氣膜孔幾何結構對渦輪葉片氣膜冷卻的影響研究.pdf

1、提高透平進口溫度是改善燃氣輪機性能和提高其經濟性的重要途徑,但卻受到葉片材料耐熱性能的限制,因此必須采取有效的冷卻措施對渦輪葉片加以保護,使其免受高溫腐蝕或損傷。在眾多的冷卻技術中,氣膜冷卻己被廣泛地應用于壓氣機、燃燒室尤其是渦輪上,成為發(fā)動機熱端部件的主要冷卻方式之一,它通過在高溫部件表面開設槽縫或小孔,將冷卻介質以橫向射流的形式注入到主流中。在主流的壓力和摩擦力的作用下,射流彎曲并覆蓋于高溫部件表面,形成溫度較低的冷氣膜,從而對高溫

2、部件起到隔熱和冷卻的作用。
　　 氣膜冷卻效果主要受氣膜孔的幾何結構(包括氣膜孔的噴射角度、孔徑大小、孔長與孔徑比、孔的間距、孔出口的形狀等)、葉片的幾何參數(shù)和氣膜孔的氣動參數(shù)等因素的影響。許多研究表明,射流出口處速度分布很不均勻,流場結構復雜,不同氣膜孔結構對氣膜的附壁性、橫向覆蓋寬度、縱向覆蓋長度及對孔口下游的冷卻效果都有很大的影響。因此,詳細了解不同氣膜孔孔口的流場流動特性及傳熱機理對燃氣輪機葉片設計和實際氣膜孔的優(yōu)化設計

3、起著至關重要的作用。目前,國內外對圓柱孔研究的較多,對其它孔形的研究和對比相對較少,近幾年,有學者嘗試采用縮放槽縫孔、月牙孔以及開槽孔等新型孔來對氣膜孔的結構進行優(yōu)化,得到了較好的氣膜冷卻效果和孔口氣動性能。本課題采用數(shù)值模擬的方法研究了圓柱孔、前向擴張孔、月牙孔、開槽前向擴張孔、縮放槽縫孔以及具有不同橫向槽尺寸的氣膜孔,在射流下游處及展向上的氣膜冷卻效率及流場分布,并將幾種孔形的計算結果進行了詳細地對比分析,揭示了新型氣膜孔結構強化冷

4、卻的原理。針對縮放槽縫孔,進一步詳細研究了孔長與孔徑比、氣膜孔間距與孔徑比和冷氣入射角度對其冷卻效率的影響。另外,本文對前緣有兩排氣膜孔的對稱渦輪葉片進行了數(shù)值模擬研究,并與試驗數(shù)據(jù)進行了比較,詳細分析了葉片前緣滯止區(qū)附近復雜的流場特征和冷卻特性以及噴射角和孔間距對氣膜冷卻效率的影響。本文的主要研究內容和結論如下:
　　 (1)應用兩層k-ε湍流模型對渦輪葉片氣膜冷卻進行數(shù)值模擬,采用多重網格方法對計算程序加速,利用微分方程建立

5、貼體坐標系的網格生成方法生成了氣膜孔射流區(qū)域的三維網格,通過算例驗證,計算程序對冷卻孔平板氣膜冷卻及葉片前緣氣膜冷卻的主要流動特征與冷卻特性具有良好的模擬能力。
　　 (2)模擬計算了月牙孔、縮放槽縫孔在射流下游處及展向上的氣膜冷卻效率及流場分布,并與常規(guī)圓柱孔進行了對比分析,深入分析新型孔提高氣膜冷卻效率的原理。計算結果表明,月牙孔的出口截面積增大,在展向使冷氣向兩側擴張,孔出口形狀可使冷氣流與主流均勻地發(fā)生相互作用,特別是在

