃机运转时透平叶片污染物颗粒将极大影响结构优化进程，因此进行处理表面污染物颗粒是极有必要的。透平叶片表面污染物颗粒能够对降温对流形成阻力，为保障燃气轮机运转稳定，需结合燃料供给系统展开进口空气与燃料的清洁，但对着透平叶片的运转，仍存在细微污染物颗粒附着现象，在燃机高温环境运转下，导致细微污染物颗粒熔化，形成粘附沉积附着在透平叶片表面，在长久以往运转下逐渐形成气膜孔堵塞，严重影响燃机寿命，同时经以往研究标明，粘附沉积并不会随透平叶片的温度降低而冷却，同时因其内在物质复杂将会产生一定腐蚀性，继而导致燃机性能降低与寿命缩短。对于透平叶片表面污染物颗粒的处理是决定肋片直通道优化环境的重要因素，可结合颗粒特性进行湍流扩散、热迁移等处理，运用多种形式进行处理，湍流扩散是在旋涡带动下进行运动，继而通过惯性形成扩散，在带肋直通道中，附着层沉积物逐渐随顺梯度进行湍流扩散，以此保障透平叶片运转环境；热迁移则是借助布朗扩散运动通过温度梯度实现颗粒运输。

结语：综上所述，现阶段燃机温度仍需不断降低与稳定，这就导致透平叶片带肋结构需继续进行优化研究，本次研究结合国内外学者现有研究，进一步开展分析，通过对燃机透平叶片的多角度思考展开优化探讨，旨在对燃机透平叶片带肋直通道结构进行优化，促进燃机内部温度稳定降低，提高其使用寿命。

参考文献：

[1]张晓明,虞跨海,辛士红,姚世乐.微米沙尘涡轮叶片带肋冷却通道两相流动特性分析[J].河南科技大学学报(自然科学版),2019,40(02):17-22+27+5.

[2]席雷,徐亮,高建民.厚壁矩形带肋通道内蒸汽流动及传热特性[J].吉林大学学报(工学版),2018,48(03):752-759.

作者简介：姓名：孙强（1980.10--）；性别：男，民族：汉，籍贯：江苏省邳州人，学历：本科；现有职称：中级工程师；研究方向：发电厂的热能动力工程专业 。