6、高吹風比時,冷氣可以均勻地覆蓋在壁面,并且削弱了孔口附近反向渦旋對的強度,其氣膜有效覆蓋面積、平均冷卻效率以及氣膜的均勻性均好于圓柱孔和前向擴張孔?？s放槽縫孔在垂直于射流流動方向的展向是擴張的,在射流流動方向是收縮的,使得冷氣流動在氣膜孔內得以充分發(fā)展,流動分離現(xiàn)象幾乎消失,流動較規(guī)則,由于其特殊的射流結構,致使在孔內發(fā)展均勻的高速氣流緊貼出口底平面出流后直接沖刷表面,形成了較大的順壓力梯度,有利于消除射流在孔入口處形成的分離,使射流更

7、易貼近被冷卻壁面,并能有效地抑制反向渦旋對的產生,整體氣膜冷卻保護效果較好。
　　 (3)針對縮放槽縫孔,本文應用數(shù)值模擬方法進一步詳細研究了孔長與孔徑比、氣膜孔間距與孔徑比和冷氣入射角度對其冷卻效率的影響。結果表明,在任何吹風比下,縮放槽縫孔的冷卻效率都隨著孔長與孔徑比的增大而增大。對于同一長徑比,在氣膜孔下游某位置處,孔與孔之間沿展向的冷卻效率均有不同程度的增加,小吹風比時增加的幅度小,隨著吹風比的增大,冷卻效率增加的幅度也

8、隨之增大。在任何吹風比下,小角度噴射的冷卻效率較高,并且隨著吹風比的增大,小角度噴射優(yōu)于其它噴射角的趨勢也越來越大?？组g距較小時,在孔口附近及孔間區(qū)域會發(fā)生強烈的氣膜干擾,使得孔排的作用類似于單個孔的效果,冷卻氣膜分布比較集中,在孔口下游近處冷卻效率較高,但是氣膜覆蓋的區(qū)域較小。隨著孔間距的增大,氣膜覆蓋面積增加,孔口附近的冷卻效率低于小孔距,在孔下游遠處發(fā)生的氣膜干涉較為明顯。
　　 (4)通過數(shù)值模擬的計算方法,研究了具有六

9、種不同開槽尺寸的氣膜孔在射流下游處及展向上的氣膜冷卻效率及流場分布,將幾種開槽孔的計算結果進行了詳細地對比分析,分析了橫向槽的作用機理。計算結果表明,在任何吹風比下,所有開槽氣膜孔沿孔排下游及展向的冷卻效率均高于圓柱孔,這種趨勢隨著吹風比的增大而日益明顯。在低吹風比時,幾種開槽尺寸的冷卻效率相差不大。隨著吹風比的增大,不同開槽孔冷卻效率的變化趨勢不盡相同。不同開槽尺寸對氣膜冷卻性能的影響較復雜,在本文研究的條件下,具有中等開槽深度和最大

10、開槽寬度的開槽孔,氣膜孔下游較大范圍內的溫度處于較低水平,且孔口處射流中心軸線離壁面較近,其氣膜有效覆蓋面積、平均冷卻效率以及氣膜覆蓋的均勻性都好于其它幾種開槽孔,因而具有最佳的氣膜冷卻效果,并且孔下游及展向的冷卻效率隨著吹風比的增大而增大。而具有最大開槽深度的開槽孔,較低溫度覆蓋的范圍最窄,射流抬離壁面,射流的附壁性差,因而冷卻效果較差。
　　 (5)本文對葉片前緣滯止區(qū)附近雙排孔噴射的復雜流場特征和冷卻特性以及噴射角和孔間距

11、對雙排孔氣膜冷卻效率的影響進行了數(shù)值研究。結果表明,對于位于前緣滯止線附近的第一排孔,存在較大的順壓力梯度,這一較大的順壓力梯度有利于冷氣流向冷氣孔下游均一地發(fā)展。第二排孔冷氣射流處于低壓區(qū),冷氣射流在與主流相互作用的過程中,由于冷氣射流對主流的阻礙,在冷氣孔后部區(qū)域生成了一對旋轉方向相反的旋渦,使得冷氣射流抬離壁面向冷氣孔下游發(fā)展。由于主流與冷氣射流的摻混作用,冷氣射流在向下游運動的過程中又重新貼近壁面。減小噴射角度可以減小反向渦旋對